专用矿物掺合料对泡沫混凝土性能的影响研究

夏 彬

(西南水泥有限公司，四川 成都 610000)

0 前 言

泡沫混凝土是指将高压空气发泡或高速搅拌制得的预制泡沫加入到水泥净浆或砂浆中，搅拌均匀制备的轻质材料，因其良好的保温隔热性能、抗震、防火、低成本、建筑同寿命等优点，在建筑节能领域作为优良的保温隔热材料而被人们所熟知[1-2]。相对于其保温隔热特性而言，其轻质、自流平等特性[3-4]，在国内虽然被认识相对较晚，但是近年来在大规模基础设施建设的推动下，其在道路工程施工中逐步受到重视，据统计，2020年全国泡沫混凝土产量中，回填是泡沫混凝土应用量最大的领域之一[5]。然而，传统的回填工程所用泡沫混凝土为了实现一次性浇筑高度高、不塌模、早强，其胶凝材料为通用硅酸盐水泥。虽然泡沫混凝土相对普通混凝土具有轻质特性，原材料所用较少，但是，主要胶凝材料相对于普通混凝土而言，仍较高，一般认为，回填400～600 kg/m3泡沫混凝土，其水泥用量约在300～500 kg/m3[5-6]。然而，水泥用量高，意味着熟料用量高，对于减碳不利，影响“我国2030年前CO2排放达到峰值、2060年前实现碳中和”承诺的实现[7]。寻求低水泥用量、同时性能不损失的泡沫混凝土技术成为当前回填用泡沫混凝土迫切需要解决的问题。超轻化结合气孔结构优化，可实现低水泥用量，也可减轻气孔带来的性能危害，但是仍会导致性能下降[1-2]；新型胶凝材料取代传统水泥生产的泡沫混凝土耐久性还有待考证；采用常见的矿物掺合料取代水泥可实现水泥用量的降低，但是也易引起性能的显著下降，寻求能够大量取代水泥，生产回填用泡沫混凝土的专用矿物掺合料对于泡沫混凝土水泥用量降低、助力“双碳”目标实现具有现实意义。因此，本文基于回填用泡沫混凝土生产工艺，以专用矿物掺合料取代水泥，制备泡沫混凝土，结合光学显微镜、扫描电镜、X射线衍射等测试表征手段对泡沫混凝土孔结构及组成进行了表征，同时，测试了泡沫混凝土工作性和硬化性能，旨在探究专用矿物掺合料大量取代水泥，生产低水泥用量的回填用泡沫混凝土的可能性，为泡沫混凝土成本降低和我国“双碳”目标的实现提供支持。

1 原材料及方法

1.1 原材料

水泥：四川利森建材集团有限公司生产的P·O42.5R水泥；泡沫混凝土专用矿物掺合料：由四川利森建材集团有限公司生产，其主要由高活性固废与特种外加剂粉磨复合而成。发泡剂：自制。

1.2 制备及实验方法

预制泡沫制备作为泡沫混凝土制备过程中重要的环节，现阶段主要依靠高速搅拌表面活性剂溶液或者高压气流携带表面活性剂溶液冲刷发泡介质这两种方式获取。工程中，大多数采用后者制备预制泡沫，因此，本研究也采用高压发泡机将自制泡沫剂溶液(泡沫剂∶水=1∶30)制成湿密度为30 kg/m3的预制泡沫，按照配合比(见表1)加入到由水泥和矿物掺合料制备的浆体中，混合均匀，浇筑入模，模具尺寸为100 mm×100 mm×100 mm(抗压强度)与40 mm×40 mm×160 mm(收缩)内，然后标准养护24 h后，拆模，养护至规定龄期，备测。

回填用泡沫混凝土服役过程中，自身内部水难以迁移到外界环境中，为了模拟实际的工程环境，将拆模后的泡沫混凝土收缩测试试件，用保鲜膜包裹，接缝处用石蜡密封，并置于温度为(20±2)℃的环境中，参照《水泥胶砂干缩试验方法》(JC/T 603—2004)测定不同龄期的收缩值。

表1 泡沫混凝土配合比 单位：kg/m3

将养护至规定龄期的泡沫混凝土抗压强度、干密度试块取出，依据《泡沫混凝土》(JG/T 266—2011)测定抗压强度及干密度。泡沫混凝土所用的水泥净浆流动度按照《混凝土外加剂均质性试验方法》(GB/T 8077—2000)测定，泡沫混凝土浆体流动度参考《水泥胶砂流动度测定方法》(GB/T 2419—2005)测试，因泡沫混凝土流动性较好，测试时不使用调桌。

将养护至一定龄期的泡沫混凝土试样从中间剖开，用砂纸打磨，置于工业体式显微镜下获取气孔结构图片。XRD、SEM：将规定龄期的泡沫混凝土在60℃干燥至恒重，分别用于获取XRD图谱(日本理学电机公司D/Max ⅢA型X射线衍射仪，Cu靶)及SEM(日立TM-1000)。

2 结果与讨论

2.1 专用矿物掺合料对流动性的影响

回填用泡沫混凝土必须具备良好的流动性，而泡沫混凝土料浆流动性受到所用水泥浆体流动性影响，因此，本研究首先采用专用矿物掺合料取代了水泥，在水胶比为0.5的情况下，制备了水泥净浆，测定了流动度，如图1所示。当水泥的取代量从0增加到50%时，水泥净浆流动度从135 mm增加至285 mm，同时，当专用矿物掺合料取代水泥的量增加，水泥净浆流动度增幅逐步减小，但最终增幅达到111.1%。水泥净浆流动度的增加主要归结于：水泥用量减少，早期水泥水化产生大量的纳米级水化产物减少，固相的比表面积较低，存在更多的水润滑固相颗粒所致；另外，专用矿物掺合料中存在部分球形颗粒，存在一定的“滚珠”效应；此外，专用矿物掺合料中还复合极少量的减水剂，能打开水泥颗粒形成的絮状体，释放自由水，故水泥浆体流动度增大。

图1 矿物掺合料对泡沫混凝土用水泥净浆流动度的影响

通常情况下，水泥浆体流动性差，黏度较大，泡沫在与水泥浆体混合过程中，水泥浆体中固相直接与泡沫相互摩擦，易导致泡沫破损，致使泡沫混凝土密度难以达到设计要求，并且，泡沫混凝土体系中水分还会显著增加，对力学性能的提升不利。然而，本研究中水泥浆体的流动性的增大，可减少混泡过程中泡沫破损的同时，还因足够的自由水还能保证泡沫混凝土料浆一定的流动度，如图2所示。当泡沫混凝土中矿物掺合料掺量从0增加至50%，泡沫混凝土料浆流动度从200 mm增加至250 mm，流动性改善明显，流动度增加幅度达到25%；受到水泥净浆流动度随专用矿物掺合料掺量增加而增大幅度的影响，泡沫混凝土料浆的流动度增加幅度在矿物掺合料掺量超过30%后，流动度增加幅度有所减缓，但是流动度仍然较大，泡沫混凝土料浆流动性较好。得益于水泥浆体流动度的积极影响，采用高流动度水泥浆体制备的泡沫混凝土，其料浆流动性也较好。与此同时，水泥浆体良好的流动性意味着水泥浆体黏度有所下降，对泡沫的破损预防有积极意义，此时意味着泡沫在水泥浆体中较小，正因如此，细小的泡沫在水泥浆体内部存在，确因自身较大的比表面积，需要更多的自由水润滑，来保证泡沫混凝土料浆流动，然而，体系自由水是一定的，因此，因水泥浆体过好的流动性导致的细小泡沫对于泡沫混凝土料浆流动性不利，这也导致泡沫混凝土料浆流动度增加幅度随专用矿物掺合料掺量增加而不及水泥浆体流动度增加幅度大。

图2 矿物掺合料对泡沫混凝土流动度的影响

2.2 专用矿物掺合料对气孔结构及抗压强度的影响

不同专用矿物掺合料掺量情况下，制备的泡沫混凝土气孔结构如图3所示。专用矿物掺合料从0增加至50%，泡沫混凝土气孔结构变化明显，经历了显著改善和劣化阶段。当掺量不高于20%时，泡沫混凝土气孔随掺合料掺量增加，变小明显，并且趋于均匀；当掺量超过20%时，气孔有所增大，并且可以看出连通孔数量和连通的孔喉显著增大，这对强度增加不利。造成该现象的原因主要是：当矿物掺合料取代水泥量增加，水泥料浆流动性变好，制备泡沫混凝土过程中，泡沫不易变大，硬化后得到的气孔较小；但是，专用矿物掺合料取代水泥的量持续增大，这导致水泥料浆凝结时间变长，水化产物相互搭接，形成絮凝结构变慢，泡沫裂化时间变长，气孔变大，并且因泡沫在水泥浆体中劣化时间变长，由泌水等原因导致的气孔连通程度增加，连通孔数量升高和孔喉变大。

图3 不同矿物掺合料掺量下，泡沫混凝土气孔结构

不同专用矿物掺合料掺量下，泡沫混凝土抗压强度会发生显著变化，如图4所示，当钛矿渣掺量从0增加至50%，泡沫混凝土干密度集中在400 kg/m3，泡沫混凝土7 d及28 d抗压强度先增加后减小，当矿物掺合料取代水泥量为20%时，泡沫混凝土7 d及28 d抗压强度增加12.5%与3.5%，达到最大，分别为0.9 MPa与1.5 MPa，此时干密度为390 kg/m3；继续增加矿物掺合料取代水泥用量至50%时，泡沫混凝土力学强度显著下降，7 d及28 d泡沫混凝土的抗压强度降低为0.4、0.7 MPa，但是仍然满足《水泥基回填材料》(JC/T 2468-2018)要求。泡沫混凝土在20%以内的矿物掺合料取代水泥时，7 d及28 d力学强度有所增加主要归结于泡沫混凝土气孔结构随矿物掺合料用量的增大而有所改善，但是继续地取代水泥，对气孔结构不利，气孔连通程度显著增强，气孔劣化现象加剧，对力学强度及其不利，因此，矿物掺合料取代水泥用量超过20%，泡沫混凝土力学性能劣化明显。

图4 矿物掺合料掺量对泡沫混凝土抗压强度及干密度的影响

2.3 专用矿物掺合料对收缩的影响

模拟泡沫混凝土在回填时的收缩，如图5所示，泡沫混凝土收缩集中在14 d以内，超过14 d后，收缩增加不明显；当矿物掺合料取代水泥量超过20%时，泡沫混凝土出现一定的微膨现象，膨胀主要集中在3 d内；当矿物掺合料取代水泥用量增加时，相同龄期的情况下，泡沫混凝土收缩明显得到控制。当矿物掺合料取代水泥从0增加至20%，泡沫混凝土28 d收缩值从0.267 mm/m降低至0.110 mm/m，降低58.8%，继续增加掺量，出现微膨胀现象，当取代量达到50%，泡沫混凝土膨胀率为0.100 mm/m。泡沫混凝土收缩减少最后出现微膨胀的现象主要归结于专用矿物掺合料中复合了氧化钙、硫铝酸盐双膨胀源膨胀剂，其参与水化，特别是生成钙矾石能够持续保证泡沫混凝土不收缩。泡沫混凝土收缩集中在14 d内，主要是因为泡沫混凝土的收缩源头为水泥浆体，一般认为水泥浆体14 d后，强度发挥逐渐趋于平稳，水化集中在早期，而水化会导致化学收缩，故泡沫混凝土收缩主要集中在14 d内；对于泡沫混凝土膨胀现象而言，因为膨胀组分参与水化生成的钙矾石和氢氧化钙在水化几分钟内就能大量的生成，故膨胀在早期就能发生，并且因为钙矾石的存在，膨胀效应能够得到保持。

图5 矿物掺合料对泡沫混凝土自收缩的影响

2.4 泡沫混凝土微观结构

如图6，泡沫混凝土养护28 d后，主要的水化产物有钙矾石(AFt)，未反应完全的水泥熟料颗粒以及氢氧化钙，相对于掺加专用掺合料的泡沫混凝土而言，不参加掺合料的泡沫混凝土氢氧化钙峰更强，结晶程度更高，钙矾石则结晶程度更低。氢氧化钙的峰值在掺加矿物掺合料后，峰强有所下降，主要是因为矿物掺合料的火山灰效应导致部分氢氧化钙逐步被消耗，被参与反应，结晶程度受到影响，导致峰强有所下降；因为，专用矿物掺合料中膨胀组分的存在，水化28 d的泡沫混凝土AFt的峰强更高，这也证实了膨胀效应能够保持的原因。图7展示了水化28 d后的泡沫混凝土孔间固相扫描电镜图片，不难发现，两者均可见氢氧化钙晶体，这与XRD结果一致，同时相对于未参加掺合料的泡沫混凝土，掺加掺合料后，固相密实程度提升明显，大的毛细孔和裂缝消失，这也说明掺加掺合料后对泡沫混凝土力学性能提升有利。

图6 水化28 d，泡沫混凝土水化产物XRD图谱

图7 水化28 d，泡沫混凝土孔间固相微观结构

3 结 论

1)矿物掺合料掺量增加，水泥料浆流动性变好，泡沫混凝土流动性得到改善，当掺量不超过20%时，气孔得到改善，持续增加取代水泥的量，泡沫混凝土气孔变大。

2)矿物掺合料掺量从0增加至50%，7 d及28 d抗压强度先增加后减小，当掺合料取代20%的水泥，7 d及28 d抗压强度达到最大，分别为0.9 MPa与1.5 MPa，干密度为390 kg/m3。

3)掺合料掺入有利于改善泡沫混凝土收缩，当掺量增加，泡沫混凝土收缩先降低后泡沫混凝土出现膨胀。

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