生土泡沫混凝土的制备及其性能

张 磊， 赵倬跃， 张 楠， 荣 辉，2， 岳昌盛

（1.天津城建大学材料科学与工程学院，天津 300384；2.天津城建大学 天津市建筑绿色功能材料重点实验室，天津 300384；3.承德石油高等专科学校 建筑工程系，河北 承德 067000；4.中冶建筑研究总院有限公司，北京100088）

生土是一种历史悠久的建筑材料，生土建筑具有能耗低、造价低、可调节室内温湿度等优点［1］. 同时，生土也存在强度低、脆性大、耐水性差等缺点，导致生土建筑的抗震性差，易受侵蚀破坏［2］.长期以来，国内外学者或采用了水泥、石灰等改性材料来改善夯土、生土砌块、生土砖等生土材料的物理、力学和耐久性能［3-8］，或采用各种天然可再生资源，如动植物纤维等来改善未烧制生土材料的机械、湿热和耐久性能［9-10］.然而，生土材料用作承重墙体材料时，在改性材料掺量（质量分数，文中涉及的掺量、泌水率、减水率等除特别说明外均为质量分数）较低的情况下，其强度和耐久性能提升有限.陈兵等［11］研究发现，利用生土、水泥和微硅粉等制备的生土泡沫混凝土具有较好的物理力学性能和保温特性.这样不仅充分利用了农村生土材料的资源优势，而且泡沫混凝土作为填充用保温隔热材料，也避免了雨水和环境的侵蚀破坏，具有良好的应用前景.

本文采用自制微生物发泡剂、生土材料和适量改性材料，制备了不同密度等级的生土泡沫混凝土，研究了生土泡沫混凝土的孔隙分布、干密度、抗压强度、导热系数和吸水率，以期获得一种可以调节室内温湿度的生土泡沫混凝土.

1 原料与试验方法

1.1 原材料

生土：取自陕西省北部，主要化学组成包括SiO2（52.5%）、Al2O3（14.6%）、Fe2O3（5.4%）和CaO（4.8%）等，矿物组成有石英、钠长石和方解石等.水泥：天津冀东水泥有限公司生产的P·O 42.5 水泥.发泡剂：实验室自制的微生物发泡剂［12-13］，发泡倍数为15 倍，1 h 泌 水 率 为48%，1 h 沉 降 距 为2 mm. 减 水剂：苏博特PCA-1 型聚羧酸高性能减水剂，减水率为25%.

1.2 试验方法

1.2.1 生土泡沫混凝土的配合比设计

生土泡沫混凝土的配比见表1，其中水固比为0.35，减水剂掺量为0.5%（以水泥质量计），泡沫掺量以固体材料总质量计.确定生土泡沫混凝土中泡沫用量时，需要考虑搅拌过程中泡沫出现破裂的情况，通过调整系数K计算泡沫的实际使用量.

表1 A03～A12 等级生土泡沫混凝土的配比Table 1 Mix proportions of A03-A12 raw soil foam concretes

1.2.2 生土泡沫混凝土的制备

首先，将生土、水泥、聚羧酸减水剂和水按设计配合比加入搅拌器并搅拌均匀；其次，将微生物发泡剂高速搅拌制成泡沫，添加到水泥浆体中搅拌约2～3 min，泡沫均匀混入后停止搅拌；然后，将水泥浆体浇筑到边长为100 mm 的立方体模具中，成型后在室温下养护1 d 后脱模，试块放在（20±2）℃、相对湿度95% 以上的恒温恒湿养护箱中养护至规定龄期.

1.2.3 生土泡沫混凝土性能的测试方法

（1）孔隙率测试：采用VHX-600E 超景深显微镜拍摄生土泡沫混凝土试件的断面（见图1），再将拍摄的照片导入Image J 软件中，通过二值化处理和Image J 软件中内置的多种测试参数，可以得到孔隙率、孔径分布、平均孔径及孔形状因子. 生土泡沫混凝土断面经二值化处理后如图2 所示.

图1 生土泡沫混凝土的断面Fig.1 Cross section of raw soil foam concrete

图2 二值化处理Fig.2 Binary processing

（2）干密度测试：按照GB/T 11969—2008《蒸压加气混凝土性能试验方法》进行.

（3）抗压强度测试：按照JG/T 266—2011《泡沫混凝土》进行，并采用UltimaIv 型X 射线衍射仪（XRD）对试样进行物相分析，采用JSM-7800F 型场发射扫描电子显微镜（FESEM）进行微观分析.

（4）导热系数测试：采用HFM 436 Lambda 型热流法导热仪进行测试.

（5）吸水率测试：按照JG/T 266—2011 进行.

2 结果与分析

2.1 泡沫掺量对生土泡沫混凝土孔结构的影响

泡沫掺量对生土泡沫混凝土孔隙率的影响如图3 所示.由图3 可见：随着泡沫掺量的增加，生土泡沫混凝土的孔隙率逐渐增大；当泡沫掺量由6.1%增加至26.4%时，生土泡沫混凝土的孔隙率从45.8%提升至74.6%.

图3 泡沫掺量对生土泡沫混凝土孔隙率的影响Fig.3 Effect of foam content on porosity of raw soil foam concretes

泡沫掺量对生土泡沫混凝土平均孔径的影响如图4 所示.由图4 可见：随着泡沫掺量的增大，生土泡沫混凝土的平均孔径呈逐渐增大的趋势；当泡沫掺量由6.1%增加至26.4%时，生土泡沫混凝土的平均孔径由127 μm 增加到420 μm.这是因为随着泡沫掺量的增加，泡沫出现了聚集合并，从而导致气孔孔径增大.泡沫掺量直接影响生土泡沫混凝土的内部结构，泡沫掺量降低，孔隙率减小，孔壁的厚度随之增大，可以为生土泡沫混凝土提供更好的力学性能［14］.

图4 泡沫掺量对生土泡沫混凝土平均孔径的影响Fig.4 Effect of foam content on mean pore size of raw soil foam concretes

泡沫掺量分别为19.1%、13.5%、11.0%、8.1%时，所制得生土泡沫混凝土的密度等级分别为400、600、800、1 000 kg/m3.不同密度等级生土泡沫混凝土的孔径分布如图5 所示. 由图5 可见：生土泡沫混凝土的孔径分布近似遵循高斯分布，密度等级分别为400、600、800、1 000 kg/m3的生土泡沫混凝土拟合后的相关系数R2分别为0.985、0.972、0.970 和0.984；随着泡沫掺量的逐渐增加，生土泡沫混凝土的孔径分布曲线变宽，较大尺寸孔的出现频率和数量也随之增加.这是因为当泡沫掺量较大时，生土泡沫混凝土的总孔隙率增加，孔隙中连通孔的数量也增加所导致的.

图5 生土泡沫混凝土的孔径分布图Fig.5 Pore size distribution of raw soil foam concretes

2.2 泡沫掺量对生土泡沫混凝土性能的影响

2.2.1 干密度

图6 为泡沫掺量对生土泡沫混凝土干密度的影响.由图6 可见：随着泡沫掺量的增大，生土泡沫混凝土的干密度逐渐减小；当泡沫掺量从6.1%增加至26.4%时，生土泡沫混凝土的干密度从1 167 kg/m3降低至346 kg/m3；随着泡沫掺量的增加，生土泡沫混凝土的干密度随着泡沫掺量的增加而降低的趋势逐渐放缓.这是因为搅拌过程中搅拌机叶片对泡沫产生挤压作用，泡沫掺量越高，受挤压泡沫的比例越高，导致生土泡沫混凝土中泡沫消泡的数量明显增加.

图6 泡沫掺量对生土泡沫混凝土干密度的影响Fig.6 Effect of foam content on dry density of raw soil foam concretes

2.2.2 抗压强度

图7 为泡沫掺量对生土泡沫混凝土抗压强度的影响.由图7 可见：随着泡沫掺量的增大，生土泡沫混凝土的密度降低，孔隙率增大，孔壁厚度随之减小，抗压强度明显降低；泡沫掺量从6.1% 增加至26.4%，生土泡沫混凝土的抗压强度从10.3 MPa 降至0.8 MPa；当泡沫掺量为13.5%时，生土泡沫混凝土的密度为598 kg/m3，28 d 抗压强度达2.6 MPa，高于同密度等级加气混凝土的抗压强度（2.0 MPa）；与600 kg/m3等级生土泡沫混凝土相比，800 kg/m3等级生土泡沫混凝土所需的泡沫掺量仅减少2.5%，但抗压强度却提高了77.0%，其抗压强度受泡沫掺量的影响更加明显.

图7 泡沫掺量对生土泡沫混凝土抗压强度的影响Fig.7 Effect of foam content on compressive strength of raw soil foam concretes

生土作为一种散粒材料，呈现层片状，自然条件下结构疏松，难以提供力学性能.水泥作为胶凝材料掺入生土后，可以填补土颗粒之间的空隙，提供强度，但试验设计泡沫混凝土试块内生土掺量较大，结构较纯水泥水化产物松散.

图8 为生土泡沫混凝土的XRD 图谱.由图8 可见，生土泡沫混凝土中生土的活性未被完全激发，生土主要起到填充作用.

图8 生土泡沫混凝土的XRD 图谱Fig.8 XRD patterns of raw soil foam concretes

图9 为生土与泡沫混凝土的微观形貌.由图9 可见：生土颗粒已充分分散，但水泥水化产物在泡沫作用下，未能形成完全连续的胶凝网络；生土泡沫混凝土中泡沫掺量增加，导致生土泡沫混凝土中孔隙分布不均匀，有害孔的数目增加，有害孔多由大尺寸的泡沫直接或间接组合而成，这使得结构内的胶结性能降低，直接影响了生土泡沫混凝土的耐久性和强度［15］.未来试验可通过激发生土颗粒本身活性，用以细化孔结构使其孔隙均匀，或优化胶凝物质含量、配比，以期得到力学性能更佳的生土泡沫混凝土.

图9 泡沫混凝土微观形貌Fig.9 Micro-morphology of raw soil foam concretes

2.2.3 导热系数

泡沫掺量对生土泡沫混凝土导热系数的影响如图10 所示. 由图10 可见：随着泡沫掺量的增大，生土泡沫混凝土的导热系数逐渐降低，试验结果与文献［16］一致；泡沫掺量从6.1%增加至26.4%，生土泡沫混凝土的导热系数从0.25 W/（m·K）降低到0.08 W/（m·K）；当密度等级为500 kg/m3时，生土泡沫混凝土的导热系数为0.12 W/（m·K），满足规范要求.生土泡沫混凝土是由孔隙和固相材料所组成的，孔隙中充满空气，固相由水泥水化产物和生土颗粒二者胶结在一起所组成.气相的传热是由气体分子之间的碰撞实现，固相的热传递主要是通过分子或原子的热振动实现［17-18］.由于固相的导热系数远大于气相，因此随着泡沫掺量的增加，生土泡沫混凝土的孔隙率增加，气相热传导占比逐渐增加，导热系数不断降低. 水泥水化产物胶结生土颗粒所组成的固相结构又较纯水泥的水化产物结构更为松散，这也进一步降低了生土泡沫混凝土的导热系数.

图10 泡沫掺量对生土泡沫混凝土导热系数的影响Fig.10 Effect of foam content on thermal conductivity of raw soil foam concretes

2.2.4 吸水率

泡沫掺量对生土泡沫混凝土吸水率的影响如图11 所示.由图11 可见：随着泡沫掺量的增大，生土泡沫混凝土的吸水率逐渐增加；当泡沫掺量为6.1%时，生土泡沫混凝土的干密度为1 167 kg/m3，吸水率为6.5%；当泡沫掺量为19.1%时，生土泡沫混凝土的干密度为444 kg/m3，吸水率为26.4%；当泡沫掺量增加至26.4% 时，生土泡沫混凝土的干密度为346 kg/m3，吸水率增加至67.7%.生土泡沫混凝土中孔隙可分为2 种：一种是生土颗粒本身存在或堆积形成的微观孔，这种微观孔本身具有较强的吸湿吸水能力，随着泡沫掺量的增加，生土占比降低，这部分孔隙所占比例减少，吸水率随之减低；另一种是生物发泡剂引入的宏观孔，随着泡沫掺量的增加，其孔隙率随之增大. 与图3 对比可知，当泡沫掺量低于17.8%时，生土泡沫混凝土中气孔大多是被凝固的水泥石等固相材料所包围的封闭孔；当泡沫掺量超过19.1%时，大部分孔隙由封闭变成连通，提高了宏观孔的吸水率.由图5 可知，随着泡沫掺量增加，生土泡沫混凝土中生物发泡剂引入的宏观孔占比逐渐成为孔隙的主导因素，致使其吸水率急剧增加.

图11 泡沫掺量对生土泡沫混凝土吸水率的影响Fig.11 Effect of foam content on water absorption ratio of raw soil foam concretes

3 结论

（1）以生土、水泥、聚羧酸减水剂及自制微生物发泡剂为原材料，采用先预制气泡后混合的方法，成功制备出300～1 200 kg/m3密度等级的生土泡沫混凝土.随着泡沫掺量的增大，生土泡沫混凝土的孔隙率逐渐升高，平均孔径逐渐增大，孔径分布近似遵循高斯分布.

（2）当泡沫掺量从6.1%增加至26.4%时，生土泡沫混凝土的干密度从1 167 kg/m3降低至346 kg/m3，抗压强度从10.3 MPa 降至0.8 MPa，导热系数从0.27 W/（m·K）降至0.08 W/（m·K），吸水率从6.5%增加至67.7%.

（3）试验设计生土泡沫混凝土的力学性能优于相关国家标准要求，导热系数低，保温隔热性能好，但其泡沫掺量大于19.1%时的吸水率有待进一步优化.