A级轻质蜂窝水泥混凝土影响因素探索

陈建波，马红宵，穆 琰，任晓林，张志国，赵风清

（1.河北省建筑材料工业设计研究院，石家庄 050051；2.河北科技大学化学与制药工程学院，石家庄 050018）

水泥、发泡剂等作原材料经发泡制成多孔性轻质混凝土，称为蜂窝混凝土（又称泡沫混凝土）。该类产品由于质量轻、有良好的保温隔热性能，同时又具有自流平的特点，可制成各种砌块，也可泵送现场浇注施工，因而受到市场的青睐。

19世纪80年代，欧洲首先研制成功了泡沫混凝土。进入20世纪，泡沫混凝土不仅可在工厂中生产泡沫混凝土制品，而且可实现现场浇注，保温效果良好，施工操作简单、安全、成本低［1］。日本采用蛋白质物添加适量的阴离子表面活性剂制备成混凝土发泡剂，现浇即可成型，导热系数小，节能效果显著。美国、意大利等国家的学者也对泡沫混凝土的性能进行了大量的研究，并将它在建筑工程中的应用领域不断扩大，泡沫混凝土的使用加快了工程进度，提高了工程质量［2－5］。

近年来，我国发生多起高层建筑物的严重火灾事故，暴露出以聚苯板等有机材料为主的建筑外墙保温材料存在严重的火灾安全隐患问题，业内专家建议替换有机易燃保温材料的呼声日益高涨。在建筑节能中，使用无机保温材料代替有机保温材料已是大势所趋［6，7］。无机保温材料主要有岩棉、玻璃棉、加气混凝土、泡沫混凝土、保温砂浆及新型的玻化微珠材料等［8，9］。与有机保温材料相比，轻质蜂窝水泥混凝土（或泡沫混凝土）以其良好的防火、耐久、隔声、绿色环保等优势，越来越引起人们的重视［10］。但由于受发泡工艺、发泡剂和材料本身性质的影响，蜂窝混凝土的表观密度比较大（化学发泡工艺的在200kg/m3以上，物理发泡工艺的在400kg/m3以上）、强度低、保温性差，在建筑外墙保温中的应用受到限制。

课题组以物理发泡工艺的蜂窝混凝土为研究对象，通过对发泡剂和物料配比等的研究，优化蜂窝混凝土制备工艺，制备出表观密度小、保温性能良好的蜂窝水泥混凝土保温材料，并建立一套完整的生产工艺，为新型墙体材料的制备提供技术支持。

1 主要原材料

皂粉：白色粉末，干皂含量≥91%、乙醇不溶物≤0.9%；发泡剂：CF－W，自配，白色粉状；界面剂N：非离子型表面活性剂，淡黄色液体；普通硅酸盐水泥：P.O 42.5，3d抗压强度23.4MPa，28d抗压强度47.4 MPa；快硬硫铝酸盐水泥：42.5R，1d抗压强度33.4MPa，28d抗压强度46.8MPa；粉煤灰：二级粉煤灰；减水剂：萘系减水剂，棕黄色粉末；激发剂：CF激发剂，白色粉状，为硅酸盐、硫酸盐混合物；纤维：耐碱玻璃纤维，长度6mm。

2 结果与讨论

2.1 发泡剂的筛选

发泡剂对于泡沫混凝土的制备具有关键性的作用，泡沫与胶凝材料混合时应稳定性好、消泡量少，其稳定期应超过胶凝材料凝结硬化的时间，这样才能保证发泡砌块气孔分布均匀且具有足够的孔隙率，使保温材料具有良好的保温性能。

通过查阅相关文献和进行探索性试验，试验选取皂粉、CF－W、界面剂N三种发泡剂，有机助剂作稳泡剂，为确定各因素的影响主次关系和最佳配比，设计了L9（34）四因素三水平的正交试验。正交试验因素与水平见表1。

表1 正交试验因素与水平表

正交试验以发泡倍率、1h沉陷距和1h泌水量作为主要的评价指标，对正交试验结果进行方差分析，考察各因素对试验指标影响的显著性，分析结果见表2。

表2 正交试验方差分析表

从分析结果可以看出：CF－W发泡剂对发泡倍率有显著性影响，皂粉对泌水量有显著性影响，四个因素对沉陷距的影响均不具有显著性。综合极差和方差分析，以发泡倍率为目标时最优方案为A3B1C3D2，以沉陷距作为考察目标时最优方案为ABCD，以泌水量作为考察目标时的最优方案为ABCD。

对于不同的性能指标进行分析，得到不同的最优方案，每种方案在一定范围内具有相对的优势。综合考虑复合发泡剂的发泡倍率、稳定性及成本问题，确定最终的优化方案为A2B1C3D1。

2.2 泡沫用量

水泥作为胶凝材料，主要为泡沫混凝土提供结构强度支撑；从某种意义上说，泡沫可看作填充物，填充于水泥浆体之间，使硬化材料具备了保温性能。试验时控制水泥量300kg/m3、减水剂1kg/m3、水料比0.55，改变泡沫的掺量，试验结果见图1。

泡沫混凝土中，泡沫主要是作填充材料，其用量多少直接影响泡沫混凝土的孔隙率和材料结构，进而影响其综合性能。试验表明，随着泡沫掺量的增加，泡沫混凝土的气孔量增加、表观密度降低、抗压强度下降。这是因为加入的大量泡沫占据了水泥浆体的空间，使泡沫间壁变薄，硬化支撑作用降低。

2.3 水料比

泡沫混凝土的制备，一般认为水灰比越大，浆体的流动性越好，泡沫与浆体混合时越容易分散到浆体中，降低泡沫损失，从而得到性能较好的泡沫混凝土。但是当水灰比超过一定数值时，泡沫混凝土的性能也会下降，尤其是强度降低更为显著。因此，有必要将水料比控制在适宜的范围。实验时的配比为水泥300kg/m3、减水剂1kg/m3、泡沫0.9m3/m3，水料比在0.40～0.70之间变化，试验结果见图2。

试验结果表明，水料比在0.40～0.70范围变化时，试块表观密度基本保持不变，强度呈现先增长后下降的变化趋势，当水料比为0.50时强度达到最大值。水料比小时，水泥料浆稠度大、泡沫损失大，水泥组分易团聚形成球形颗粒，导致泡沫间壁水泥量减少，从而造成试块强度低。增大水料比，水泥分散均匀，颗粒团聚现象消失，料浆的整体均匀性得到改善，强度提高。水料比过大时，起支撑作用的孔壁微孔增加，造成强度下降，还会引起泡沫离析，甚至导致塌陷、试模渗水等情况，无法制得合格的泡沫混凝土［11］。因此，水料比是一个重要的影响因素，存在一个合理的数值。

2.4 水泥用量

表观密度在300kg/m3以下的泡沫混凝土虽然保温性好，但其强度较低，很难达到标准要求。水泥掺量对保温材料的性能有很大影响，实验控制配比为：减水剂1kg/m3、泡沫0.9m3/m3、水料比0.50，调整水泥的用量，实验结果见图3。

水泥是泡沫混凝土强度的主要来源，对其力学性能起决定性作用。一般来说，在其它条件不变的情况下，水泥掺量与泡沫混凝土的表观密度和强度呈正相关关系，即水泥掺量越大，泡沫混凝土的表观密度越大、抗压强度越高。在泡沫间壁中，水泥的水化产物支撑起泡沫混凝土的蜂窝状多孔结构，水泥掺量越大材料的强度越高。

2.5 粉煤灰代替量

用粉煤灰部分替代水泥，研究粉煤灰掺量对泡沫混凝土的影响。试验配比为：泡沫0.9m3/m3、减水剂1kg/m3、水料比0.50，粉煤灰和水泥的总量为300kg/m3，改变二者的掺量，激发剂量为粉煤灰量的0.4%，试验方案及结果见图4。

粉煤灰替代30%以内的水泥时，保温材料的强度随粉煤灰量的增加而稍有增长；粉煤灰替代量达到40%时，强度下降42.8%，损失较大。分析原因，粉煤灰为火山灰性材料，有较高的水化活性，在激发剂的作用下，能发生火山灰反应，生成水化硅酸钙等产物［12］。适量使用可发挥其火山灰效应、形态效应和微集料效应，改善拌和物性能，提高强度并降低生产成本。另外，粉煤灰与钙质成分发生“二次水化反应”（或）生产水化产物需要较长的时间［13］，对生产不利。

2.6 纤维掺加量

在轻质保温材料中加入纤维，能保持制品边、角、面的完整性，提高制品的质量，增强耐久性。在试验中加入不同量的耐碱玻璃纤维，研究纤维对轻质保温材料性能的影响，试验配比及结果见表3。

表3 纤维对泡沫混凝土性能的影响

由结果可以看出，在泡沫混凝土中掺入不同量的耐碱玻璃纤维，泡沫混凝土的抗压强度及其干燥密度均无明显的变化。在工程施工中，混凝土内部存在的微裂缝对其抗折强度的影响远大于抗压强度，微裂缝的存在会导致材料破损。加入玻璃纤维能使制品局部开裂的现象得到较好的控制，降低破损率，提高混凝土的耐久性。

3 工业化试验

在以上研究基础上，建成一套年产10万m3轻质保温混凝土砌块生产装置。设备包括发泡机、搅拌机、切割设备及养护窑等。发泡剂加入100倍的清洁水溶解后进入发泡机制泡，其它物料例如水泥、粉煤灰、激发剂、减水剂、纤维等计量后加入到搅拌机中预混合，再加入适量的拌合水，搅拌制成混合料浆。发泡剂经发泡机制成泡径均匀的泡沫，将泡沫加入到混合料浆中，搅拌使泡沫均匀分散到料浆中。搅拌好的料浆浇注到模具中成型，坯体静置养护形成一定强度后，拆模、切割、砌块养护，得到轻质蜂窝水泥混凝土砌块产品。

经检测，工业化生产的蜂窝轻质水泥混凝土达到JC/T 1062—2007《泡沫混凝土砌块》规定的FCB A0.5B03等级的要求，各项性能指标符合标准要求，检测结果见表4。

表4 轻质蜂窝轻质水泥混凝土检测结果

4 研究结论

通过对轻质蜂窝水泥混凝土的影响因素开展系统研究，开发出一种稳定性好的复合发泡剂，制备出A级轻质保温的蜂窝水泥混凝土。主要结论如下：

a.对不同发泡剂进行比较及复合，开发出一种稳定性良好的复合发泡剂，其组成以皂粉、CF－W发泡剂、界面剂N等为主，用于制轻质蜂窝水泥混凝土，发泡效果良好。

b.通过对影响轻质蜂窝水泥混凝土因素试验研究，包括泡沫、水料比、水泥、粉煤灰、纤维的用量等，优化了物料配比，选择了合适的生产工艺参数。通过调整胶凝材料等物料配比得到不同密度及强度等级的轻质混凝土砌块。

c.通过工业化试验，优化生产工艺参数，得到A级轻质蜂窝水泥混凝土的最优配比：水泥210kg/m3、粉煤灰90kg/m3、CF激发剂0.36kg/m3、萘系减水剂1kg/m3、耐碱玻璃纤维1.5kg/m3、复合发泡剂0.6kg/m3、水料比0.5，制品经检测达到JC/T 1062—2007《泡沫混凝土砌块》FCB A0.5B03产品等级，防火等级达到A级。

d.粉煤灰掺量达到30%，降低了水泥用量和生产成本，提高建筑的保温性能，节约资源，具有良好的社会效益和环保效益。

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