机制砂泡沫混凝土轻质砌块配合比研究

孔祥武　赵红星　信明喜　高巍

摘要：为降低公路用预制砌块的重量，文章对机制砂泡沫混凝土配合比进行了研究，分析机制砂用量、粉煤灰用量、机制砂石粉含量、不同密度等级粉煤灰与机制砂复掺对泡沫混凝土性能的影响。结果表明，当粉煤灰/水泥质量比为0.5，砂胶比为2.0，石粉含量＜12%，密度为1 500 kg/m3时，可制备出流动性高、轻质高强高耐水且具有经济性的泡沫混凝土砌块。优化后的泡沫混凝土轻质砌块密度为1 500 kg/m3，28 d抗压强度＞10 MPa，劈裂抗拉强度＞1.5 MPa，在满足使用要求的同时还降低了成本和工人劳动强度。

关键词：轻质砌块；泡沫混凝土；机制砂；石粉；密度

0引言

早期的公路路基边沟、边坡截排水沟和防护骨架多采用浆砌片石或现浇混凝土施工。浆砌片石砌筑对工人水平要求高，砌筑质量难以保证；现浇混凝土在边坡上模板的安装难度大，综合效率低。随着公路小型构件工厂化、标准化生产，逐渐采用标准的混凝土预制块作为砌筑材料。普通混凝土预制砌块的重量大，不便于搬运和砌筑，相应降低了生产效率。

林志平等［1］开展了公路用小型预制构件轻质化配合比优化试验，研究了陶粒掺量、胶粉用量、纤维用量、引气剂用量对轻质混凝土的影响，其试块的28 d轴心抗压强度试块强度均＞22 MPa。解卫江等［2］以循环流化床（CFB）灰渣作为细集料，CFB飞灰作为矿物掺合料设计配制混凝土，并制备了轻质早强混凝土小型预制构件；研究了炉渣砂率与飞灰掺量对混凝土密度、力学性能的影响；研究了碎石CFB灰渣混凝土的体积稳定性、抗冻性等耐久性能，其试块的28 d轴心抗压强度＞40 MPa。邹志宁等［3］配制出了密度为2 000 kg/m3、抗压强度为41 MPa的轻质高强泡沫混凝土，用于轻质装配式边坡支护结构。以上轻质构件研究结构均取得了较高的抗压强度，但密度均＞2 000 kg/m3，重量仍偏大不易人工搬运，综合成本相对也高于普通混凝土预制构件。

泡沫混凝土密度范围可调，强度也满足小型砌块要求。目前，在环保和降低造价的要求下机制砂已广泛用于普通混凝土的生产，但将机制砂用于制备泡沫混凝土还未见相关研究。因此，本文对用于轻质砌块的机制砂泡沫混凝土配合比进行了研究，探索机制砂用量、粉煤灰用量、机制砂石粉含量以及不同密度等级粉煤灰与机制砂复掺对泡沫混凝土性能的影响，以期获得强度满足设计要求且性价比高的机制砂泡沫混凝土輕质砌块。

1 设计要求

根据设计要求，泡沫混凝土轻质砌块成品表观密度≤1 500 kg/m3，劈拉强度≥1.5 MPa，28 d抗压强度≥10.0 MPa，吸水率≤8%，软化系数≥0.5。以密度和强度指标为基础进行泡沫混凝土的配合比及优化设计［4］，控制初始流动度为160～200 mm，入模浆料的湿密度范围控制在1 450～1 550 kg/m3。

2 原材料

水泥：P·O42.5水泥，比表面积为350 m2/kg，标准稠度用水量为26.8%。

粉煤灰：F类Ⅱ级粉煤灰，细度为8.6%，需水量为93%，烧失量为1.61%。

矿渣粉：S95矿粉，其比表面积为426 m2/kg，流动度比为101%，28 d活性指数为97%。

细骨料：机制砂，细度模数为2.6～2.8，表观密度为2 650 kg/m3，石粉含量为6%～12%，亚甲蓝为0.8。

减水剂：聚羧酸高性能减水剂，减水率≥25%，固含量为20%。

发泡剂：增强型发泡剂，稀释倍率为80倍，发泡倍率为20倍，气泡群密度为50 kg/m3。

3 试件制备与测试方法

3.1 试件制备

按配合比称取机制砂细骨料、水泥、粉煤灰和矿渣粉，将其倒入搅拌锅内搅拌2 min，然后加入拌和水和减水剂，直至浆料拌和均匀。将发泡剂稀释后通过发泡机制备出泡沫群，按配合比计量体积加入浆料中搅拌3 min，搅拌均匀后倒入模具中，浆液稍高出试模表面1～2 cm，表面覆盖塑料薄膜，静置24 h后，将高出试模部分用锯条切割打磨平整。脱模后存放在温度为20±2 ℃、相对湿度＞95％的标准养护室中养护28 d。

3.2 测试方法

浆料的湿密度、吸水率和抗压强度依据我国行业标准《泡沫混凝土》（JG-T-266）测定，软化系数的测定方法依据《建筑保温砂浆》（GB/T 20473-2006）测定，试件尺寸均为为100mm×100mm×100mm的立方体。

劈拉强度的测定方法依据《普通混凝土力学性能试验方法实用标准》（GB/T 50081-2002），流动度的测定方法依据《泡沫混凝土应用技术规程》（JGJ/T 341-2014）。

4 试验结果与分析

4.1 粉煤灰/水泥质量比的影响

粉煤灰为常用泡沫混凝土掺合料，参考早期学者的研究成果［4］，试验掺入粉煤灰/水泥质量比分别为0、0.5、1.0、1.5、2.0进行正交分析，测试粉煤灰掺量对泡沫混凝土性能的影响，配合掺量比见表1，基准组不掺粉煤灰及机制砂细骨料，设计水胶比为0.35，聚羧酸减水剂用量为0.4%，设计湿密度为1 510 kg/m3。

粉煤灰对泡沫混凝土性能的影响如图1所示，当粉煤灰与水泥的质量比为0.5时，即粉煤灰掺量为胶凝材料掺量的33.3%时，泡沫混凝土流动度和湿密度达到最高值，分别为239 mm、1 503 kg/m3。在水胶比及减水剂用量一定的条件下，随着粉煤灰掺量的提高，泡沫混凝土的流动度与湿密度先增大后减小。粉煤灰球形颗粒填充在水泥与水泥颗粒之间，具有一定的物理减水作用，增大了胶凝材料浆体的体积，使拌和物流动度增加。同时气泡群密度一定时，随着胶凝材料体系中粉煤灰用量超过水泥用量，粉煤灰之间的分散效果降低，流动性降低，密度也随着降低。

在水胶比及减水剂用量一定的条件下［5］，随着粉煤灰掺量的增加，抗压强度和劈裂抗拉强度呈先增大后减小的趋势。其原因是粉煤灰填充在水泥与水泥颗粒之间，与水泥水化产物氢氧化钙发生了二次水化，增加了水化硅酸钙的含量，导致强度提升。当粉煤灰掺量超过水泥后，填充在水泥颗粒之间的粉煤灰变多，密度下降，强度也随之降低。掺加粉煤灰的泡沫混凝土配比软化系数均高于未掺加粉煤灰的泡沫混凝土，且所有掺加粉煤灰的泡沫混凝土配比吸水率均低于不掺加粉煤灰的配比。这表明，掺入一定量的粉煤灰有利于改善泡沫混凝土微结构，对泡沫混凝土的各项性能都有有益作用，但其掺量不宜过大。

4.2 砂胶比的影响

选取机制砂/水泥质量比分别为0、0.5、1.0、1.5、2.0进行正交分析，研究机制砂掺量对泡沫混凝土性能的影响，配合比如表2所示。基准组不掺粉煤灰及机制砂细骨料，设计水胶比为0.35，设计湿密度为1 510 kg/m3，机制砂细度模数为2.6，石粉含量为6.0%，聚羧酸减水剂的添加量根据添加泡沫前的稠度调整。

如图2所示为机制砂掺量对泡沫混凝土性能的影响曲线图。图2表明，由于水胶比不变而水固比随着砂胶比的增加而减小，导致用水量也随之减少，因而减水剂随着砂胶比的增大而增加。虽然机制砂密度比水泥密度小，但机制砂掺量越高，所需的用水量越小。另外，机制砂掺量越高，所需要的泡沫体积越大。

由图2还可知，砂胶比较大的配比强度上升较为平缓，强度发展相对较为缓慢，其中砂胶比0.5和砂胶比1.0这两组的强度发展接近，强度值差距很小。泡沫混凝土的劈裂抗拉强度比，反映了泡沫混凝土的抗拉能力。劈裂抗拉强度随砂胶比增大而减小，而拉压强度则随砂胶比增大而增大。软化系数随砂胶比的增加呈先增大后减小的趋势，且在砂胶比1.0时的软化系数最大。不掺机制砂的配比小时吸水率最小，掺机制砂用量最大时的吸水率最大。

4.3 石粉含量的影响

选取6%、9%、12%、15%不同石粉含量的机制砂，研究不同机制砂石粉含量对泡沫混凝土性能的影响，其配合比如表3所示，基准组不掺粉煤灰及机制砂细骨料，设计水胶比为0.35，设计湿密度为1 510 kg/m3，机制砂细度模数2.6，石粉含量8.0%，减水剂根据添加泡沫前的稠度加以调整。

如表4所示，在水膠比及减水剂用量一定的条件下，随着机制砂石粉含量的增加，泡沫混凝土流动度逐渐降低，这主要是因为石粉对聚羧酸高性能减水剂有一定吸附作用，导致实际分散在水泥表面的减水剂减少，减水效果降低，宏观表现为泡沫混凝土流动度降低。随着机制砂石粉含量的增加，泡沫混凝土密度和强度先增加后降低，这主要是因为石粉颗粒较细，填充在水泥颗粒与水泥颗粒之间，发挥微集料效益，使密度提高，随着石粉含量的提高，其分散效应远大于填充效应，导致密度和强度降低。

4.4 复掺粉煤灰的影响

如表5所示为复掺粉煤灰和机制砂时不同密度泡沫混凝土配合比表。

复掺粉煤灰和机制砂时不同密度泡沫混凝土性能的影响如后页表6所示。在粉煤灰/水泥质量比分别为0.50，砂胶比为2.0的条件下，随着密度的增加，泡沫混凝土流动度逐渐降低，这主要是因为泡沫混凝土中机制砂含量在增加，机制砂之间的摩擦力及石粉含量增加对外加剂吸附都会降低泡沫混凝土的流动性。同时，随着泡沫混凝土密度的增加，其抗压强度与劈裂强度都逐步增加，主要是同体积下泡沫比例降低，泡沫混凝土密实度提高，同时软化系数提高，吸水率降低。

5 结语

（1）在泡沫混凝土中掺入一定量的粉煤灰，有利于泡沫混凝土综合性能的提升，这主要得益于粉煤灰的滚珠效应、微集料填充效应及二次水化反应。

（2）掺机制砂泡沫混凝土随用砂量的增加其抗压强度基本呈现先升高后降低的趋势，且成型难度逐步增加，易出现塌模现象。同时，掺机制砂泡沫混凝土应严格控制石粉含量，其石粉含量不宜＞12%，过高易导致流动度降低，不易成型，强度降低。

（3）在粉煤灰/水泥质量比为0.50，砂胶比为2.0的条件下，复掺粉煤灰与机制砂的泡沫混凝土随着密度的增加，抗压强度与劈拉强度都逐步增加，但机制砂之间的摩擦力及石粉的吸附力降低了泡沫混凝土的流动性。

（4）在粉煤灰/水泥质量比为0.5，砂胶比为2.0，密度在1 500 kg/m3时，可制备出流动性高、轻质高强高耐水且经济性好的小型轻型泡沫混凝土砌块。

（5）机制砂泡沫混凝土轻质砌块具有质量轻、强度可满足使用要求、材料用量少成本低、人工易搬运砌筑等优点，建议后续进一步进行研究和推广。

参考文献：

［1］林志平，杨 枫，张 杰.公路路基小型预制构件轻质化配合比优化设计［J］.四川水泥，2022（1）：18-20.

［2］解卫江，李卫红，王宇强，等.CFB灰渣制备轻质早强小型预制构件研究与应用［J］.公路交通科技，2022，39（12）：36-44.

［3］邹志宁，谷任国，房营光，等.泡沫轻质混凝土护坡组合式节点设计研究［C］.2021年工业建筑学术交流会论文集（下册），2020.

［4］李应权，朱立德，李菊丽，等.泡沫混凝土配合比的设计［J］.徐州工程学院学报（自然科学版），2011，26（2）：1-5，90.

［5］邱军付，罗淑湘，鲁 虹，等.大掺量粉煤灰超轻泡沫混凝土的试验研究［J］.新型建筑材料，2013（1）：74-76，79.

作者简介：孔祥武（1974—），高级工程师，主要从事道路工程施工管理工作。