大掺量粉煤灰泡沫混凝土正交试验研究

王元月

（阳西县建兆混凝土有限公司）

大掺量粉煤灰泡沫混凝土正交试验研究

王元月

（阳西县建兆混凝土有限公司）

采用L16（45）正交表设计大掺量粉煤灰泡沫混凝土正交试验配比方案，并进行相关性能测试，研究分析了水泥、粉煤灰、激发剂、泡沫、减水剂和水灰比等因素对泡沫混凝土28d抗压强度的影响。

大掺量粉煤灰；泡沫混凝土；正交试验；抗压强度

1　前言

泡沫混凝土是通过物理发泡，并将泡沫与水泥浆均匀混合，然后经过现浇成型，经自然养护所形成的一种含有大量封闭气孔的新型轻质保温材料［1-3］，具有轻质、保温、隔热、隔音、不燃、抗震、利废等优点。粉煤灰是良好的辅助性胶凝材料，具有改善混凝土工作和力学性能的优点，泡沫混凝土中大量使用粉煤灰将有利于节能减排、节约资源和保护环境。但大掺量粉煤灰泡沫混凝土强度低，严重制约其推广与应用［4-5］。通过研究泡沫混凝土的特点，分析影响粉煤灰泡沫混凝土性能的主要因素，改进配合比，提高泡沫混凝土的性能，将具有重要的经济与社会意义。

2　原材料与配合比设计

2.1原材料

本实验选用P·Ⅱ42.5硅酸盐水泥，II级粉煤灰，激发剂为碱性激发剂，发泡剂为动物蛋白类发泡剂；减水剂为聚羧酸类高效减水剂。

2.2配合比设计

以粉煤灰掺量、激发剂用量、泡沫量、减水剂掺量和水灰比为五个因素，各取四个水平设计正交试验并得出测试结果。试验采用L16（45）正交表，试验因素水平设计如表1所示，正交试验配比方案及试验结果如表2所示，其中胶凝材料用量为400kg/m3，泡沫混凝土干容重为500±50kg/m3。

表1　试验因素水平

表2　正交试验配比方案及试验结果

3　结果与分析

根据表2所示的正交配比方案与试验结果，对泡沫混凝土28d抗压强度进行直观分析，并绘制不同因素对28d抗压强度的效应曲线图，直观分析见表3，效应曲线图见图1。

表3中，A表示粉煤灰掺量、B表示激发剂掺量、C表示泡沫量、D表示减水剂掺量、E表示水灰比。从表3中可以看出，A因素即粉煤灰掺量是影响抗压强度的主要因素，结合极差结果分析，其次要因素为激发剂掺量，然后是水灰比、减水剂掺量和泡沫量。各因素对强度的影响程度大小为：A＞B＞E＞D＞C。

从图1中可以看出，粉煤灰掺量、激发剂掺量、泡沫量、减水剂掺量、水灰比等对泡沫混凝土抗压强度均有不同程度的影响。随着粉煤灰掺量增加，泡沫混凝土抗压强度先增加后减少，这由于粉煤灰微粒作用，水泥浆体中颗粒能均匀分散，扩大了水泥水化空间和水化产物生成的场所，从而促进了初期水泥水化反应，粉煤灰球形颗粒的形态效能减少泡沫混凝土需水量，提高流动度，使泡沫混凝土的性能显著提高，从而大幅度提高了泡沫混凝土的强度。另一方面，水化反应后期粉煤灰的活性效应（指粉煤灰中活性SiO2和Al2O3）与浆体中Ca（OH）2反应生成更多的胶凝产物，从而使浆体具有较高的强度。粉煤灰火山灰活性的高低取决于反应的能力、速度及水化产物的数量、结构和性质等因素。通过碱激发等方法，可提高粉煤灰的火山灰活性。但粉煤灰掺量比继续增加会使水泥用量相应减少，对泡沫混凝土强度形成不良影响。

随着碱性激发剂掺量增加，泡沫混凝土强度显著增加，这由于粉煤灰虽具有化学活性，但这种活性是潜在的，需要靠熟料水化产生的Ca（OH）2等碱性物质来激发其活性，使它们进行水化反应并生成二次水化产物。有研究表明［6-12］，粉煤灰在pH值低于13.2的碱溶液中反应十分缓慢，而熟料水化早期碱度有限，早期粉煤灰水化缓慢，水化程度低，粉煤灰水泥制品早期强度低。通过碱处理可以加快粉煤灰早期水化进程，提高粉煤灰水泥制品的早期性能，从而提高了泡沫混凝土的强度。随着碱激发剂用量继续增加，泡沫混凝土浆体体系中碱含量处于过饱和状态，反而不利于水泥和粉煤灰发生水化反应。

随着水灰比和减水剂的增大，用水量增加，泡沫混凝土强度先增加后减小，当水灰比为0.40时存在拐点，为水灰比的最佳掺量。水灰比和减水剂掺量增加使泡沫混凝土获得更好的流动性和均匀性，强度有所增加，水灰比过高和减水剂过掺，泡沫混凝土包裹泡沫能力变差，对强度造成不良的影响。

本试验设计的泡沫混凝土干容重为500±50kg/m3，实际检验结果为510～540kg/m3，达到设计要求，因此本试验中泡沫量对泡沫混凝土的容重和强度影响都较小。

综合各因素对泡沫混凝土抗压强度的影响，综合最优配比为水泥用量280kg/m3、粉煤灰掺量30%、激发剂用量1.6%、泡沫量35kg/m3、减水剂掺量1.2%和水灰比0.40。

表3　抗压强度直观分析

图1　不同因素对28d抗压强度的效应曲线图

4　结论

随着粉煤灰掺量增加，泡沫混凝土抗压强度先增加后减少，这由于粉煤灰形态效应、活性效应和微集料效应的作用。随着碱性激发剂掺量增加，泡沫混凝土强度显著增加，这由于碱性物质激发粉煤灰的化学活性，进行水化反应并生成二次水化产物。水灰比和减水剂掺量增加使泡沫混凝土获得更好的流动性和均匀性，强度有所增加，水灰比过高和减水剂过掺，泡沫混凝土包裹泡沫能力变差，对强度造成不良的影响。综合各因素对泡沫混凝土抗压强度的影响，综合最优配比为：水泥用量280kg/m3、粉煤灰掺量30%、激发剂用量1.6%、泡沫量35kg/m3、减水剂掺量1.2%和水灰比0.40。●

［1］亓延军.常用有机外墙外保温系统火灾特性研究［D］.中国科学技术大学，2012.

［2］于宁，张云飞，谢慧东，栾佳春，郭中光.憎水剂对化学发泡泡沫混凝土性能影响的试验研究［J］.商品混凝土，2012（09）.

［3］徐文，刘兴亚，朱清华.外墙外保温用化学发泡泡沫混凝土板的试验研究［J］.混凝土，2012（03）.

［4］张欣，叶剑锋，周海兵，李石林，冯涛.化学发泡制备超轻憎水泡沫混凝土研究［J］.新型建筑材料，2013（03）.

［5］蔡娜.超轻泡沫混凝土保温材料的试验研究［D］.重庆大学，2009.

［6］卡哈尔·艾买提.浅谈粉煤灰有效、综合利用及发展建议［J］.中国西部科技，2010，9（10）：14-15.

［7］Wang A.Q.，Zhang C.Z.，Sun.W.Fly ash effects：I. The morphological effect of fly ash［J］.Cement and Concrete Research，2003，33（12）：2023-2029.

［8］沈旦申，张荫济.粉煤灰效应的探讨［J］.硅酸盐学报，1981，1：9-14.

［9］沈旦申.粉煤灰混凝土［M］.北京：中国铁道出版社，1989.

［10］Wang A.Q.，Zhang C.Z，Sun.W.Fly ash effects：III. The micro-aggregate effect of fly ash［J］.Cement and Concrete Research，2004，34（11）：2061-2066.

［11］潘钢华，王爱勤，等.改善粉煤灰水泥早期性能的两个措施［J］.东南大学学报，1998，28（1）：97-102.

［12］Takemoto K.，Uchikawa H.火山灰质水泥水化［C］.第七届国际水泥化学会议论文选1集.北京：中国建筑工业出版社，1985.