预拌现浇泡沫混凝土的制备及其性能

赵 进，徐俊伟，石芳婷，陈德鹏

(1.安徽工业大学建筑工程学院，安徽马鞍山243032；2.马鞍山中鑫工程质量检测咨询有限公司，安徽马鞍山243000)

泡沫混凝土是一种具有绿色节能、轻质保温等优良性能的无机材料[1]，目前的主要应用形式为制品和现浇两种[2]。其中现浇泡沫混凝土主要通过现场称量、现场制浆搅拌的方法制备，这种制备方法不仅无法保证混凝土的质量，还会产生粉尘污染等问题，危害人体健康。泡沫混凝土的实际应用过程中，因工业排放物带来的环境污染问题日益凸显，将工业废渣作为掺合料加入泡沫混凝土的方法逐渐被推广。已有学者通过添加粉煤灰[3-5]、钢渣[6-8]、铁尾矿[9-11]等工业废渣提升泡沫混凝土性能，实现固废利用。考虑到当地钢渣，粉煤灰两种工业废品排放量较高，若能添加钢渣粉和粉煤灰制备出各性能满足要求的泡沫混凝土，对固废利用最大化具有重要意义和作用。为此，本文将预拌浆体运输至现场，采用现场发泡混合的方法制备预拌现浇泡沫混凝土，开展不同水灰质量比和发泡时间条件下预拌现浇泡沫混凝土的性能测试实验，研究钢渣粉、粉煤灰掺量对预制泡沫混凝土性能的影响。

1 实验

1.1 实验材料

实验所用水泥为安徽海螺牌P.O42.5级硅酸盐水泥，其化学成分和性能指标如表1，2。钢渣粉取自马鞍山钢铁股份有限公司炼钢所，且经球磨机磨成微粉末状，其化学成分如表3。粉煤灰为马鞍山钢铁资源管理公司的Ⅱ级粉煤灰，发泡剂选用河南华泰建材开发有限公司生产的HT 牌复合型发泡剂，产品性能指标见表4。减水剂选用山东万山化工有限公司生产的粉末状萘系高效减水剂。

表1 水泥化学成分，w/%Tab.1 Chemical composition of cement,w/%

表2 水泥性能指标Tab.2 Performance indexes of cement

表3 钢渣粉化学成分，w/%Tab.3 Chemical composition of steel slag powder,w/%

1.2 组分配合比

1.2.1 对照组

预拌现浇泡沫混凝土的对照组为常规方法制备的泡沫混凝土，常规方法制备的泡沫混凝土成分配合比扩发泡时间见表5，其性能见表6。

表4 发泡剂性能指标Tab. 4 Performance indexes of foaming agent

表5 常规方法制备泡沫混凝土配合比及发泡时间Tab.5 Mix proportion and foaming time of foam concrete prepared by conventional method

表6 常规方法制备的泡沫混凝土性能Tab. 6 Properties of foam concrete prepared by conventional method

1.2.2 预拌现浇泡沫混凝土

影响预拌现浇泡沫混凝土品质的主要因素有预拌浆体的水灰质量比和混合前泡沫量。为得到各项性能与对照组性能(表6)相当的预拌现浇泡沫混凝土，实验过程中，选取预拌浆体水灰质量比为0.30，0.35，0.40，发泡时间为3，4，5 min。另选取钢渣粉质量分数为10%，15%，20%，25%；粉煤灰质量分数为10%，15%，20%，25%。实验组分配合比及发泡时间见表7。

表7 预拌现浇泡沫混凝土实验成分配合比及发泡时间Tab.7 Experimental mix proportion and foaming time of ready mixed cast-in-place foam concrete

1.3 预拌现浇泡沫混凝土的制备

按表7所示，确定水灰质量比，称量对应组分水泥、粉煤灰和钢渣粉的质量及预制浆体用水的体积，倒入桶中搅拌制成净浆体，模拟40 min运输过程。泡沫存放时间不宜过长，在混泡前10 min开始制泡，称量发泡剂40 g和稀释泡沫用水1 600 mL，用手持搅拌器搅拌分别发泡3，4，5 min确定最优混泡的泡沫量，每分钟取1次泡沫。制泡完成后将泡沫与预制浆体用物理搅拌的方式搅拌均匀倒入模具，3 d后拆模，放入标准养护箱中养护至规范要求时间，即得预拌现浇泡沫混凝土试件。

1.4 预拌现浇泡沫混凝土性能的测试

1.4.1 干密度

按1.3方法制备试件，尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，3块为1组，标准养护28 d。测量试件实际体积后将试件放入电热鼓风干燥箱(105±5)℃中烘干，干燥至恒定质量(干燥时须冷却至室温称重，每4 h称重1次，2次质量差不超过0.2%)，最终取平均质量。试件干密度计算公式为

式中：ρ为干密度，kg/m3；m为试件干燥情况下质量，g；V为试件体积，mm3。

1.4.2 抗压强度

按1.3方法制备试件，尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，3个试件为1组。试件在标准养护箱中养护7，28，56 d，采用YE-200型液压式压力试验机和DYE-300型水泥压力试验机检测试件的抗压强度。读取试验机上同组3个试件的抗压强度数值，取其平均值为该组试件的抗压强度。

1.4.3 导热系数

按1.3 方法制备试件，尺寸为Φ100 mm×50 mm，3 块为1 组。试件在标准养护箱中养护28 d 后，使用YBF-3型导热系数测定仪测量试件的导热系数。读取仪器上同组3个试件的导热系数数值，取其平均值为该组试件的导热系数。

1.4.4 吸水率

按1.3方法制备试件，尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，3块为1组，试件在标准养护箱中养护28 d。如1.4.1方法烘干试件，记录试件最终平均质量。待试件冷却至常温，放入温度为(20±5)℃的恒温水中，然后分别加水淹没试件的1/3，2/3，直至高于试件30 mm。淹没浸泡24 h后，擦去表面水分，称量同组3个试件质量，取其平均值。试件吸水率计算公式为

式中：W为吸水率；m为试件干燥情况下质量，g；m1为试件水饱和情况下质量，g；V为试件体积，mm3；ρw为水的密度，1 000 kg/m3。

1.4.5 软化系数

式中：K为软化系数；p1为试件水饱和状态下抗压强度，MPa；p2为正常养护状态下抗压强度，MPa。

2 实验结果及分析

2.1 水灰质量比与发泡时间对预拌现浇泡沫混凝土性能的影响

2.1.1 干密度

水灰质量比和发泡时间对预拌现浇泡沫混凝土干密度的影响如图4。从图4可看出，预拌现浇泡沫混凝土干密度随发泡时间和水灰质量比的增加而下降。这是由于发泡时间增加使泡沫体积和数量显著增加，气泡数量变多，导致混合浆体的体积增加，故单位体积内混合浆体质量减少。水灰质量比较低时，浆体水分较少，水泥颗粒缺水润滑，易成团，混泡过程中泡沫难以进入水泥颗粒中间导致生产失败；水灰质量较高时，浆体流动性较大，易产生分层和塌模现象。当水灰质量比为0.35、发泡时间为3 min,4 min时，干密度等级为A05，适合生产。

2.1.2 抗压强度

水灰质量比和发泡时间对预拌现浇泡沫混凝土28 d抗压强度的影响如图5。由图5可看出，预拌现浇泡沫混凝土28 d抗压强度随发泡时间和水灰质量比的增加呈下降趋势。这是因为随着发泡时间的增加，泡沫数量增加，泡沫的增加取代了水泥，直接导致产品抗压强度减少；水灰质量比增加，单位体积内水泥颗粒含量减少，泡沫和水含量增加，抗压强度随之减少。当水灰质量比为0.35、发泡时间为3 min时，预拌现浇泡沫混凝土抗压强度最优。

2.1.3 导热系数

图5 水灰质量比和发泡时间对预拌现浇泡沫混凝土抗压强度的影响Fig.5 Influence of water cement mass ratio and foaming time on compressive strength of ready mixed castin-place foam concrete

水灰质量比和发泡时间对预拌现浇泡沫混凝土导热系数的影响如图6。由图6可看出：随浆体水灰质量比增加预拌现浇泡沫混凝土导热系数降低，水灰质量比为0.30 时，导热系数随着发泡时间的增加而降低；水灰质量比为0.35时，导热系数随着发泡时间的增加先降低后升高；水灰质量比为0.40时，导热系数随着发泡时间的增加而升高。因为当发泡时间增加，混入浆体的泡沫数量增加，大量泡沫在内部连通成孔时使孔径变大、热反射面增加，内部稳定且封闭气孔也阻碍了空气流动，使热传导媒介减少。因此，混泡浇筑后，试件内部气孔直观增加，气孔导热性能变差，使整体导热系数减小。但是随着发泡时间增加混入泡沫量持续增加，内部孔隙率处在一个较高水平时，泡沫量对形成内部封闭气孔的影响减少，出现导热系数变缓的趋势。当水灰质量比为0.35、发泡时间为4 min 时，预拌现浇泡沫混凝土的导热系数最低。

会议时间：2018年11月21日-25日(周三-周日) 报到及住宿地点：南京曙光国际大酒店 (南京市龙蟠路107号) 住宿预订截止时间：2018 年 11 月 12 日 会议收费：900元(含资料费、会议餐费)，住宿及交通费用自理。

2.1.4 吸水率

水灰质量比和发泡时间对预拌现浇泡沫混凝土吸水率的影响如图7。由图7可看出，随发泡时间和水灰质量比的增加，预拌现浇泡沫混凝土吸水率均呈上升趋势。因为随着水灰质量比增加，水泥颗粒间水分增加，颗粒间的润滑度和分离直径也增加，使泡沫更易进入水泥浆体的内部更好地与胶凝材料结合，现浇成的制品内部孔隙率也增加，导致吸水率的增加；发泡时间增加，泡沫体积与气泡数目得到了显著增加，导致内部气孔增加，吸水率也随之增加。当水灰质量比为0.35、发泡时间为5 min时，预拌现浇泡沫混凝土的吸水率最高。

2.1.5 软化系数

水灰质量比和发泡时间对预拌现浇泡沫混凝土软化系数的影响如图8。由图8可看出：当水灰质量比增加时，预拌现浇泡沫混凝土的软化系数呈增大趋势；随着发泡时间的增加，试件软化系数呈先增加后减小的趋势，软化系数均处于一个较优范围，可用于潮湿较轻或非主要结构中。

综上，当水灰质量比为0.35、发泡时间为4 min时，预拌现浇泡沫混凝土各项性能与对照组的性能(表7)相当。因此，后续选用此配合比的预拌现浇泡沫混凝土进行实验。

2.2 矿物掺合料对预拌现浇泡沫混凝土性能的影响

2.2.1 钢渣粉

钢渣粉掺量对预拌现浇泡沫混凝土性能的影响如图9。由图9可看出：适量的钢渣粉可提升泡沫混凝土的抗压强度，但掺量不宜超过20%(质量分数，下同)；导热系数随着钢渣粉掺量的增加而增大，因为钢渣相较水泥的导热系数高；吸水率随钢渣粉掺量的增加而增大，这是因为钢渣粉的胶凝性比水泥低，导致试件空隙变大。

图6 水灰质量比和发泡时间对预拌现浇泡沫混凝土导热系数的影响Fig.6 Influence of water cement mass ratio and foaming time on thermal conductivity of ready mixed castin-place foam concrete

图7 水灰质量比和发泡时间对预拌现浇泡沫混凝土吸水率的影响Fig.7 nfluence of water cement mass ratio and foaming time on water absorption of ready mixed cast-inplace foam concrete

图8 水灰质量比和发泡时间对预拌现浇泡沫混凝土软化系数的影响Fig.8 Influence of water cement mass ratio and foaming time on softening coefficient of ready mixed castin-place foam concrete

上述分析表明，采用质量分数为10%，15%，20%，25%的钢渣粉取代水泥制备干密度等级为A05的预拌现浇泡沫混凝土，当钢渣粉质量分数为20%，其28 d 抗压强度最高，为1.35 MPa；导热系数较大，为0.165 W/(m·K)；吸水率较大，为32.46%，导热系数和吸水率处于较优的水平范围。故用适量钢渣粉取代水泥制备现浇泡沫混凝土可最大化实现固废利用，节约资源。

图9 钢渣粉掺量对预拌现浇泡沫混凝土性能的影响Fig.9 Influence of steel slag powder on properties of ready mixed cast-in-place foam concrete

2.2.2 粉煤灰

粉煤灰掺量对预拌现浇泡沫混凝土性能的影响如图10。由图10可看出：当粉煤灰掺量为20%(质量分数，下同)时，抗压强度优于其他掺量；导热系数随粉煤灰掺量增加而降低，因为粉煤灰表面积较大，且孔隙率在较大的范围可形成多孔型的整体结构，阻碍热传导速度；粉煤灰掺量为20%时，吸水率低。

图10 粉煤灰掺量对预拌现浇泡沫混凝土性能的影响Fig.10 Influence of pulverized coal ash on properties of ready mixed cast-in-place foam concrete

上述分析表明，采用质量分数为10%，15%，20%，25%粉煤灰取代水泥制备干密度等级为A05预拌现浇泡沫混凝土，当粉煤灰质量分数为20%时，其28 d抗压强度最高，为1.32 MPa；导热系数较小，为0.146 W/(m·K)；吸水率较低，为22.17%，此时浇泡沫混凝土的性能优于同干密度等级的、不掺矿物掺合料的预拌现浇泡沫混凝土。因此，用质量分数为20%的粉煤灰取代水泥制备现浇泡沫混凝土不仅可提升混凝土的性能，且可固废利用、节约资源。

3 结 论

采用预制水泥浆体后再和泡沫混合的方法制备预拌现浇泡沫混凝土，研究不同水灰质量比和发泡时间下预拌现浇泡沫混凝土的性能，探讨矿物掺合料对预拌现浇泡沫混凝土性能的影响，得出以下主要结论。

1)水灰质量比为0.35、发泡时间为3 min时，预拌现浇泡沫混凝土密度等级为A05，最适合生产；发泡时间为3 min时，预拌现浇泡沫混凝土28 d抗压强度最佳；发泡时间为4 min时，预拌现浇泡沫混凝土导热系数最低。水灰质量比为0.35、发泡时间为4 min时，预拌现浇泡沫混凝土的性能与普通方法制备泡沫混凝土的性能相当。

2)采用质量分数为20%的钢渣粉取代水泥制备预拌现浇泡沫混凝土，预拌现浇泡沫混凝土的抗压强度性能最优，导热系数和吸水率较高，但仍处于较优的水平范围。

3)采用质量分数为20%的粉煤灰取代水泥制备预拌现浇泡沫混凝土，预拌现浇泡沫混凝土的抗压强度、导热系数、吸水率等性能较不掺粉煤灰时均有提高。用适宜的粉煤灰取代水泥制备现浇泡沫混凝土不仅可提升混凝土的性能，且可固废利用、节约资源。