矿物掺合料对外墙保温材料泡沫混凝土的改性研究*

杨博明，刘慧萍，傅渝峰，梁 婧，银昱杰

(西安工业大学 建筑工程学院，西安 710021)

泡沫混凝土具有良好的保温性能以及轻质、隔音、耐火和环保等优点[1-2]，干密度为250 kg·m-3的泡沫混凝土用作外墙保温材料时能满足外墙保温材料轻质的要求[3-4]。然而，轻质的泡沫混凝土普遍存在强度低、导热系数高、收缩率和体积吸水率大等问题，不能满足外墙保温材料强度高、导热系数低、收缩率和吸水率低等要求，所以对泡沫混凝土性能的改良是非常必要的。

国内外学者为了提高泡沫混凝土性能对其进行了一系列改性研究，文献[5]进行了粉煤灰和矿粉对400 kg·m-3泡沫混凝土性能影响的研究,试验结果表明，粉煤灰和矿粉在一定掺量内可以改善400 kg·m-3泡沫混凝土的抗压强度和体积吸水率。文献[6]通过X-CT扫描成像技术对泡沫混凝土的孔隙结构进行了研究，试验结果表明，掺入粉煤灰可以改善泡沫混凝土的孔隙结构。

本文选取4种矿物掺合料通过等质量替换水泥的方式对泡沫混凝土进行改性研究，旨在提升泡沫混凝土的性能。

1 试验材料与方法

表1 聚丙烯纤维主要性能指标Tab.1 Main performance indicators of polypropylene fiber

表2 粉煤灰主要成分及性能指标Tab.2 Main components and performance indexes of fly ash

表3 硅灰主要成分及性能指标Tab.3 Main components and performance indicators of silica fume

表4 矿粉主要成分及性能指标Tab.4 The main components and performance indicators of mineral powder

表5 偏高岭土主要成分及性能指标Tab.5 Main components and performance indicators of metakaolin

采用固定混合料体积的方法控制泡沫混凝土干密度为250 kg·m-3，根据前期试验结果，用于制备1 m3泡沫混凝土的材料如下：200 kg水泥、80 kg水、0.145 m3泡沫，1.5 kg聚丙烯纤维，0.4 kg减水剂、2 kg膨胀剂、0.6 kg早强剂。以此为试验基准配合比，研究掺合料对泡沫混凝土性能的影响。

采用搅拌钻高速搅拌发泡剂溶液制备泡沫，水泥浆料与泡沫在NJ-160A水泥搅拌机中搅拌均匀后，采用尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的立方体模具和300 mm×300 mm×30 mm的板模具进行浇筑，脱模后将所有试块在SHBY-408水泥混凝土恒温恒湿标准养护箱中养护28 d后进行泡沫混凝土性能测试。经过养护的泡沫混凝土试块在101型电热鼓风干燥箱中烘干后，采用ACS-15 kg电子计重秤测定泡沫混凝土的干密度及体积吸水率，采用YAW-3000全自动压力试验机测定泡沫混凝土的抗压强度，采用JTRG-111导热系数测定仪测定泡沫混凝土的导热系数。

2 试验结果分析

2.1 粉煤灰对泡沫混凝土影响试验

以粉煤灰等质量取代6%，12%，18%，24%，30%水泥进行试验，结果如图1所示。试验结果表明，在一定掺量内粉煤灰对泡沫混凝土性能有改善作用。粉煤灰掺量在12%以内时，可以改善泡沫混凝土的抗压强度、体积吸水率和收缩率。粉煤灰掺量为6%时，泡沫混凝土的抗压强度达到最大值(0.68 MPa)，导热系数达到最小值(0.067 5 W·m-1·K-1),体积吸水率达到最小值(9.4%)，收缩率达到最小值(0.6%)。

图1 粉煤灰掺量对泡沫混凝土性能影响Fig.1 The influence of fly ash content on the performance of foam concrete

粉煤灰掺量在6%以内时，抗压强度提高，导热系数降低，体积吸水率及孔隙率降低。粉煤灰密度低于普通硅酸盐水泥，随着粉煤灰掺量的增加，混合料体积不变，浆体体积增加，泡沫体积减小，降低了泡沫混凝土的孔隙率，提高了泡沫混凝土的抗压强度，降低了泡沫混凝土的导热系数；浆体体积增加使泡沫混凝土孔壁更密实，孔结构更稳定，连通孔更少，封闭孔隙率更大。同时由于粉煤灰为微小的球形颗粒，能均匀分散在水泥颗粒之间，改善了浆体的流动性，使泡沫分布更均匀，孔径更统一，降低了泡沫混凝土的体积吸水率及收缩率。

粉煤灰的早期活性相对于水泥较低[7]，当粉煤灰掺量较多时，混合料中化学反应迟缓，延长了初凝时间，使泡沫破碎的风险增加，连通孔变多，混凝土内部结构失稳。如图1所示，粉煤灰掺量大于6%时，泡沫混凝土抗压强度降低，导热系数增加，体积吸水率和收缩率加大。

2.2 硅灰对泡沫混凝土影响试验

以硅灰等质量取代3%，6%，9%，12%，15%水泥进行试验，结果如图2所示。试验结果表明，在一定掺量内硅灰对泡沫混凝土的抗压强度、体积吸水率和收缩率有改善作用。硅灰掺量为9%时，泡沫混凝土抗压强度达到最大值(0.72 MPa)。硅灰掺量为6%时，泡沫混凝土收缩率达到最小值(0.75%)。硅灰掺量在15%以内时，泡沫混凝土的体积吸水率随着硅灰掺量的增加缓慢降低，导热系数随硅灰掺量的增加逐渐加大。

图2 硅灰掺量对泡沫混凝土性能影响Fig.2 The influence of silica fume content on the performance of foam concrete

适量硅灰对于泡沫混凝土的性能有提升作用。一方面硅灰密度远低于所用普通硅酸盐水泥的密度，掺加适量硅灰的可以减小泡沫混凝土的孔隙率，使泡沫混凝土抗压强度增加。另一方面硅灰可以发挥微集料填充效应和火山灰效应，使水泥浆体更密实，从而提升泡沫混凝土的抗压强度。

密度为250 kg·m-3泡沫混凝土胶凝材料用量较少，其凝结硬化速度慢，硅灰加快了泡沫混凝土凝结硬化速度，降低了泡沫破碎率，改善了泡沫混凝土的孔隙结构，使泡沫混凝土的体积吸水率和收缩率减小。

硅灰颗粒小比表面积大，需水量较高。水胶比一定的情况下，掺加过量硅灰会对泡沫混凝土混合料的流动性产生不利影响，使混合料搅拌不均匀，孔结构变差，导致凝结硬化后泡沫混凝土内部结构失衡。如图2所示，在硅灰掺量较多时，内部结构失衡使泡沫混凝土抗压强度降低。孔隙率增加及孔结构变差使泡沫混凝土导热系数的增加速率升高。孔隙率降低使泡沫混凝土体积吸水率减小。流动性变差导致气泡破碎风险加大使泡沫混凝土收缩率增加。

2.3 矿粉对泡沫混凝土影响试验

以矿粉等质量取代3%，6%，9%，12%，15%水泥进行试验，结果如图3所示。试验结果表明，在一定掺量内矿粉对泡沫混凝土的抗压强度和体积吸水率有改善作用。泡沫混凝土的抗压强度在矿粉掺量为6%时达到最大值(0.68 MPa)，体积吸水率在掺量为3%时达到最小值(9.6%)。矿粉掺量在3%以上时，泡沫混凝土的收缩率随着矿粉掺量的增加持续增加。矿粉掺量在15%以内时，泡沫混凝土的导热系数随着矿粉掺量的增加持续增加。

图3 矿粉掺量对泡沫混凝土性能影响Fig.3 The influence of mineral ash content on the performance of foam concrete

矿粉掺量较少时，矿粉发挥微集料填充效应，改善了混合料的流动性，减小了泡沫连通孔的孔隙率，使泡沫混凝土体积吸水率降低。矿粉中存在的熟料矿物C2S、CS与水反应生成与硅酸盐水泥类似的胶凝状物质，成为致密的水泥浆，使矿粉具有胶凝效应。这种胶凝效应可以改善浆料拌合物的粘聚性，使泡沫混凝土结构更稳定，从而提升了泡沫混凝土的抗压强度。

矿粉与水的一次反应以及火山灰反应(二次反应)速度都比水泥水化反应慢，使矿粉对泡沫混凝土的凝结硬化产生一定的阻碍作用。

随着矿粉掺量的增加，泡沫混凝土凝结硬化时间变长，泡沫破碎风险变大，连通孔的孔隙率增加，导致泡沫混凝土内部结构失稳，使泡沫混凝土收缩率增加，抗压强度降低，导热系数增加，体积吸水率变大。

2.4 偏高岭土对泡沫混凝土影响试验

以偏高岭土等质量取代3%，6%，9%，12%，15%水泥进行试验，结果如图4所示。试验结果表明，在一定掺量内偏高岭土对泡沫混凝土性能有改善作用。偏高岭土掺量为6%时，泡沫混凝土的抗压强度达到最大值(0.83 MPa)，导热系数达到最小值(0.061 2 W·m-1·K-1)，体积吸水率达到最小值(8.7%)，收缩率达到最小值(0.83%)。

图4 偏高岭土掺量对泡沫混凝土性能影响Fig.4 The influence of metakaolin content on the performance of foam concrete

偏高岭土属于超级火山灰材料，在碱性环境中易与Ca(OH)2发生火山灰反应生成水化硅酸钙、水化铝酸钙等产物，可以促进水泥的水化反应[8]。偏高岭土掺量较少时，可以加快水泥凝结硬化速度，降低泡沫破损率，使泡沫混凝土的导热系数减小。偏高岭土的火山灰效应和微集料效应使泡沫混凝土抗压强度增加，体积吸水率减小，对泡沫混凝土的收缩也有抑制作用。偏高岭土对浆料的流动性也有影响，随偏高岭土掺量的增加，混合料的流动性有所下降，使凝结硬化后的泡沫混凝土结构变差，大量泡沫破碎形成较大孔洞，导致泡沫混凝土的抗压强度下降，导热系数变大，体积吸水率及收缩率增加。

3 结 论

1) 在一定掺量内粉煤灰对泡沫混凝土性能有改善作用。粉煤灰掺量在12%以内时，可以改善泡沫混凝土的抗压强度、体积吸水率和收缩率。粉煤灰掺量为6%时，泡沫混凝土的抗压强度达到最大值(0.68 MPa)，导热系数达到最小值(0.067 5 W·m-1·K-1)，体积吸水率达到最小值(9.4%)，收缩率达到最小值(0.6%)。

2) 在一定掺量内硅灰对泡沫混凝土的抗压强度、体积吸水率和收缩率有改善作用。硅灰掺量为9%时，泡沫混凝土的抗压强度达到最大值(0.72 MPa)。硅灰掺量为6%时，泡沫混凝土的收缩率达到最小值(0.75%)。硅灰掺量在15%以内时，泡沫混凝土的体积吸水率随着硅灰掺量的增加缓慢降低，导热系 数随硅灰掺量的增加逐渐加大。

3) 在一定掺量内矿粉对泡沫混凝土的抗压强度和体积吸水率有改善作用。矿粉掺量为6%时，泡沫混凝土的抗压强度达到最大值(0.68 MPa)。矿粉掺量为3%时，泡沫混凝土的体积吸水率达到最小值(9.6%)。矿粉掺量在3%以上时，泡沫混凝土的收缩率随着矿粉掺量的增加持续增加。矿粉掺量在15%以内时，泡沫混凝土的导热系数随着矿粉掺量的增加持续增加。

4) 在一定掺量内偏高岭土对泡沫混凝土性能有改善作用。偏高岭土掺量为6%时，泡沫混凝土的抗压强度达到最大值(0.83 MPa)，导热系数达到最小值(0.061 2 W·m-1·K-1)，体积吸水率达到最小值(8.7%)，收缩率达到最小值(0.83%)。