轻质泡沫混凝土配制工艺影响因素的试验研究

2014-04-15郭自利刘家宝

建材世界 2014年1期

张可，郭自利，刘家宝，潘登

（北京清华大学土木工程系，北京 100084）

泡沫混凝土的传统定义是指用机械方法将掺有泡沫剂的水溶液制备成泡沫，加入到含硅质材料（砂、粉煤灰）、钙质材料（石灰、水泥）、水及助剂组成的料浆中，经混合搅拌、浇注成型、蒸汽养护而成的一种轻质多孔混凝土。搅拌使材料的硬质微粒黏附到泡沫的外壳上面，泡沫的气泡就变为互相隔开的单个气泡。拌合物中的孔洞分布越均匀、尺寸越小，则泡沫混凝土强度越高。这里要特别指出的是泡沫混凝土和加气混凝土之间还是存在一定差别的，从本质上来讲，泡沫混凝土也是一种加气混凝土，它实际上是加气混凝土的一个特殊品种，其孔结构和材料性能都接近于加气混凝土，在主要用途上也很类似。但两者之间还是存在一些不同。第一，加气混凝土气孔是椭圆形球体，而泡沫混凝土气孔既可以是椭圆形也可以是多面体；第二，发泡方法不同，加气混凝土是通过化学反应产生气体，形成气孔，而泡沫混凝土是通过机械制泡将泡沫加入混凝土浆体形成气孔，总的来说，二者的气孔结构和性能没有根本性区别。

泡沫混凝土的突出特点就在于其质轻。泡沫混凝土的干体积密度一般相当于粘土砖的1/3～1/10左右，普通水泥混凝土的1/5～1/10左右，也低于一般轻骨料混凝土，因而可以极大的减少建筑物自重。另外一个特点就是保温性能好。由于泡沫混凝土的内部含有大量气泡和微孔，因而有良好的绝热性能。实践证明，我国北方地区用20cm厚的泡沫混凝土外墙，其保温效果与49cm的粘土砖墙相当，从而增加了建筑物使用面积。除了上述两个特点之外，抗震性能优异、隔音效果好、具有一定的调节室内湿度的作用等也是泡沫混凝土的突出特点，这也是为什么目前国内外对泡沫混凝土的研究非常关注的原因。

除了运用在一般建筑物上，泡沫混凝土最新的运用是作为机场跑道安全阻滞材料。当飞机在起飞降落过程中因事故冲出跑道之时，就会冲入泡沫混凝土形成的阻滞床。由于泡沫混凝土的微孔结构具有吸能作用，可以有效吸收失事飞机的冲击能量，迫使飞机在泡沫混凝土阻滞床中停止滑冲，获得拦阻，从而避免发生事故，而由于其质轻，即使在飞机冲撞中碎裂飞起，也不会对飞机及人员造成伤害。相比于其它泡沫材料，例如泡沫塑料、泡沫玻璃及泡沫陶瓷等，泡沫混凝土不易老化，环保而且造价低廉，最终被选为合适的机场跑道拦阻材料。

目前在利用泡沫混凝土做机场拦阻材料这一研究领域中，美国是较早开始并且水平较为领先的国家。在1986年，美国正式启动研发，最初称之Engineered Material Arresting System，简称EMAS。经过了几十年的研发过程，形成了一个完整的技术体系和产品标准体系，正式命名为GBS系统（Ground Braking System）。其中包括泡沫混凝土制动材料的制造、动态力学数值分析方法、仿真软件开发及应用等，并申请了国际专利，初步形成了对这一技术领域的垄断。近年来，随着我国航空业的不断发展，机场建设越来越多，而从国外引入泡沫混凝土阻滞系统费用却相当高昂，所以发展自己的泡沫混凝土阻滞系统就显得迫在眉睫。2010年8月，民航总局组织了专家鉴定会，得出结论：我国泡沫混凝土阻滞材料已达到了国外的技术水平，可以在中国机场应用。

《轻质泡沫混凝土配制工艺影响因素的试验研究》是国家大学生创新项目《轻质泡沫混凝土的配制及基本性能的试验研究》中的部分研究内容。本课题在改进传统工艺的基础上，采用发泡剂与胶结料同掺同搅拌新工艺配制出不同表观密度的泡沫混凝土。传统工艺制备泡沫混凝土工艺较为复杂，泡沫破损多，料浆均匀性差影响泡沫混凝土的质量。

1 研究内容

1.1 试验用原材料

试验用原材料主要为PO 42.5水泥、SAR42.5水泥、氟石膏、皂角复合发泡剂等。

1）普通硅酸盐水泥

生产厂家：北京水泥厂。强度等级：PO 42.5，强度试验结果见表1。

表1 水泥胶砂强度试验结果

2）快硬硫铝酸盐水泥

生产厂家：唐山六九水泥。强度等级：SAR42.5水，水泥胶砂结果见表2。

表2 水泥胶砂强度试验结果

3）氟石膏

山东莱芜汶河化工有限公司提供，氟石膏是该厂生产氟化铝的工业废料，成分见表3。

表3 氟石膏主要成分 w/%

1.2 试验设计

为了考察水胶比、发泡剂掺量、搅拌时间等三因素对泡沫混凝土表观密度的影响，采用了3因素4水平的正交试验方法，进行泡沫混凝土配制试验研究。试验中胶凝材料配比：PO42.5水泥280g，SAR42.5水泥400g，氟石膏120g。表4为正交试验设计方案。

表4 正交试验设计方案

1.3 泡沫混凝土料浆与测试试件制备

泡沫混凝土料浆用水泥胶砂搅拌机搅拌。首先将称好的水泥等胶凝材料与发泡剂一起加入搅拌锅内，慢速干拌10s后加入水慢搅30s，再快速搅拌180s以上。搅拌好的泡沫混凝土料浆就可以测试料浆密度和成型试件。试件尺寸为40mm×40mm×160mm。成型的试件（20±5）℃室内养护，24h后拆模，放入标准养护室养护，达到7d龄期后取出，放入烘箱中烘干，干燥后测试干表观密度、抗折强度和抗压强度。

2 试验结果及分析

2.1 泡沫混凝土抗折和抗压强度分析

泡沫混凝土抗折强度与抗压强度测试结果见表5所示。试验结果表明：泡沫混凝土的抗折、抗压强度与其料浆表观密度的关系为正相关，随着料浆表观密度的增加，抗折、抗压强度增长的速率明显加快，原因是随着料浆表观密度的增加，混凝土内的泡沫数量在减少、体积在减小，从而混凝土内部孔隙率减少，强度相应增加。料浆表观密度低于600kg/m3后，抗折强度小于0.5MPa，抗压强度小于2.5MPa；料浆表观密度低于400kg/m3，抗折强度小于0.2MPa，抗压强度小于0.5MPa。

表5 泡沫混凝土力学性能测试结果

2.2 泡沫混凝土表观密度极差与方差分析

试验中测试了泡沫混凝土料浆表观密度、干表观密度并分别进行了极差分析和方差分析见表6，表7。

从表6的结果可以看出，在我们所考虑的三个可能影响泡沫混凝土料将表观密度的因素中，时间所产生的影响是最大的，其次为水胶比，发泡剂掺量的影响程度相对较小。而在我们所划分的四个等级得到的最优组合（料将表观密度最小）为水胶比0.59，皂角粉17.6g，搅拌时间9min。按照试验得出的最优组合，我们重新进行了试验，得到的料浆表观密度为264kg/m3。

将试件烘干后得到泡沫混凝土干表观密度，对干表观密度的极差分析结果亦如表6所示。

按照表6的结果，干表观密度的分析结果同料浆表观密度相同，在试验涉及到的三个因素中，时间对泡沫混凝土干表观密度产生的影响是最明显的，其后依次为水胶比和发泡剂掺量。对泡沫混凝土料浆表观密度及干料浆表观密度得到的结果进行进一步方差分析，结果见表7、表8。