超轻质碱激发泡沫混凝土的性能影响研究

甘戈金，兰聪，陈景，卢佳林，王晶晶

（中建西部建设西南有限公司，四川 成都 610052）

超轻质碱激发泡沫混凝土的性能影响研究

甘戈金，兰聪，陈景，卢佳林，王晶晶

（中建西部建设西南有限公司，四川 成都 610052）

以湿密度200 kg/m3的超轻质碱激发泡沫混凝土（ULAAFC）为研究对象，研究了激发剂、水胶比、聚丙烯纤维、活性MgO、有机硅防水剂对ULAAFC绝干密度、力学性能、收缩性能、吸水率、导热系数的影响。结果表明：激发剂、水胶比、聚丙烯纤维对ULAAFC的力学性能均具有显著的影响，但激发剂和聚丙烯纤维对绝干密度的影响不大；掺入20%MgO对ULAAFC的28 d抗压强度及收缩性能有一定的改善；有机硅防水剂外喷的效果优于内掺，且在外喷掺量4%时使用效果最佳，此时，ULAAFC的吸水率降至8%，导热系数为0.038 W/（m·K）。

碱激发；超轻质；泡沫混凝土；力学性能；吸水率

0 前言

泡沫混凝土具有质轻、保温、隔声、耐火等特点，在建筑保温领域和功能型制品生产等方面的应用越来越广泛[1-3]。目前施工中泡沫混凝土的密度等级多在A03～A08之间，随着建筑工程对围护结构保温隔热性能要求的提高，绝干密度小于200 kg/m3的超轻质泡沫混凝土的制备逐渐成为行业研究的热点[4-5]。与普通泡沫混凝土不同，超轻质泡沫混凝土的泡沫引入量较大，相对水泥用量较少，硬化后气孔的孔壁薄，易出现表面粉化、吸水率高、强度低的情况。目前，国内常规的制备超轻质泡沫混凝土的技术手段是采用早强快硬型特种水泥，制备的超轻质泡沫混凝土绝干密度在150 kg/m3左右，28 d强度在0.1～0.2 MPa，但吸水率高达50%以上[6]，制品的保温隔热性能远未达到预期目标。因此，为制备出性能优异的超轻质泡沫混凝土，并理清性能的影响因素及水平，本试验通过碱激发的技术手段制备出湿密度为200 kg/m3的超轻质碱激发泡沫混凝土（ULAAFC），分别研究了激发剂、水胶比、活性氧化镁等因素对ULAAFC力学性能、收缩性能、吸水率及导热性能的影响。

1 试验

1.1 原材料

磷渣：比表面积450m2/kg，四川什邡双福磷渣加工厂，化学成分见表1。

矿渣：比表面积420m2/kg，四川双实建筑新材料有限公司，化学成分见表1。

活性氧化镁：S85级，辽宁大石桥源宏镁业矿产品有限公司。

激发剂：水玻璃，液态，固含量35%，模数2.5，成都市新都五一硅酸钠厂；氢氧化钠，分析纯，成都科龙化工试剂厂。

聚丙烯纤维：长度9 mm，密度0.91 g/cm3，抗拉强度＞450 MPa，成都顺美国际贸易有限公司。

有机硅防水剂：固含量28%，pH值=12.5±1，山东科创新型建筑材料有限公司。

发泡剂：采用十二烷基硫酸钠、N-月桂酰-L-谷氨酸钠、茶皂素按质量比5∶5∶1复配而成，发泡倍数35～37倍，1 h沉陷距5～7 mm，1 h泌水量32.4～33.1 ml。

表1 磷渣和矿渣的化学成分 %

1.2 超轻质碱激发泡沫混凝土的制备

ULAAFC的制备采用混合搅拌法，即发泡剂的发泡与拌合过程同时进行。具体制备过程为：按既定配比称料、搅拌、形成匀质浆体，通过空压机发泡（造泡压力0.4～0.6 MPa），边发泡边搅拌直到拌合至设计湿密度200 kg/m3，浇模成型，并按相应性能的测试要求对试件进行标准养护。

1.3 测试方法

1.3.1 黏度测试

不同水胶比浆体的黏度采用NDJ-99型水泥净浆旋转黏度计进行测试，具体测试方法按照仪器的操作步骤执行。

1.3.2 收缩性能测试

浆体收缩性能测试参照JC/T 603—2004《水泥胶砂干缩试验方法》进行，在流动度相同的情况下成型，标准养护24 h后脱模，放置在相对湿度为（60±2）%的空气中至规定龄期。

1.3.3 XRD测试

将达到规定测试龄期的净浆，取其芯浸泡于无水乙醇中，用碾磨棒磨成粉末状，用D/Max-RB X射线衍射仪进行分析测试。

1.3.4 FESEM测试

将达到规定测试龄期的试件，取其新鲜断面放入无水乙醇中终止水化，在105℃真空干燥24 h后镀金，用S-4800型场发射扫描电镜观察断面形貌。

1.3.5 其它性能测试

ULAAFC的抗压强度、绝干密度、吸水率参照JG/T 266—2011《泡沫混凝土》进行测试，导热系数参照GB/T 10294—2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定防护热板法》，采用DRH-Ⅲ导热系数测定仪进行测试。

2 试验结果与讨论

试验的基准配比如表2所示，通过泡沫引入量控制其湿密度为（200±5）kg/m3，试验中保证研究变量以外的材料配比与基准配比一致。

表2 ULAAFC的基准配比

2.1 激发剂对ULAAFC绝干密度和力学性能的影响

磷渣、矿渣都是具有潜在水化活性的胶凝材料，本身水化速度很慢，但在碱性物质的激发下，其Si—O、Al—O键断裂，形成SiO32-与AlO33-阴离子团，与游离Ca2+进一步结合生成C-S-H、C-A-H等具有胶凝性质的水化产物[7]，因此，碱性激发剂的性能决定了磷渣、矿渣、粉煤灰的水化程度及强度的发展。

以NaOH和不同模数的水玻璃作为激发剂，研究不同掺量下激发剂对ULAAFC性能的影响，结果如图1所示。

图1 不同激发剂及其掺量对ULAAFC性能的影响

从图1可以看出，采用NaOH激发时，随其掺量的增加，ULAAFC的3 d、28 d抗压强度总体提高；采用水玻璃激发时，随着水玻璃模数的增大，相同掺量下ULAAFC的3 d、28 d抗压强度逐渐降低，在水玻璃模数增至1.2时，ULAAFC的3 d抗压强度极低，低掺量下（小于8%）3 d强度几乎为0，模数相同时，随着水玻璃掺量的增加，ULAAFC的3 d、28 d抗压强度逐渐提高。相同掺量下，采用NaOH激发制备的ULAAFC的3 d抗压强度大于各模数水玻璃激发的强度，但28 d抗压强度低于Na2O·0.8SiO2和Na2O·1.0SiO2激发的强度，其中采用12% Na2O·0.8SiO2激发时，ULAAFC的28 d抗压强度达到最大，为0.33MPa，但与12%Na2O·1.0SiO2激发的强度差别不大，仅相差0.01 MPa。激发剂对ULAAFC的绝干密度影响不明显，在不同激发剂及掺量下，ULAAFC的绝干密度均在146～153 kg/m3。

2.2 水胶比对ULAAFC绝干密度和力学性能的影响

浆体的水胶比是制备超轻质泡沫混凝土的重要控制因素，水胶比过小，料浆较干，容易结团；水胶比过大，料浆黏度较小，泡沫易串泡上浮，浇筑后容易出现分层，导致塌模现象发生。因此，选择合适的水胶比对超轻质泡沫混凝土的制备尤为重要。

水胶比对ULAAFC绝干密度和抗压强度的影响如图2所示，对浆体黏度的影响如图3所示。

图2 水胶比对ULAAFC性能的影响

图3 水胶比对浆体黏度的影响

从图2可以看出，ULAAFC的绝干密度和抗压强度均与浆体的水胶比有关，在相同湿密度（200 kg/m3）下，ULAAFC的绝干密度随着水胶比的增大而逐渐减小，当水胶比增至0.52时，绝干密度仅为110kg/m3，较水胶比为0.34时减小了41kg/m3，减幅达27%，3 d、28 d抗压强度在水胶比为0.46时达到最大，分别为0.19、0.32 MPa。考虑到不同水胶比下ULAAFC的绝干密度变化较大，单独研究抗压强度存在一定的局限性，因此，表3对不同水胶比ULAAFC的28 d比强度进行了分析。

表3 不同水胶比下ULAAFC的28 d比强度

从表3可以看出，在水胶比为0.46时，ULAAFC的28 d比强度最高，达到0.0023 MPa/（kg/m3）。

由图3可见，随着水胶比的增大，浆体的黏度几乎呈线性减小，当水胶比由0.34增至0.52时，对应浆体的30min黏度由35.8mPa·s降至22.7mPa·s，浆体黏度减小导致可蒸发的自由水含量增加，因此，ULAAFC的绝干密度有所降低。但浆体黏度过大会影响泡沫的分散性，进而导致ULAAFC的匀质性变差，在受压过程中应力在多孔区集中，降低了强度，随水胶比的增大，这一问题逐渐得到改善，因此，强度有所增加，但持续增加水胶比，会大幅降低基材强度，导致ULAAFC的强度开始下降。

2.3 活性MgO对ULAAFC收缩性能和力学性能的影响

与普通硅酸盐水泥不同，碱激发水泥的水化产物中只有凝胶，没有钙矾石、氢氧化钙等结晶相，导致了碱激发水泥的干燥收缩远远大于普通硅酸盐水泥，因此相同密度等级的碱激发泡沫混凝土的干燥收缩也明显高于其在普通硅酸盐水泥制备时的水平。考虑到目前尚未出现泡沫混凝土收缩性能的标准测试方法，本试验通过对净浆收缩性能的测试，间接反映泡沫混凝土的收缩性能。

试验采用活性氧化镁替代磷渣，不同MgO掺量浆体的1、3、7、14、21、28、60 d的干燥收缩测试结果如图4所示。

图4 MgO对浆体干燥收缩的影响

从图4可以看出，各组浆体的干燥收缩率均随着龄期的延长而增大，到60 d龄期时仍表现出不断增长的趋势，整体看来，基准组（MgO掺量为0）的收缩率变化最大，其次各组收缩率随着MgO掺量的增加而减小，这说明MgO对浆体的收缩具有一定的改善作用，但值得注意的是，在低掺量下，这种改善作用并不明显，如MgO掺量为10%时，浆体28 d的收缩率仅由4600×10-6降为4100×10-6，当掺量达到20%以上时，其收缩率有较大改善，通过SEM观察MgO掺量为30%的浆体28 d断面形貌（见图5），可以发现大量由MgO转化生成的Mg（OH）2与MgCO3晶体，过程产生的膨胀抵消了部分浆体水化过程中产生的收缩，且其掺量越大，抵消的收缩量越多，因此，高掺量下，MgO对浆体的收缩性能改善更明显。

图5 掺30%MgO浆体水化28 d的断面形貌

MgO对浆体凝结时间和抗压强度的影响如图6所示。

图6 MgO对浆体凝结时间和抗压强度的影响

从图6可以看出，掺入MgO的ULAAFC抗压强度在水化早期（3 d）表现为降低，但随着水化过程的推进，在10%～ 30%掺量范围内，随着MgO掺量的增加，ULAAFC的28 d抗压强度总体上增强；进一步提高掺量至40%，28 d抗压强度开始出现下降趋势。

为研究MgO在ULAAFC中的作用机理，本试验将MgO掺量为30%的ULAAFC试块分别养护3 d、28 d后，破碎取芯粉磨进行XRD分析，结果见图7和图8。

图7 掺30%MgO的ULAAFC水化3 d的XRD图谱

图8 掺30%MgO的ULAAFC水化28 d的XRD图谱

从图7和图8可以看出，水化3 d时，MgO的峰较强，说明其早期水化率低，掺入MgO减少了浆体中活性胶材的含量，导致了早期参与水化反应的胶材用量减少，降低了整个体系的水化程度，致使其早期强度降低。但随着水化反应的进行，到28 d时，大部分MgO发生水化反应生成Mg（OH）2，再经碳化生成碳酸镁，过程产生体积膨胀，增加了水化产物的致密度，因此，提高了ULAAFC的后期强度。但MgO掺量过高时，部分MgO得不到充分水化，在ULAAFC中仅起到惰性填料的作用，反而影响了强度。

2.4 聚丙烯纤维对ULAAFC绝干密度和力学性能的影响

采用碱激发水泥制备超轻质泡沫混凝土时，由于其浆体的收缩较大，泡沫膜壁薄，因此存在较大的开裂风险，因此，有必要在碱激发水泥中掺入有机纤维，并对其在超轻质泡沫混凝土中的使用效果进行评价。

聚丙烯纤维掺量对ULAAFC抗压强度及绝干密度的影响如图9所示。

图9 聚丙烯纤维掺量对ULAAFC性能的影响

从图9可以看出，当聚丙烯纤维掺量小于1.0%时，ULAAFC的抗压强度随着纤维掺量的增加而增大；当掺量为0.5%～1.0%时，ULAAFC的28 d抗压强度从0.30 MPa提高至0.35 MPa，此后，随着掺量的进一步提高，强度增速变缓；当纤维掺量超过1.6%时，强度开始下降；当纤维掺量从1.6%增加到2.0%时，ULAAFC的抗压强度从0.35MPa降低至0.32MPa。分析认为，在一定掺量范围内，聚丙烯纤维的增强效应占主导，有利于ULAAFC强度的提升，但掺量较高时，聚丙烯纤维在料浆中分散不均匀，局部存在团聚现象，影响了ULAAFC的匀质性。当然也有可能是加入过量的聚丙烯纤维后，ULAAFC的内部孔结构发生劣化，聚丙烯纤维的掺入对ULAAFC的绝干密度影响不大，掺量为0.5%～2.0%时，绝干密度的波动范围在5kg/m3以内。

2.5 防水剂对ULAAFC吸水率和导热系数的影响

一般来说，通过物理发泡制备的泡沫混凝土存在大部分的连通孔，尤其是超轻质泡沫混凝土，连通孔的比例会大幅增加，导致了超轻质泡沫混凝土具有较高的吸水率，而吸水率过高会显著降低泡沫混凝土的热工性能，因此有必要采取一些针对性的技术手段来降低吸水率。

本试验通过掺加防水剂对ULAAFC进行改性，掺入方式分内掺和外喷2种，测试了有机硅防水剂2种掺入方式对ULAAFC性能的影响，结果见图10。

图10 有机硅防水剂掺入方式对ULAAFC吸水率和导热系数的影响

由图10可见，采用内掺方式时，ULAAFC的吸水率有所降低，在掺量为4%时，吸水率达到最低值22%，较51%的基准吸水率有了大幅降低；进一步提高掺量，吸水率出现反增的趋势。而内掺有机硅防水剂对ULAAFC的导热系数影响不大，在掺量变化范围内，导热系数仅由基准值0.048 W/（m·K）降为0.045 W/（m·K），因此总体来看，内掺有机硅防水剂的使用效果并不理想。分析原因，可能是由于有机硅防水剂中的硅氧烷分子直接参与了胶材的水化反应，而并未在颗粒表面形成憎水层，也没有填补毛细管等孔隙，因此，水分仍然可以内渗，故防水处理的效果不大。为提高有机硅防水剂的防水效果，试验在原掺量的基础上，将内掺改为外喷的方式，喷涂之前，先将防水剂用水稀释40倍，再采用密封喷枪均匀喷涂于ULAAFC各表面，由图10可以看出，采用外喷的方式时，ULAAFC的吸水率和导热系数随有机硅掺量的增加而显著降低，当有机硅防水剂掺量为4%时，ULAAFC的吸水率仅为8%，导热系数降至0.038 W/（m·K），低于内掺时的最小值，进一步提高防水剂掺量，吸水率和导热系数的降幅不大，故有机硅防水剂外喷的最佳掺量为4%。

3 结论

（1）ULAAFC的3 d、28 d抗压强度随NaOH掺量的增加总体上增大，相同掺量下，随着水玻璃模数的增大，ULAAFC的3 d、28 d抗压强度逐渐减小，模数相同时，随着水玻璃掺量的增加，ULAAFC的3 d、28 d抗压强度逐渐增大。

（2）ULAAFC的3 d和28 d抗压强度及28 d比强度在水胶比为0.46时均达到最大，分别为0.19MPa、0.32MPa、0.0023 MPa/（kg/m3）。

（3）随着MgO掺量的增加，浆体的凝结时间逐渐延长，3 d抗压强度逐渐降低，后期28 d强度总体上有所增加。MgO掺量超过20%时，对浆体的收缩有显著的补偿作用。

（4）ULAAFC的抗压强度随着聚丙烯纤维掺量的增加而增大，但增速在掺量超过1.0%时变缓，当聚丙烯纤维掺量超过1.6%时，纤维分散不匀，强度开始下降。

（5）ULAAFC的绝干密度随着水胶比的增大而减小，激发剂和聚丙烯纤维掺量对绝干密度的影响不大。

（6）有机硅防水剂采用外喷的方式要优于内掺，且有机硅防水剂外喷的最佳掺量为4%，此时，ULAAFC的吸水率降至8%，导热系数为0.038 W/（m·K）。

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Study on performance effect of ultra-light alkali-activated foamed concrete

GAN Gejin，LAN Cong，CHEN Jing，LU Jialin，WANG Jingjing
（China West Construction Groop Southwest Co.Ltd.，Chengdu 610052，China）

The ultra-light alkali-activated foamed concrete（ULAAFC）with wet density of 200 kg/m3was used to study the effect of activated agent，W/C ratio，polypropylene fiber，activated magnesia and organic silicon waterproofing agent on dry density，mechanical property，shrinkage，bibulous rate and thermal conductivity coefficient.The result shows that activated agent，W/C ratio and polypropylene fiber have significant effect on the mechanical property of ULAAFC，but activated agent and polypropylene fiber have a little influence todry density，the incorporation of 20%activated magnesia will improve 28 d strength and shrinkage properties of ULAAFC，the effect of organic silicon waterproofing agent sprayed outside is better than that of mixed，and the best dosage is 4%，and then the bibulous rate of ULAAFC is down to 8%，the thermal conductivity coefficient is 0.038 W/（m·K）.

alkali-activated，ultra-light，foamed concrete，mechanical property，bibulous rate

TU528.2

A

1001-702X（2016）11-0064-05

2016-03-16；

2016-04-21

甘戈金，男，1986年生，重庆人，硕士，工程师，主要从事预拌混凝土及混凝土制品的研究。