承载保温型泡沫混凝土性能研究

仲晓晨

(苏州高新有轨电车集团有限公司，江苏苏州 215014)

1 概述

如今，建筑能耗以占整个社会能耗的46.7%而成为最大的耗能产业，建筑产业的节能已成为一项刻不容缓的工作［1］。随着城市轨道交通的兴建，地铁管片衬砌需要大量既有一定强度又具有保温功能的填充材料，研究和开发承载保温型混凝土已成为一项迫切的工作。

承载保温型泡沫混凝土是指可满足承载及保温双重功能要求的泡沫混凝土，其密度在500 kg/m3～700 kg/m3，与普通混凝土相比，承载保温泡沫混凝土具备了诸多优异性能，如适中的强度，低密度，优异的保温性能和低廉的成本，吸引了国内外众多学者和建筑从业人员的目光［2］。E.K.Kunhananda［3］研究了多因素对泡沫混凝土工作性能的影响机制，研究表明，发泡剂是影响不同密度泡沫混凝土工作性能的主要因素。M.R.Jones等［4］在泡沫混凝土中添加粉煤灰代替部分水泥，泡沫混凝土的后期强度有所提高，浆体流动性随着粉煤灰掺量的提高而增强。Kearsley等［5］在泡沫混凝土中加入粉煤灰，取代部分水泥以降低成本，研究表明，粉煤灰最大取代量为水泥掺量的67%。本文探讨不同粉煤灰掺量及水灰比对承载保温型泡沫混凝土性能的影响，探讨总体性能最优时的配合比，为在地铁工程等领域应用提供理论指导。

2 试验材料

水泥采用苏州市某水泥厂生产的P.Ⅱ52.5级硅酸盐水泥;砂为河砂;粉煤灰由苏州市某公司提供，质量符合GB/T 1596—2005用于水泥和混凝土中的粉煤灰要求。试验所采用的发泡剂为复合型化学试剂，性能指标:发泡倍数46.7倍，1 h泌水量为15.7 mL，1 h沉降距为1.2 mm、泡沫半衰期大于 96 h。减水剂由苏州某高分子材料科技有限公司提供，减水率约25%;水采用城市自来水，质量符合JGJ 63混凝土用水标准的规定。

3 试验结果与分析

3.1 水灰比对泡沫混凝土性能的影响

在承载保温型泡沫混凝土浆体工作性能的诸多影响因素中，水灰比(W/C)占主导地位，浆体包裹泡沫能力在一定程度上取决于水灰比的大小。结合本课题组研究成果，设计了水灰比，并测定其工作性能(流动性和粘度值)如表1所示。

表1 不同水灰比下承载保温型泡沫混凝土的工作性能

图1为不同水灰比对承载保温型泡沫混凝土7 d，28 d抗压强度的影响。

图1 不同水灰比对承载保温型泡沫混凝土7 d，28 d抗压强度的影响

由图1可知，随着水灰比的增大，承载保温型泡沫混凝土的7 d，28 d抗压强度先上升后下降，在水灰比为0.44处，抗压强度最大，分别为2.75 MPa和4.02 MPa。泡沫在浆体中分布稳定，均匀，浆体的流动性良好，此时浆体的粘度更适合包裹泡沫，损泡率也很小，成型后形成的气孔结构比较规则，此处抗压强度达到最大。

图2为水灰比对承载保温型泡沫混凝土吸收率、导热性能与干缩值的影响。

由图2a)可知，承载保温型泡沫混凝土的吸水率和导热系数变化为先下降后上升，在水灰比为0.44处，承载保温型泡沫混凝土的吸水率和导热系数为14.5%和0.092 W/(m·K)。由前面分析可知，此处的泡沫在浆体中的分布均匀，形成的孔隙结构完整，气孔连通可能性小。由图2b)可知，干缩值有先下降后上升的变化，在水灰比为0.44处干缩值达到最小值，此时浆体粘度较高，导致部分泡沫发生破裂现象，泡沫中水分被释放出来，一定程度上增加了浆体中的自由水含量。

图2 不同水灰比对承载保温型泡沫混凝土吸水率，导热吸收与干缩值的影响

3.2 不同粉煤灰掺量对泡沫混凝土性能的影响

在承载保温型泡沫混凝土中掺入适量粉煤灰代替水泥可降低成本，但粉煤灰掺入会在一定程度上影响浆体的工作性能。根据以上结论，本试验中采用水灰比0.44，粉煤灰代替水泥量分别为10%，20%，30%和40%，试验配合比如表2所示。

表2 不同粉煤灰替代物与承载保温型泡沫混凝土的配合比

图3为粉煤灰掺量对承载保温型泡沫混凝土7 d，28 d抗压强度的影响。

由图3可知，随着粉煤灰代替量以10%的数量递增，承载保温型泡沫混凝土7 d强度降低非常明显，但28 d强度有所提高。当粉煤灰代替30%的水泥量时，28 d抗压强度为4.14 MPa。粉煤灰属火山灰质活性材料，能与水泥水化产物中的C-H发生化学反应，使水泥水化产物更加致密，填充了承载保温型泡沫混凝土内部孔隙，从而提高了后期强度。但随着其掺量的增加，减少了承载保温型泡沫混凝土水泥含量，导致了水泥水化中C-H量减少，影响粉煤灰的后期水化，导致抗压强度明显下降，当粉煤灰掺量达到40%时，承载保温型泡沫混凝土28 d抗压强度仅为2.31 MPa。

图3 粉煤灰掺量对承载保温型泡沫混凝土不同龄期抗压强度的影响

图4为不同粉煤灰代替量对承载保温型泡沫混凝土吸收率、导热吸收与干缩值的影响。

如图4a)所示，在粉煤灰掺量为0% ～30%时，随着掺量的增加，吸水率缓慢增大，在掺量为40%处，吸水率和导热系数达到最大值。主要原因是粉煤灰的掺入能够改善泡沫混凝土气孔的结构和分布，但也会损坏泡沫，泡沫中水分被释放出来，导致浆体中自由水分的增加，造成硬化后材料中毛细管增多。由图4b)可知，随着粉煤灰掺量的增加，泡沫混凝土的干缩值呈现出先减小后增大趋势，从总体上看有改善作用，原因是由于粉煤灰自身填充效应减弱。当粉煤灰代替水泥量达到30%时，测试干缩值降为0.66 mm/m，但当代替量大于30%时，游离状态水增多，抵消了这种效应，使干缩值反而变大。

图4 不同粉煤灰代替量对承载保温型泡沫混凝土吸收率，导热吸收与干缩值的影响

由图4可知，当粉煤灰代替量为0% ～30%时，承载保温型泡沫混凝土28 d强度和干缩变形有了明显改善，但吸水率和导热系数呈缓慢增大趋势。当粉煤灰代替量大于30%时，7 d，28 d抗压强度明显下降，干缩值也明显增大，整体性能呈现反方向变化，不利于其推广应用。因此，在用粉煤灰代替水泥以降低承载保温型泡沫混凝土成本时，其最佳代替量为30%左右，此时承载保温型泡沫混凝土整体性能最优。

4 结语

粉煤灰掺量和水灰比对承载保温型泡沫混凝土抗压强度、吸水率、导热系数及干缩值影响明显。最优配合比为水灰比0.44，粉煤灰掺量为30%。按此配合比下的导热系数为0.116 W/(m·K)分析计算，上人屋面现浇15 cm厚承载保温型泡沫混凝土完全达到节能65%的目标，同时，满足地铁管片衬砌对填充材料抗压强度的要求，且成本低，周期短，施工方便。