掺合料与外加剂对泡沫混凝土的性能影响研究

郭元强

（厦门市建筑科学研究院集团股份有限公司，福建 厦门 361004）

掺合料与外加剂对泡沫混凝土的性能影响研究

郭元强

（厦门市建筑科学研究院集团股份有限公司，福建 厦门 361004）

本文通过正交设计对粉煤灰－石灰－石膏－水泥硬化胶凝材料浆体的抗压强度进行研究，探索出泡沫混凝土基体最佳配合比。在此基础上，添加泡沫制备泡沫混凝土，并研究了促凝剂和稳泡剂对泡沫混凝土性能的影响。研究表明掺入适量的促凝剂和稳泡剂，可以提高泡沫混凝土多方面性能，但超过一定范围将对其性能不利。

泡沫混凝土；抗压强度；外加剂

0 引言

近年来，随着我国建筑节能工作的不断深入，外墙保温的节能方式已经逐渐普及，但随之而来的是上海、北京等地大规模的易燃保温材料所引发的火灾，一例例建筑大火的惨痛事例无不暴露出建筑保温与建筑防火的巨大矛盾，以及有机保温材料耐火性能差的缺陷[1]。泡沫混凝土作为一种环保、节能材料，具有体积和密度小，且保温、隔热、耐火性、隔音性和抗震性优良的特点，既可工厂化生产成各种形状的预制品，又可现场浇筑，在各类建筑，尤其是建筑节能防火中具有广泛的应用前景，受到了人们的广泛关注[2-4]。但泡沫混凝土也存在抗压强度低、脱模时间长、脱模强度低、干密度较低时成型困难等不足之处[2,5-7]。为此希望在降低泡沫混凝土干密度的前提下尽可能提高其 28d 抗压强度和脱模强度，减少脱模时间。本文通过掺入聚羧酸减水剂、促凝剂、稳泡剂和保水剂，改善泡沫混凝土浆体工作性能，提高硬化后的泡沫混凝土抗压强度、降低导热系数和吸水率，确定最佳配合比。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

所用水泥为南京中国水泥厂有限公司生产的金宁羊牌P·Ⅱ42.5R 早强型水泥，其物理性能见表 1；粉煤灰为南京华能电厂的 Ⅱ 级粉煤灰，其化学组成和性能见表 2；发泡剂为南京金博节能技术发展中心（江苏和田集团）提供的 JT 复配泡沫剂，发泡倍数大于 20，泡沫均匀且稳定性很好；为加快水泥硬化速度，缩短泡沫混凝土脱模时间，并提高早期强度，本试验选用市售粉末状促凝剂 J；为提高泡沫混凝土保水性和泡沫稳定性，防止离析和塌模、减少泌水，本试验选用市售粉末状稳泡剂 Y。

表 1 水泥物理性能

表 2 粉煤灰的化学组成与性能 %

2.2 试验方法

发泡剂的制备：将发泡剂与水以质量比为 1:100 混合，采用 D8401－ZH 立轴叶轮式电动搅拌机高速搅拌 10min 制备泡沫。搅拌结束后需将泡沫静置约 15min，待量杯底部泌出的溶液体积稳定后，使得泡沫性能达到最佳。按设定的配合比，将水泥、粉煤灰、促凝剂、稳泡剂倒入搅拌锅内干拌 1～2min，待干粉物料混合均匀后，按标准胶砂自动搅拌240s，在此搅拌过程中缓慢加入预称量的水和减水剂。再加入一定质量的预制泡沫进行低速搅拌 1～2min，制成均匀流态料浆，浇注成 70.7mm×70.7mm×70.7mm 试块。试件在(20±3)℃、相对湿度大于 90% 的条件下养护 3d 后脱模，在(20±2)℃、相对湿度大于 90% 的养护室内养护至 28d 龄期。泡沫混凝土抗压强度、干密度和吸水率试验均参照泡沫混凝土行业标准 JG/T266—2011 进行测定。

3 实验结果与讨论

3.1 泡沫混凝土用胶凝材料浆体的研究

对基体材料[8]即硬化胶凝材料浆体的性能进行改性是研制性能优异的泡沫混凝土的第一步[9]。通过正交设计，在不掺入泡沫的情况下，先对粉煤灰、石灰和石膏的掺量对硬化胶凝材料浆体 7d 和 28d抗压强度的影响做以下研究。

粉煤灰取代水泥质量的 20%、25% 和 30%；石灰掺量占胶凝材料总量的 1%、1.5% 和 2%；外掺石膏量占胶凝材料总量的 0.5%、0.75% 和 1%；水胶比为 0.3。采用三因素三水平的正交试验，正交试验方案和试验结果见表 3 所示。

表 3 正交试验与结果

从表 3 三因素极差大小发现，对 7d 抗压强度的影响主次顺序为：石灰掺量＞石膏掺量＞粉煤灰取代量，石灰掺量为主要因素，而石膏掺量和粉煤灰取代量影响较小；对 28d 抗压强度的影响主次顺序为：粉煤灰取代量＞石灰掺量＞石膏掺量，粉煤灰取代量为主要因素。对比发现，粉煤灰取代量为20% 时，基体 28d 抗压强度达到最佳值，这与粉煤灰的二次水化有关，但掺量不宜过大，否则反而会导致强度下降[10]。总体来看，当石灰掺量为 1.5%～2% 之间时，泡沫混凝土 28d抗压强度较大，但石膏掺量对基体抗压强度的影响规律并不明显。在兼顾 7d 抗压强度的情况下，确定泡沫混凝土用硬化胶凝材料浆体优化配合比为：水胶比 0.3，粉煤灰取代水泥质量20%，石灰掺量 1.5%，石膏掺量 0.5%。

3.2 外加剂种类和掺量对泡沫混凝土性能的影响

在优化泡沫混凝土用胶凝材料的基础上，添加适宜的外加剂和选择适宜的混泡工艺最终决定了泡沫混凝土质量的优劣。在优化的配比基础上拟添加促凝剂和稳泡剂，研究外加剂对泡沫混凝土性能的影响。试验中固定水胶比为 0.3，泡沫量比为 3.0m3/m3。试验配比和结果如表 4 所示。

表 4 试验配合比及试验结果

根据表 4 的结果来看，当促凝剂掺量为 1.5%，稳泡剂掺量为 2.5% 时，泡沫混凝土 7d 抗压强度达到最大值1.71MPa，干密度为 530kg/m3；当促凝剂掺量为 1.5%，稳泡剂掺量为 2% 时，泡沫混凝土 28d 抗压强度达到最大值2.9MPa，吸水率达到最小值 29%，干密度为 532kg/m3。

利用 Origin 将表 4 的结果进行矩阵转换，图 1～图 4是用泡沫混凝土干密度、抗压强度和吸水率分别与促凝剂、稳泡剂掺量之间的关系绘制出的三维曲面图。根据表 4 的结果来看，不掺促凝剂和稳泡剂时，泡沫混凝土的干密度为最大值 545kg/m3，原因是泡沫混凝土在混泡搅拌和固化期间存在泡沫破损的情况，泡沫稳定性差，浆体凝结时间长。从图 1中也可以看出，泡沫混凝土干密度随两种外加剂掺量的增加呈整体下降趋势。同时，在试验过程中发现掺入一定量的促凝剂和稳泡剂可以有效缩短脱模时间，且有利于消除塌模和泌水现象，这对提高泡沫混凝土性能和大批量生产有重要作用。但促凝剂和稳泡剂掺量并非越大越好，在选择掺量时应考虑两者对泡沫混凝土抗压强度和吸水率的影响。

图 1 促凝剂、稳泡剂掺量对干密度的影响

图 2 促凝剂、稳泡剂掺量对 7d 抗压强度影响

从图 2 可以明显的看出，当促凝剂掺量小于 1.5% 时，随着稳泡剂掺量的增加，泡沫混凝土的 7d 强度先减小后增大；当促凝剂掺量为 1.5%，稳泡剂掺量为 2.5% 时，7d 抗压强度达到最大值 1.71MPa，干密度为 530kg/m3；当促凝剂掺量超过 1.5% 时，7d 抗压强度随促凝剂掺量的增加而减小，稳泡剂对 7d 抗压强度影响较小。

图 3 促凝剂、稳泡剂掺量对 28d 抗压强度影响

图 4 促凝剂、稳泡剂掺量对吸水率的影响

从图 3 看出，当促凝剂掺量小于 1.5% 时，随着稳泡剂掺量的增加，泡沫混凝土的 28d 强度先减小后增大；当促凝剂掺量为 1.5%，稳泡剂掺量为 2% 时，泡沫混凝土 28d 抗压强度达到最大值 2.9MPa，干密度为 532kg/m3；当促凝剂掺量超过 1.5% 时，28d 抗压强度随促凝剂掺量的增加而减小；从图2 和图 3 看出，当促凝剂掺量为 2%，稳泡剂掺量为 3% 时，泡沫混凝土 7d、28d 强度均降到最小值，说明在掺入促凝剂和稳泡剂时要严格控制掺量，超过一定的范围则会对泡沫混凝土的抗压强度造成不利影响。

从图 4 可以看出，泡沫混凝土吸水率与促凝剂、稳泡剂的掺量之间存在着良好的相关性，当促凝剂掺量为 1.5%、稳泡剂掺量为 2% 时，吸水率降低到最小值 29%，说明掺入两种外加剂可以降低泡沫混凝土的吸水率。其原因是掺入促凝剂和稳泡剂后，不但减少了泡沫混凝土浆体的凝结时间，而且提高了泡沫的稳定性，因此减少了由于泡沫破裂造成的孔缺陷，降低连通孔形成的几率；同时，在促凝剂和稳泡剂的协同作用下，泌水现象消失，减少了因为泌水形成的细微通道，从而降低了泡沫混凝土的吸水率[11-12]。

综上所述，在泡沫混凝土中掺入促凝剂和稳泡剂，对其干密度、抗压强度和吸水率均有较大影响，促凝剂的最佳掺量为 1.5%，稳泡剂的最佳掺量为 2%。

4 结论

（1）对硬化胶凝材料浆体的 28d 抗压强度的影响主次顺序为 ：粉煤灰取代量＞石灰掺量＞石膏掺量，掺入适量的粉煤灰对后期强度的提升有利；

（2）一定量的促凝剂和稳泡剂有利于提高泡沫混凝土的性能，能缩短脱模时间，提高泡沫混凝土的强度，降低吸水率。二者的最佳掺量分别为：促凝剂 1.5%，稳泡剂 2%。

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［通讯地址］厦门市同安区新民镇凤岭路 760 号（361100）

Influences of additives on performances of foamed concrete

GuoYuanqiang
(Xiamen Academy of Building Research Group CO,. Ltd, FuJian Xiamen 361004)

This paper studied the compressive strength performance of fly ash-lime-gypsum-hardened cement slurry cement materials with the aid of orthogonal experiment, and the best proportion of the compressive strength for the matrix of foam concrete was found out. Through the systematic study of the effect of coagulant agent and steady bubble agent on the properties of the foamed concrete, which was made by adding foam into the foamed concrete matrix, the results show that adding proper amount of coagulant agent and steady bubble agent, the prepared foamed concrete can show a good performance,but exceeding some range will against the performance of concrete.

foamed concrete; compressive strength; additives

郭元强（1973—），男，工程师，厦门市建筑科学研究院，经理。