生土泡沫混凝土试验研究

陈 兵， 胡华洁， 刘 宁

(上海交通大学 土木工程系, 上海 200240)

生土泡沫混凝土试验研究

陈 兵， 胡华洁， 刘 宁

(上海交通大学 土木工程系, 上海 200240)

以生土作为填料，制备了生土泡沫混凝土.试验研究了生土泡沫混凝土的干表观密度、抗压强度、导热系数、孔隙分布和吸湿特性，探讨了微硅粉对生土泡沫混凝土抗压强度和导热系数的影响.结果表明：生土泡沫混凝土干表观密度、抗压强度和导热系数均随着泡沫掺量(体积分数)的增大而减小；随微硅粉掺量(质量分数)增大，生土泡沫混凝土抗压强度和保温隔热性能同时得到改善.利用生土作填料，同时掺加20%微硅粉，可以制备出干表观密度、抗压强度和导热系数分别为 790kg/m3，7.8MPa及0.156W/(m·K)的性能优异的生土泡沫混凝土(泡沫掺量为60%).泡沫掺量75%的生土泡沫混凝土(未掺微硅粉)的纳米级孔隙量低，吸湿能力小.

生土; 泡沫混凝土; 导热系数; 抗压强度; 吸湿特性

能源危机使得建筑节能成为众多学者关注的重点.据统计，发达国家建筑能耗占国民经济总能耗的30%～50%，而中国单位建筑面积的能耗约为发达国家的3倍，但其舒适度还远不如人，这表明建筑节能在中国有非常大的发展空间.建筑节能现在早已不是简单意义上的节能，建筑既节能又安全舒适才是大家努力的最终目标.因此，如何利用现有的自然资源创造具有自然空调特性的低能耗健康建筑成为世界各国学者普遍关注的课题.

泡沫混凝土是近年来飞速发展的一种保温隔热材料，具有十分优异的性能，如防火、耐久、隔声、现场浇筑、原料来源广以及绿色环保等，将成为第一大建筑保温材料[1-4].泡沫混凝土的基本原材料主要为水泥、石灰、水和发泡剂，但近年来很多研究人员在泡沫混凝土中引入一些填料，以改善泡沫混凝土的性能和降低其造价[1,5-9].生土作为一种来源广泛、无需任何加工且可循环再生利用的生态材料，在中国传统住宅中发挥了极为重要的作用.如陕北窑洞、客家土楼、新疆穹顶土坯房等，这些建筑展现给世人的是其冬暖夏凉且湿度适宜的自然空调特性.构建这些建筑自然空调特性是源于这些建筑采用生土制作墙体.由于固有纳米级细孔，生土具有较大的蓄热性和排湿性.当生土墙体足够厚时，建筑将呈现冬暖夏凉且湿度适宜的自然空调特征.本文基于此，将生土作为填料，制备一种新型的生土泡沫混凝土，然后通过试验分析研究生土泡沫混凝土的干表观密度、抗压强度、导热系数、孔隙分布和吸湿特性，以期获得一种具有自然空调特性的生土泡沫混凝土.

1 试验

1.1 原材料与配合比

水泥：上海海螺水泥有限公司海螺牌42.5级普通硅酸盐水泥，其28d抗压强度为56.7MPa，化学组成1)文中涉及的化学组成、用量等除特别说明外均为质量分数.见表1.

微硅粉：由Elken公司提供，颗粒粒径0.01～0.10μm，化学组成见表1.

生土：上海交通大学校园内某处工地开挖时采集到的黏土，自然风干.该生土液限为42%，颗粒级配(见图1)良好，化学组成见表1.

发泡剂：采用一种蛋白质类发泡剂，发泡剂与水质量比为1∶50.

添加剂：实验室自制的一种用于提高生土黏结力和加速水泥水化的外加剂(主要成分为硅酸钾)，其用量控制在生土掺量的0.01%～0.20%.

生土泡沫混凝土配合比见表2.

表1 水泥、微硅粉及生土的化学组成

图1 生土颗粒级配曲线Fig.1 Sieve curve of immature soil granules

1.2 试件制作与养护

本研究采用预制泡沫的方法进行生土泡沫混凝土制备.首先将生土与胶凝材料(水泥和微硅粉)及添加剂按给定比例加入到搅拌机中，搅拌 1min 左右，再将水添加到搅拌机中继续搅拌2min左右，使料浆拌和均匀.采用专用泡沫发泡剂进行发泡并将泡沫按给定的掺量(以占料浆体积分数计)添加到料浆中，搅拌2min左右，然后浇模成型试件.

试件成型后置于温度为(20±2) ℃、相对湿度为(60±10)%的环境中养护，1d后拆模，并继续养护至28d，然后进行相关试验.

1.3 性能测试

选用70.7mm×70.7mm×70.7mm立方体试件，参照JGJ 51—2002《轻骨料混凝土技术规程》进行混凝土干表观密度测试.

混凝土抗压强度测试选用 70.7mm×70.7mm×70.7mm 立方体试件.每种配合比取3个试件进行测试，取平均值.混凝土抗压强度测试在300kN的液压伺服试验机上进行，加荷速度为0.3～0.5MPa/s.

参照JGJ 51—2002进行混凝土导热系数测试.试验中以3块试件(配合比相同)为1组，3块试件分别为：薄试件(200mm×200mm×20mm)1块，厚试件(200mm×200mm×60mm)2块.

混凝土吸湿量测试采用70.7mm×70.7mm×70.7mm立方体试件，测试设备装置见图2.该设备是利用不同浓度的硫酸溶液来控制空气相对湿度.

表2 生土泡沫混凝土配合比

图2 吸湿量测试设备装置Fig.2 Experimental apparatus for moisture absorption measurement

2 试验结果与讨论

2.1 泡沫掺量影响

生土泡沫混凝土干表观密度见表2.生土泡沫混凝土(1#～5#配合比混凝土)抗压强度与泡沫掺量及干表观密度之间的关系分别见图3(a),(b).由图3(a)和表2可见，随着泡沫掺量增大，生土泡沫混凝土抗压强度和干表观密度均减小，这与一般泡沫混凝土类同[10].由图3(b)可以看出：当生土泡沫混凝土干表观密度为1473kg/m3时，其抗压强度接近20MPa，高于相近干表观密度下一般烧结砖和轻质混凝土的抗压强度；当生土泡沫混凝土干表观密度为755kg/m3时，其抗压强度达到4.0MPa，这也略高于目前市场上普通泡沫混凝土和加气混凝土抗压强度[11].由此可见，生土泡沫混凝土具有良好的力学特性.

图3 生土泡沫混凝土抗压强度与泡沫掺量及干表观密度的关系Fig.3 Relationships between compressive strengths of immature soli-based foam concrete and foam use level(by volume) or dry apparent density

生土泡沫混凝土(1#～5#配合比混凝土)导热系数与泡沫掺量及抗压强度之间的关系分别见图 4(a),(b).由图 4(a) 可见，随着泡沫掺量的增大，生土泡沫混凝土导热系数降低，这与以往研究[12]得出的结论相同.由图4(b)可见：随着生土泡沫混凝土抗压强度的降低，其导热系数降低，保温隔热性能提高.

图4 生土泡沫混凝土导热系数与泡沫掺量及抗压强度的关系Fig.4 Relationships between thermal conductivities of immature soil-based foam concrete and foam use level(by volume) or compressive strength

综上可知，制备生土泡沫混凝土，重要的是在其抗压强度降低与保温隔热性能提高之间寻找一种平衡，以使生土泡沫混凝土在具备一定抗压强度条件下实现保温隔热性能最大化.通过调整泡沫掺量，可以制备出抗压强度达到20，10，5，2MPa，而导热系数分别为0.65, 0.27，0.21，0.12W/(m·K)的生土泡沫混凝土，用于满足不同工程需求.

2.2 生土与水泥质量比影响

为了研究生土与水泥质量比对生土泡沫混凝土抗压强度及导热系数的影响，选取泡沫掺量为60%的生土泡沫混凝土(4#，6#，7#配合比混凝土)进行相关试验.

图5 生土与水泥质量比对生土泡沫混凝土抗压强度和导热系数的影响Fig.5 Effects of immature soil/cement mass ratios on compressive strength and thermal conductivity of immature soli-based foam concrete

生土与水泥质量比对生土泡沫混凝土抗压强度及导热系数的影响见图5.由图5可见，随着生土与水泥质量比减小，生土泡沫混凝土抗压强度提高.这是因为，生土材料含有绿泥石、伊利石及少量石英、云母、闪石等主要矿物成分，在自然状态下以胶粒形式存在，呈层状、片状结构, 各晶体之间相互分离,自身难以产生强度而形成稳定的结构体.掺入水泥后，水泥水化后的产物与生土颗粒胶结成整体，形成强度.生土与水泥质量比越小，即生土掺量越小，水泥掺量越大，则水泥水化产物与生土颗粒胶结越好，生土泡沫混凝土抗压强度越高.

由图5还可见，随着生土与水泥质量比增大，生土泡沫混凝土导热系数下降，保温隔热性能提高，这可能与生土材料内部特殊的微细孔隙有关.

2.3 微硅粉掺量影响

微硅粉是一种超细的活性混合材，掺入到水泥混凝土中可以大幅度提高混凝土的强度.

采用微硅粉分别取代水泥质量5%，10%，15%和20%，制备泡沫掺量为60%的生土泡沫混凝土(4#，8#～11#配合比混凝土)，然后测试混凝土抗压强度和导热系数，结果见图6.

由图6可见，适量微硅粉的掺加一方面大幅度提高了生土泡沫混凝土抗压强度，另一方面大幅降低了生土泡沫混凝土导热系数，即显著改善了生土泡沫混凝土保温隔热性能.一般而言，微硅粉的掺加可提高混凝土的密实度，从而提高其抗压强度，但微硅粉的掺加能降低混凝土的导热系数却令人难以理解.为此，笔者采用光学显微镜对不同微硅粉掺量的生土泡沫混凝土内部孔隙结构进行了观察，结果发现，随着微硅粉掺量的增大，生土泡沫混凝土孔隙结构变得更加均匀且细小(见图7)，这或许就是微硅粉的掺加能同时改善生土泡沫混凝土抗压强度和保温隔热性能的原因.

图6 微硅粉掺量对生土泡沫混凝土抗压强度和导热系数的影响Fig.6 Effects of silica fume use levels(by mass) on compressive strength and thermal conductivity of immature soil-based foam concrete

2.4 吸湿特性

对于处于空气中的多孔材料，随着空气相对湿度(φ)的逐渐增大，由于吸附作用使得一些水蒸气冷凝于多孔材料的毛细孔隙,毛细孔隙呈现吸湿现象.毛细孔隙产生冷凝作用时，毛细孔隙直径(r)、空气相对湿度及空气温度这三者之间的关系应符合Kelvin-Laplace 方程：

(1)

式中：σ为水的表面张力(室温20℃时，σ≈0.0728N/m);ρW为水的密度(室温20℃时，ρW≈998.3kg/m3);M为水分子摩尔质量(约为18×10-3kg/mol)；T为绝对温度；R为理想气体常数(8.3143J/(mol·K)).

图7 生土泡沫混凝土光学显微照片Fig.7 Optical micrographs of immature soil-based foam concretes(200×)

根据式(1)，在室温20℃(T=(20+273)K)下，若毛细孔隙内出现冷凝现象，即空气相对湿度φ达到98.9%，可以计算出此时毛细孔隙的直径为0.1μm.因此，一般认为毛细孔隙直径(r)小于0.1μm时，该毛细孔隙为吸湿性毛孔.

不同泡沫掺量的生土泡沫混凝土(1#～5#配合比混凝土)孔隙分布见图8.由图8可见，生土泡沫混凝土内部的孔隙可以明显地划分为两部分： 第1部分主要是由发泡剂发泡引入的孔径大于1μm的微孔；第2部分主要是生土本身固有的孔径小于 1μm 的纳米级孔隙.生土泡沫混凝土内部孔隙主要为孔径小于1μm的纳米级孔隙，占到内部总孔隙的90%以上.随着泡沫掺量的增大，具有吸湿功能的纳米级孔隙量降低，生土泡沫混凝土吸湿能力降低.

图8 不同泡沫掺量生土泡沫混凝土的孔隙分布Fig.8 Pore size distributions of immature soil-based foam concretes with different foam use level(by volume)

图9给出了不同泡沫掺量的生土泡沫混凝土(1#～5#配合比混凝土)等温吸湿曲线.由图9可以看出，在空气相对湿度小于70.0%下，生土泡沫混凝土均只吸附极少量的水，表明生土泡沫混凝土内部的孔隙具有透气特性而不会发生吸湿冷凝.当空气相对湿度大于80.0%，生土泡沫混凝土呈现出吸湿特性.当空气相对湿度达到98.9%(即产生冷凝的临界湿度)时，泡沫掺量75%的生土泡沫混凝土吸湿量为0.045kg·kg-1，而不掺泡沫生土混凝土的吸湿量为0.070kg·kg-1，可见在生土泡沫混凝土中引入的泡沫可以有效降低其吸湿量，避免其在空气相对湿度较大时产生吸湿冷凝，实现生土泡沫混凝土的调湿功能.

3 结论

(1)利用生土材料作填料，同时掺加20%微硅粉，可以制备出干表观密度、抗压强度和导热系数分别为790kg/m3，7.8MPa及0.156W/(m·K)的性能优异的生土泡沫混凝土(泡沫掺量为60%).

(2)生土泡沫混凝土中掺入微硅粉，由于微硅粉可以细化混凝土孔隙，因此混凝土抗压强度提高，导热系数降低，从而实现生土泡沫混凝土抗压强度与保温隔热性能的有效平衡.

(3)泡沫掺量75%的生土泡沫混凝土(5#配合比混凝土)的纳米级孔隙量低.由于该混凝土吸湿能力低、保温隔热性能好，当其作为墙体材料时，可以提供人体舒适的湿度和温度室内环境，但其抗压强度还有待提高.

[1] KEARSLEY E P,WAINWRIGHT P J.The effect of high fly ash content on the compressive strength of foamed concrete[J].Cement and Concrete Research,2001,31(1):105-112.

[2] KEARSLEY E P,WAINWRIGHT P J.The effect of porosity on the strength of foamed concrete[J].Cement and Concrete Research,2002,32(2):233-239.

[3] WEE T H,BABU D S,TAMILSELVAN T,et al.Air-void systems of foamed concrete and its effect on mechanical properties[J].ACI Materials Journal,2006,103(1):45-52.

[4] JONES M R,McCARTHY A.Preliminary views on the potential of foamed concrete as a structural material[J].Magazine of Concrete Research,2005,57(1):21-31.

[5] JONES M R,McCARTHY M J,McCARTHY A.Moving fly ash utilization in concrete forward:A UK perspective[C]∥Proceedings of the 2003 International Ash Utilization Symposium.Kentucky:University of Kentucky,2003:20-22.

[6] PIGEON M,PLANTE P,PLANTE M.Air void stability(Part Ⅰ):Influence of silica fume and other parameters[J].ACI Materials Journal,1989,86(5):482-490.

[7] KEARSLEYA E P,WAINWRIGHTB P J.Ash content for optimum strength of foamed concrete[J].Cement and Concrete Research,2002,32(2):241-246.

[8] KUNHANANDAN NAMBIAR E K,RAMAMURTHY K.Influence of filler type on the properties of foam concrete[J].Cement and Concrete Composites,2006,28(5):475-480.

[9] JONES M R,McCARTHY A.Utilising unprocessed low-lime coal fly ash in foamed concrete[J].Fuel,2005,84(11):1398-1409.

[10] KUNHANANDAN NAMBIAR E K,RAMAMURTHY K.Models relating mixture composition to the density and strength of foam concrete using response surface methodology[J].Cement and Concrete Composites,2006,28(9):752-760.

[11] RAMAMURTHY K,KUNHANANDAN NAMBIAR E K,INDU SIVA RANJANI G.A classification of studies on properties of foam concrete[J].Cement and Concrete Composites,2009,31(6):388-396.

[12] KOLISS S,GEORGION C.The effect of paste volume and water content on the strength and water absorption of concrete[J].Cement and Concrete Compositions,2005,27(2)：211-216.

Experimental Research on Immature Soil-Based Foam Concrete

CHENBing,HUHuajie,LIUNing

(Department of Civil Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

Immature soil was used as filler to prepare immature soil-based foam concrete.The properties, such as dry apparent density, compressive strength, thermal conductivity, pore structure and moisture absorption characteristic of immature soil-based foam concrete were experimentally researched.The effect of silica fume on compressive strength and thermal conductivity of immature soil-based foam concrete was studied as well. The experimental results indicate that the dry apparent density, compressive strength and thermal conductivity of immature soil-based foam concrete decrease with increasing use level(by volume) of foam. The compressive strength and thermal insulation of immature soil-based foam concrete are both improved with increasing use level(by mass) of silica fume. Moreover, the immature soil-based foam concrete(60% foam) with a dry apparent density of 790kg/m3, compressive strength of 7.8MPa, and thermal conductivity of 0.156W/(m·K) is produced to use immature soil as filler and with addition of 20% silica fume. Nanoscale pore volume of immature soil-based foam concrete with 75% foam(without silica fume added) is low, and its moisture absorption ability is low also.

immature soil; foam concrete; thermal conductivity; compressive strength; moisture absorption characteristic

1007-9629(2015)01-0001-06

2013-09-06；

2013-09-11

国家自然科学基金资助项目(51378309);“十二五”国家科技支撑计划项目(2014BAL03B03-01)

陈 兵(1973—)，男，安徽安庆人，上海交通大学教授，博士生导师，博士.E-mail:hntchen@sjtu.edu.cn

TU528.2

A

10.3969/j.issn.1007-9629.2015.01.001