复掺粉煤灰矿渣对岩溶空洞泡沫混凝土性能影响研究

林在健

（福建永宏建设工程有限公司）

0 前言

泡沫混凝土是一种具有多功能性的环保建筑材料，它是由水泥、掺合料和发泡剂等混合搅拌后浇筑而成，具有轻质、密度可调、整体性好、保温和隔声性能好、工艺简单、施工快捷、可泵性好等特点，在建筑工程中得到广泛应用[1]。

近年来逐渐在岩溶地区兴建工程，岩溶地基因其稳定性较差，给工程建设和施工带来了重大安全隐患，岩溶空洞中的地基问题成为工程建设中必须解决的问题。传统的岩溶空洞采用水泥注浆处理技术，但其具有充填不到位、造价高、施工环境污染大等缺点[2]。泡沫混凝土具有强度和密度可调节性、良好的施工性能的特性，适合用于岩溶空洞的填充，可避免常规水泥浆液充填不到位的缺陷，同时可以减少水泥用量。为研制性能较好且经济适宜的适用于岩溶空洞充填性能的泡沫混凝土，本研究以湿容重等级为W12 的泡沫混凝土为研究对象，探讨粉煤灰和矿粉双掺对泡沫混凝土抗压强度及流动度性能的影响和不同水胶比对双掺体系泡沫混凝土抗压强度及流动度的性能影响。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

⑴试验采用P·O425 级水泥。

⑵II 级粉煤灰，其他性能见表1。

表1 粉煤灰的性能

⑶S95 级矿粉，其性能见表2。

⑷高效减水剂，其减水率为21%。

⑸MS-1 型复合发泡剂，推荐稀释倍数为40 倍，其性能见表3。

表3 发泡剂的性能

⑹河砂：采用普通河砂，其细度模数2.3，含泥量1.0%，I 区集配。

1.2 试样制备

将水泥、粉煤灰、矿粉、水、外加剂及砂通过搅拌制成水泥浆，用专用发泡机将发泡剂溶液制备成泡沫，将制备好的泡沫注入水泥浆中搅拌均匀后注入相应的模具中。试件成型后置于温度为（20±2）℃、相对湿度为（60±10）%的环境中养护，48h 后拆模，继续养护至规定龄期进行相关试验。

1.3 测试方法

泡沫混凝土的抗压强度测试方法参照JG/T 266-2011《泡沫混凝土》进行，流动度测试方法参照CJJ/T 177-2012《气泡混合轻质土填筑工程技术规程》进行。

1.4 配合比设计

以湿容重等级为W12 的泡沫混凝土为研究对象，参照CJJ/T 177-2012《气泡混合轻质土填筑工程技术规程》，试验配合比如表4 所示。

表4 试验配合比

2 试验结果与分析

2.1 粉煤灰和矿粉对泡沫混凝土流动度的影响

从图1 可以看出，在单掺矿粉的时候，泡沫混凝土流动度最差，随着粉煤灰掺量增加，泡沫混凝土的流动度有所提升。这是因为粉煤灰中含有大量粒形完整的玻璃微珠，对泡沫混凝土内部产生滚珠轴承作用[3]，减小颗粒间的摩擦力，起到良好的润滑作用，降低浆体的黏度和极限剪切应力，从而改变拌和物的流变性质。而矿粉因为其自身活性较高，当矿粉在一定细度条件下，自身可以发生水化反应，水化反应会消耗泡沫混凝土中的水分，所以相比同样掺量的粉煤灰，会有流动度较差的表现。但如果流动度太大，导致砂在浆体内部受到的粘聚力不够，易产生沉底现象。

图1 粉煤灰和矿粉对泡沫混凝土流动度的影响

图2 流动度太大导致砂沉底

2.2 粉煤灰和矿粉对泡沫混凝土抗压强度的影响

从图3 可以看出，随着两种掺合料掺入比例不同，对泡沫混凝土的7d 和28d 的抗压强度影响都比较大。单掺矿粉时泡沫混凝土的7d 和28d 的抗压强度都比单掺粉煤灰的抗压强度高，但是二者的28d 的抗压强度差距幅度在缩小。分析其原因，是因为矿粉具有火山灰活性和微集料填充效应，并且矿粉和水泥的水化产物会填充到泡沫混凝土浆体的孔隙中，使泡沫混凝土变得致密，从而抗压强度增高；而粉煤灰的活性较低，在等量取代水泥后，自身只有很小一部分能发生二次水化反应，但是随着龄期的增加，粉煤灰的火山灰效应和微集料效应逐渐体现出来[4]，因此后期的泡沫混凝土抗压强度会有较大的增长。

图3 粉煤灰和矿粉对泡沫混凝土抗压强度的影响

随着粉煤灰的加入，当粉煤灰和矿粉复掺时，抗压强度增加，效果更佳。当二者掺量为1:1 时为最佳比例；随着粉煤灰在复掺体系中的占比增大，泡沫混凝土的抗压强度减小。分析其原因，是因为当粉煤灰和矿粉复掺时，二者起到了相互补充的效果。粉煤灰的加入能改善泡沫混凝土的微观结构，让泡沫混凝土的内部变得更加致密，泡沫混凝土内部气孔界面过渡区得到强化，从而增加试块的抗压强度；但随着粉煤灰量增加，水泥水化产物不足，不能充分与粉煤灰进行活性反应，泡沫液膜在重力和压力的双重挤压下，发生变形，泡沫混凝土内部气泡破损率提高，连通孔的数量增加[5]，容易形成大孔径的气泡，故而表现出抗压强度降低。

2.3 不同水灰比对双掺体系泡沫混凝土流动度的影响

为研究不同水灰比对双掺体系泡沫混凝土流动度和抗压强度的影响，以重量比1:1 掺入粉煤灰和矿粉作为研究体系，试验配方如表4 所示，实验结果如图4 所示。

图4 不同水胶比对双掺体系泡沫混凝土流动度的影响

从图4 可以看出，水灰比在0.4～0.55 之间时，随着水灰比的增大，泡沫混凝土的流动度增加，流动性能改善，这是因为水灰比增大，用水量增加，水在泡沫混凝土浆体中起到润滑作用，泡沫混凝土浆体相对极限剪切应力及相对黏度降低[6]，流动度呈现出不断增大的趋势。但是水灰比过大时，泡沫混凝土会出现泌水现象，如图5 所示。

图5 泌水现象

2.4 不同水灰比对双掺体系泡沫混凝土抗压强度的影响

不同水灰比下，泡沫混凝土的抗压强度试验结果如图6 所示。从图6 看出，水灰比对7d 和28d 抗压强度的影响，水灰比在0.4～0.55 之间时，随着水灰比的增加，泡沫混凝土抗压强度呈现先增大后减小的趋势。从0.4增加到0.46，泡沫混凝土浆体流动度增大，在浆体中形成泡沫的阻力变小，促使泡沫能在浆体中均匀分布，且水灰比的增加能使胶凝材料水化充分，从而增加气孔孔壁的密实度，气孔的均匀性直接影响到泡沫混凝土的抗压强度，所以泡沫混凝土的抗压强度随水灰比增加而增大；当水灰比大于0.46 时，泡沫混凝土抗压强度降低，这是因为水灰比增大，开始出现泌水现象，不参与水化反应的游离水在泡沫混凝土内部形成蒸发迁移通道，导致泡沫混凝土内部孔壁结构形成较多细小的连通孔隙，成为泡沫混凝土的薄弱环节[7]，从而降低抗压强度。

图6 不同水胶比对双掺体系泡沫混凝土抗压强度的影响

3 结论

⑴随着粉煤灰在复掺体系中的占比增加，泡沫混凝土的流动度增加，单掺粉煤灰的流动性比单掺矿粉的流动性较好。

⑵随着粉煤灰在复掺体系中的占比增加，泡沫混凝土的抗压强度呈现先增加后减小的变化。当二者掺量为1:1 时为最佳比例，此时抗压强度达到最大；随着粉煤灰在复掺体系中的占比继续增大，泡沫混凝土的抗压强度减小。

⑶水灰比对矿粉和粉煤灰双掺体系的流动度影响较大，随着水灰比的增加，流动性变好。

⑷水灰比在0.4～0.46 范围内，泡沫混凝土抗压强度随着水灰比的增加而增大；当水灰比大于0.46 后，抗压强度反而呈现减小的趋势。

⑸本试验中，为制备性能较好且经济适宜的适用于岩溶空洞充填的泡沫混凝土，水胶比宜为0.46，粉煤灰和矿粉在取代水泥时，二者的比例宜为1:1。