超轻泡沫混凝土性能的优化研究

李洋，潘志华

（南京工业大学材料科学与工程学院，江苏 南京 210009）

超轻泡沫混凝土性能的优化研究

李洋，潘志华

（南京工业大学材料科学与工程学院，江苏 南京 210009）

以P·O42.5水泥、超细矿渣粉、粉煤灰为胶凝材料，采用化学发泡法制备密度等级为160 kg/m3的超轻泡沫混凝土。通过对促凝剂的复配优化、粉煤灰掺量、增稠剂用量的实验研究，对超轻泡沫混凝土性能进行优化。实验结果表明：优化复合促凝剂SAA用量为1.5%、粉煤灰掺量10%、增稠剂掺量0.05%时，泡沫混凝土的干密度为158.8 kg/m3，28 d抗压强度为0.46 MPa，气孔均匀细小，直径在1 mm以下的气孔占总气孔数的98%以上，导热系数为0.05 W/（m·K）。并利用ANSYS Workbench对泡沫混凝土外墙保温系统进行模拟热分析，表明优化后的超轻泡沫混凝土的保温性能能很好地满足外墙保温的要求。

超轻泡沫混凝土；促凝；抗压强度；导热系数

0 引言

泡沫混凝土作为一种无机多孔材料，以其保温、隔声、防火、生产成本低、使用寿命长等显著特点[1-3]，能够满足建筑保温材料的要求，特别是作为建筑外墙保温系统，不仅能达到很好的保温效果，而且因其密度低很大程度地降低了建筑的自重，减少了对地基的压力，因此受到了广泛关注。

虽然泡沫混凝土作为建筑外墙保温材料具有很大的优势，但也有一些不足需要进一步优化，如强度偏低，在切割、运输、施工过程中容易受到损坏；超轻泡沫混凝土在制备过程发泡结束以后出现泡沫料浆下陷或沉降等。因此国内外很多专家学者也做了大量的研究工作。吕钦刚等[4]研究了超细矿渣粉对密度等级为300 kg/m3的泡沫混凝土性能的影响。Ramamurthy等[5]通过探索适宜发泡剂和发泡机、发泡剂和化学试剂的兼容性、轻集料和增强纤维的使用、耐久性以及影响泡沫混凝土生产的其它因素对泡沫混凝土进行了深入的研究。Kunhanandan Nambiar等[6]利用光学显微镜对泡沫混凝土的孔隙率系数、气孔体积、尺寸、气孔的分布情况进行研究，大的气孔会降低混凝土强度，气孔的形状对泡沫混凝土的性质没有影响。Li Yue和Chen Bing[7]通过以磷酸镁水泥代替硅酸盐水泥制备出密度为210～380 kg/m3、强度为1.0～2.8 MPa、导热系数为0.049～0.07 W/（m·K）的泡沫混凝土制品。Kearsley等[8]研究了泡沫混凝土孔隙率和抗压强度的关系，抗压强度与孔隙率和龄期之间存在一个函数关系，并且建立了一个乘法模型可以很好地吻合1年龄期的实验结果。

本文通过促凝剂优化、粉煤灰、增稠剂的添加对超轻泡沫混凝土的性能影响展开讨论，对超轻泡沫混凝土的配方进行优化，以达到提高超轻泡沫混凝土性能的目的。

1 试验

1.1 试验原料

水泥（PC）：市售，P·O42.5水泥；矿渣粉（SG）：超细矿渣粉，比表面积800 m2/kg；粉煤灰：市售，I级粉煤灰（FA）；发泡剂（HO）：化学纯双氧水；稳泡剂（FS）：自制；减水剂（SP）：市售，聚羧酸高效减水剂，固含量50%；聚丙烯纤维（PP）：长度8～12 mm。促凝剂（SA）：硫酸铝（Al2（SO4）3·18H2O），硅酸钠（Na2SiO3·9H2O），氯化钙（CaCl2）；早强剂（HA）：MgCl2；增稠剂：羧甲基纤维素钠（CMC）。试验中各材料的掺量均为占胶凝材料的质量百分数。

1.2 超轻泡沫混凝土的制备

采用化学发泡法制备泡沫混凝土，设计泡沫混凝土密度为160 kg/m3，制备工艺流程见图1。

图1 泡沫混凝土的制备工艺流程

1.3 泡沫混凝土的性能测试

超轻泡沫混凝土的干密度及抗压强度按照GB/T 5486—2008《无机硬质绝热制品试验方法》并结合JG/T 266—2011《泡沫混凝土》进行测试；导热系数依据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》对超轻泡沫混凝土导热系数进行测试，样品为300 mm×300 mm×30 mm完全烘干的超轻泡沫混凝土板。

2 试验结果与讨论

2.1 超轻泡沫混凝土促凝剂的优化

超轻泡沫混凝土在制备过程中常发生下陷或沉降现象，这主要是由于泡沫混凝土的凝结速率和发泡速率不能达到良好匹配造成的。当凝结时间过长，发泡结束以后，泡沫混凝土料浆形成的多孔结构没有足够的强度支撑自身的质量，就会使气泡破裂，从而造成沉降甚至塌模。促凝剂的优化有助于解决这一问题。泡沫混凝土的配合比见表1。

表1 泡沫混凝土配合比

首先通过改变不同促凝剂的用量，分别考察3种促进剂对泡沫混凝土的影响。浇筑模具采用2000 ml烧杯，浇筑量为发泡结束后能完全充满烧杯，以便于比较、测量。浇筑24 h后分别测量各烧杯内试样的沉降距离。结果见图2。

图2结果表明，当硫酸铝掺量为0.5%和1.5%时，试样的沉降距离仅2 mm，说明促凝效果良好，并且料浆流动性好，能很好地满足浇筑要求。掺量为0.5%时，试样的硬度低于掺量为1.5%时的硬度，说明掺量较低时强度发展较慢。对试样进行切割观察，内部气泡均匀；硅酸钠掺量为1.25%～1.5%时，沉降距离也在2 mm左右，试样内部有部分连通气孔；氯化钙掺量为1.25%～2.00%时，试样沉降距离基本不变，维持在2 mm左右，而且试块切开以后观察，无连通气泡，气泡均匀，气泡壁完整。综合上述实验，促凝剂的最佳掺量为1.5%左右。

图2 不同促凝剂及其掺量对泡沫混凝土沉降的影响

对促凝效果较好的2种促凝剂氯化钙和硫酸铝进行复合使用，测试其促凝效果。将1.5%掺量分为15等份，两者的复合比分别为：A1：m（氯化钙）∶m（硫酸铝）=2∶13；A2：m（氯化钙）∶m（硫酸铝）=3∶12；A3：m（氯化钙）∶m（硫酸铝）=5∶10；A4：m（氯化钙）∶m（硫酸铝）=7∶8；A5：m（氯化钙）∶m（硫酸铝）=13∶2。泡沫混凝土配合比不变，试验结果见图3。

图3 不同复合促凝剂试样的下陷距离

图3表明，促凝剂复合使用能使促凝效果更佳，当m（氯化钙）∶m（硫酸铝）=7∶8时促凝效果最好，避免了沉降现象的发生，将此比例复合的促凝剂记作SA-A。

促凝剂的优化，使泡沫混凝土的凝结速率和发泡速率达到了平衡，既不出现凝结过快影响料浆流动性的问题，又解决了浇筑成型后的沉降现象。

2.2 粉煤灰对超轻泡沫混凝土性能的影响

粉煤灰作为矿物掺和料添加到泡沫混凝土中，不仅可以取代部分水泥降低生产成本，而且还可以降低水化放热[9]。本文研究粉煤灰的掺量对超轻泡沫混凝土性能影响。成型模具采用100 mm×100 mm×100 mm三联模，泡沫混凝土的配合比见表2，测试结果见图4、图5。

表2 不同粉煤灰掺量泡沫混凝土的配合比

图4 粉煤灰掺量对超轻泡沫混凝土抗压强度的影响

图5 粉煤灰掺量对超轻泡沫混凝土干密度的影响

由图4可知，超轻泡沫混凝土的抗压强度受粉煤灰掺量的影响显著，粉煤灰掺量增加到10%（60 g）时，泡沫混凝土的28 d抗压强度达到0.42 MPa；继续增加用量，抗压强度降低明显，当增加到25%时，泡沫混凝土无法成型，浇筑后迅速塌模。由图5可见，泡沫混凝土的干密度也受到粉煤灰掺量的影响，当粉煤灰掺量为10%时，泡沫混凝土的干密度为167 kg/ m3。

2.3 羧甲基纤维素钠对超轻泡沫混凝土性能的影响

羧甲基纤维素钠具有粘合、增稠、增强、保水等性能，本文利用其增稠的特性，作为泡沫混凝土料浆的增稠剂使用。添加增稠剂主要是调节泡沫混凝土料浆的黏稠度，增强发泡过程中气泡壁的拉伸性能，使泡沫混凝土内部形成更多封闭的独立气孔，从而优化气孔细度，提高泡沫混凝土强度。按表2中的7#配比，改变羧甲基纤维素钠掺量，其对超轻泡沫混凝土抗压强度及干密度的影响见表3。

表3 CMC掺量对超轻泡沫混凝土性能的影响

表3表明，羧甲基纤维素钠对泡沫混凝土早期强度的发展有一定程度的减缓作用，但是随着养护龄期的延长，抗压强度的增幅比不掺羧甲基纤维素钠的泡沫混凝土增幅大，养护至28 d时，抗压强度均高于未添加羧甲基纤维素钠的泡沫混凝土试样，说明羧甲基纤维素钠对泡沫混凝土抗压强度有增强作用，当掺加量增加到0.05%时，抗压强度最大，达到0.46 MPa，干密度为158.8 kg/m3，较未掺加羧甲基纤维素钠的泡沫混凝土更低。羧甲基纤维素钠掺量为0.05%时泡沫混凝土试样的SEM照片见图6，通过Image pro plus 6.0图像分析软件进行孔径分析，结果见表4。

图6 超轻泡沫混凝土试样的孔结构

表4 泡沫混凝土孔径分布

由图6可知，超轻泡沫混凝土气孔形状规则饱满，通过Image pro plus图像处理后可以看出气孔多呈圆形且各气泡间独立密闭，这样的多孔结构有利于降低多孔材料的导热系数。表4显示，泡沫混凝土的孔径细小，直径在1 mm以下的气孔占总气孔数的98.7%。细孔增多，气孔壁也增多，这就使材料在受到压力时有更多的支撑，从而提高了超轻泡沫混凝土的抗压强度。

使用优化后的泡沫混凝土配合比制备超轻泡沫混凝土，并对超轻泡沫混凝土试样进行导热系数测试，烘干至恒重的超轻泡沫混凝土板导热系数为0.05 W/（m·K）。

2.4 超轻泡沫混凝土保温性能分析

通过ANSYS Workbench对超轻泡沫混凝土保温板进行稳态热分析，以判断超轻泡沫混凝土作为外墙保温材料的性能。稳态热力学分析一般方程[10]为：

式中：[K]——传导矩阵，包括导热系数、对流系数以及辐射系数和形状系数；

{I}——节点向量温度；

{Q}——节点热流向量，包括生成热。

分析过程中涉及的传热方式为热传导，热传导遵循傅里叶定律[10]，公式为：

式中：q——热流密度，W/m2；

k——导热系数，W/（m·K）。

设置模型参数：墙体材料选择ALC加气混凝土砌块，密度为500 kg/m3，导热系数为0.20 W/（m·K），作为墙体材料时修正系数为1.35，体积为300 mm×300 mm×300 mm；超轻泡沫混凝土导热系数为0.05 W/（m·K），体积为300 mm×300 mm×50 mm；外墙面温度为-7℃，空气对流换热系数为20 W/（m2·K），内墙面温度为22℃，空气对流传热系数为12.5 W/（m2·K）。分别对ALC加气混凝土砌块墙体以及超轻泡沫混凝土保温板和ALC加气混凝土砌块复合墙体进行热分析。

（1）ALC加气混凝土砌块墙体热分析（见图7）

图7 ALC加气混凝土墙体热分析

由图7可知，在未使用超轻泡沫混凝土保温板时，墙体外表面最低温度为-5.83℃，内墙面温度为20.13℃，总热通量为23.366 W/m2。

（2）复合墙体热分析

建立ALC加气混凝土和超轻泡沫混凝土保温板的复合墙体模型，划分网格，施加载荷，得出温度云图和热通量值，结果见图8。

图8 复合墙体热分析

由图8可知，外墙使用超轻泡沫混凝土保温板以后，墙体外表面最低温度为-6.35℃，内墙面温度为20.96℃，总热通量为12.939 W/m2。

施加载荷的内外表面温差为29℃，ALC加气混凝土砌块墙体在相同载荷条件下内外温差为25.96℃，使用超轻泡沫混凝土保温板的复合墙体内外温差为27.32℃，而且复合墙体热通量显著低于ALC加气混凝土砌块墙体。

3 结论

（1）按m（氯化钙）∶m（硫酸铝）=7∶8制备的复合促凝剂很好地改善了发泡速率和凝结速率之间的关系，解决了浇筑成型过程中的沉降现象，满足了超轻泡沫混凝土对促凝剂的要求。

（2）粉煤灰对泡沫混凝土性能影响明显，不仅可以取代部分水泥降低生产成本而且适量的粉煤灰可以提高超轻泡沫混凝土的性能。

（3）掺入0.05%的羧甲基纤维素钠可改善泡沫混凝土的性能，使干密度降低到158.8 kg/m3的同时抗压强度达到了0.46 MPa；气孔独立性、封闭性好，1 mm以下孔径占气孔数的98%以上，导热系数为0.05 W/（m·K）。

（4）ANSYS Workbench分析结果表明，超轻泡沫混凝土保温板使用前后能使ALC加气混凝土墙体的热通量从23.366 W/m2降低到12.939 W/m2，显著降低了墙体的热交换，具有优良的保温隔热性能。

[1]李恒志，潘志华.超低密度泡沫混凝土耐水性能改善的研究[J].混凝土，2014（6）：88-91.

[2]刘军，欧阳鹏，杨元全，等.双氧水泡沫混凝土抗冻性的影响因素[J].混凝土，2014（6）：1-5.

[3]袁俊，徐迅.泡沫混凝土的研究现状及发展动态[J].墙体革新与建筑节能，2007（4）：31-33.

[4]吕钦刚，潘志华，李恒志.超细矿渣粉对泡沫混凝土制备和性能的影响[J].新型建筑材料，2013（3）：56-58.

[5]Ramamurthy K，Kunhanandan Nambiar E K.A classification of studies on properties of foam concrete[J].Cement&Concrete Composites，2009，31：388-396.

[6]Kunhanandan Nambiar E K，Ramamurthy K.Air-void characterisation of foam concrete[J].Cement and Concrete Research，2007，37：221-230.

[7]Li Yue，Chen Bing.Study on a new type of super-lightweight magnesium phosphate cement foamed concrete[J].Journal of Materials in Civil Engineering，2014（1）：1-17.

[8]Kearsley E P，Wainwright P J.The effect of porosity on the strength of foamed concrete[J].Cement and Concrete Research， 2002，32：233-239.

[9]张国栋，吕兴栋，杨凤利.粉煤灰/矿粉-水泥凝胶体系的水化放热性能[J].济南大学学报：自然科学版，2014，28（5）：386-390.

[10]黄志新，刘成桂.ANSYS Workbench 14.0超级学习手册[M].北京：人民邮电出版社，2013：314-315.

Research on optimization of ultra-light weight foamed concrete performance

LI Yang，PAN Zhihua
（College of Materials Science and Engineering，Nanjing Tech University，Nanjing 210009，China）

By using P·O42.5 cement，superfine slag powder and fly ash as cementitious material，ultra-light foamed concrete with density level of 160 kg/m3was prepared by chemical foaming method.The properties of ultra-light foamed concrete was optimized by optimizing the setting accelerator，and the dosage of fly ash and thickening agent.Results show that:when the content of setting accelerator SA-A is 1.5%，fly ash is 10%，thickening agent is 0.05%，the dry density of foamed concrete is 158.8 kg/m3，the 28 d compressive strength of foamed concrete is 0.46 MPa，and the pore are small and uniform，pore diameter under 1 mm is above 98%，the thermal conductivity is 0.05 W/（m·K）.ANSYS Workbench was used to simulate the insulation performance of foamed concrete.The results show that the optimized ultra-light foamed concrete is commendably to meet the performance requirements of the external wall insulation board.

ultra-light weight foamed concrete，setting accelerator，compressive strength，thermal conductivity

TU55+1.33

A

1001-702X（2016）11-0074-06

2016-04-14

李洋，男，1988年生，河南淮阳人，硕士研究生，主要从事泡沫混凝土研究。