烧结空心砌块填芯用泡沫混凝土制备研究

游劲秋，张国永，王立，李杰，董泽

（浙江省建筑科学设计研究院有限公司，浙江 杭州 310012）

烧结空心砌块填芯用泡沫混凝土制备研究

游劲秋，张国永，王立，李杰，董泽

（浙江省建筑科学设计研究院有限公司，浙江 杭州 310012）

为解决泡沫混凝土浇注入烧结空心砌块后出现的塌陷问题，研究了几种稳泡剂和速凝剂对泡沫混凝土性能的影响。实验结果表明：羟丙基甲基纤维素醚掺量为0.05%时，泡沫混凝土的体积稳定性有所提高；ZJK铝酸盐速凝剂掺量为10%时，泡沫混凝土可脱模时间在30 min内。通过改进泡沫混凝土配合比解决了塌陷问题。

泡沫混凝土；配合比；稳泡；速凝；烧结空心砌块

0 引言

随着对建筑围护结构热工性能要求的提高，墙体材料的保温隔热性能要求也相应提高。开发、生产、应用新型节能墙体材料，已成为建筑墙体材料的重要发展方向。以烧结空心砌块为基体，空腔内填充轻质泡沫混凝土形成的烧结复合保温砌块，综合了烧结空心砌块高强度、低收缩率的特点和泡沫混凝土保温性能好的优点，是一种具有广阔应用前景的自保温墙体材料。

泡沫混凝土是一种水泥基多孔材料，具有轻质、保温、防火、耐久等优点。泡沫混凝土根据发泡方式不同，主要分成物理发泡法和化学发泡法2大类。2种方法的一个主要区别是浆料的发泡时间不同[1]：物理发泡法中，发泡过程就是泡沫与水泥浆料混合的过程，浆料倒入模具后体积基本不再发生变化；化学发泡法中，发泡过程主要是在浆料倒入模具后完成的发泡程度受养护条件影响较大。从这个角度上讲，物理发泡法更适用于填芯用泡沫混凝土的制备，本文选择物理发泡法制备泡沫混凝土。

前期试验发现，低密度的泡沫混凝土填充到烧结空心砌块后易出现塌陷现象。这是因为在低密度泡沫混凝土浆料中泡沫体积占80%以上，稳定性较差，泡沫容易因烧结空心砌块吸水等因素干扰而破灭，从而导致泡沫混凝土塌陷。因此需要对烧结空心砌块填芯用泡沫混凝土制备技术进行改进。

1 试验

1.1 原材料

水泥：P·O42.5水泥，杭州钱潮水泥有限公司。减水剂：聚羧酸盐高效减水剂，固含量98%，减水率45%，北京德昌伟业建筑工程技术有限公司。发泡剂：HTQ-1型复合发泡剂，河南华泰建材开发有限公司。稳泡剂：硬脂酸钙，工业级，市售；羟丙基甲基纤维素醚（HPMC），黏度200 Pa·s，市售；三乙醇胺分析纯，无锡市亚泰联合化工有限公司。速凝剂：碳酸钠、碳酸钾、硝酸铁、偏铝酸钠，分析纯，上海国药集团化学试剂有限公司；ZJK铝酸盐速凝剂，粉体，自制。

1.2 主要仪器设备

搅拌机，符合GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》的要求；发泡器，河南华泰建材开发有限公司HT-10型发泡器。

1.3 试验方法

1.3.1 泡沫混凝土的制备

（1）准确称量水泥、水、外加剂等原料，称量结束后将液体类外加剂加入水中混合均匀，固体类外加剂与水泥混合均匀；（2）将水或已溶解外加剂的水溶液加入固体物料中搅拌均匀，形成水泥浆料；（3）使用发泡器将发泡剂制备成细密的泡沫，并加入水泥浆料中混合均匀，制得泡沫混凝土拌合物；（4）将泡沫混凝土拌合物浇注入烧结空心砌块空腔内（空腔尺寸：长122.5 mm×宽120 mm×高190 mm），在自然条件下养护。

通过控制干物料的总质量和泡沫混凝土浆料的总体积，控制泡沫混凝土的目标密度。本文控制泡沫混凝土的干密度≤300 kg/m3，根据长期试验经验[2]，选取泡沫混凝土的基础配方如表1所示。该配方制得的泡沫混凝土拌合物浇注入钢模中成型、养护，测得性能如下：绝干密度277 kg/m3，抗压强度0.23 MPa，导热系数0.064 W（/m·K）。

表1 泡沫混凝土的基础配合比kg/m3

1.3.2 泡沫混凝土性能评价指标

为解决泡沫混凝土拌合物浇注入烧结空心砌块空腔后出现的塌陷问题，笔者考虑通过提高泡沫混凝土以下2方面性能：（1）提高拌合物的稳定性；（2）提高拌合物的凝结速度。从实际应用角度，本文选定的评价泡沫混凝土拌合物性能的具体指标如下：（1）拌合物浇注入空心砌块30 min时的塌陷深度不超过1 mm；（2）拌合物浇注入空心砌块至可以脱去底模的时间（可脱模时间）应不超过30 min。

2 结果与分析

2.1 稳泡剂对泡沫混凝土性能影响

在表1所列的泡沫混凝土基础配方中分别掺入硬脂酸钙、羟丙基甲基纤维素醚、三乙醇胺作为泡沫混凝土的稳泡剂（掺量以水泥的质量百分比计，下同），考查泡沫混凝土拌合物浇注入烧结空心砌块中后的塌陷情况。不同稳泡剂对泡沫混凝土拌合物稳定性的影响如表2所示。

表2 不同稳泡剂对泡沫混凝土拌合物稳定性的影响

从表2可知，羟丙基甲基纤维素醚的稳泡效果最理想，硬脂酸钙次之，三乙醇胺基本没有稳泡效果。羟丙基甲基纤维素醚常用作水泥砂浆保水剂和增稠剂[3-4]，将它掺入泡沫混凝土拌合物中能够增加拌合物的黏稠度，将泡沫束缚在体系中，从而提高泡沫的稳定性[5]。

不掺稳泡剂以及掺0.05%羟丙基甲基纤维素醚的泡沫混凝土浇注入烧结空心砌块30 min时塌陷程度如图1所示。

图1 泡沫混凝土浇注30 min时的塌陷情况

从图1可以看出，掺0.05%羟丙基甲基纤维素醚的泡沫混凝土拌合物基本不塌陷，可以满足使用要求。因此，选择羟丙基甲基纤维素醚作为泡沫混凝土拌合物的稳泡剂，掺量为0.05%。

2.2 速凝剂对泡沫混凝土性能的影响

普通硅酸盐水泥凝结时间较长，一般初凝时间大于150 min，终凝时间大于200 min。在水泥凝结固化前，泡沫混凝土拌合物的体积稳定性取决于泡沫的稳定性，但是泡沫是一个热力学不稳定体系，随时间延长泡沫不断破灭，尤其浇注入烧结空心砌块空腔内，空腔壁的吸水作用将加速泡沫排液，导致泡沫加速破灭。图1（b）中掺0.05%羟丙基甲基纤维素醚的泡沫混凝土拌合物在30 min内基本不塌陷，但是随着时间延长至60 min塌陷深度急剧增加。这说明掺0.05%羟丙基甲基纤维素醚只能在短时间内提高泡沫混凝土拌合物的稳定性。若提高水泥的凝结速度使泡沫混凝土拌合物的固化时间控制在30 min内，由水泥水化产物包裹的泡孔壁提供后续的强度支撑，将会有效解决泡沫混凝土拌合物浇注入烧结空心砌块后的塌陷问题，并且能够有效提高烧结复合保温砌块的生产效率。

在表1的泡沫混凝土配方基础上，掺水泥质量0.05%的羟丙基甲基纤维素醚稳泡剂，然后分别选用碳酸钠、碳酸钾、硝酸铁、偏铝酸钠、ZJK铝酸盐速凝剂作为水泥速凝剂，研究不同速凝剂对泡沫混凝土性能的影响，结果如表3所示。

表3 不同速凝剂对泡沫混凝土性能的影响

碳酸钠和碳酸钾为常用混凝土速凝剂，其机理是与水泥中的石膏反应形成硫酸钠，使石膏丧失其原有的缓凝作用，从而导致铝酸钙矿物迅速水化。另外碳酸钠和碳酸钾是可溶性盐，能与水泥水化生成的Ca（OH）2反应生成碳酸钙微细晶核，也能促进水泥水化[6]。但是从表3可以看出，掺碳酸钠和碳酸钾的试验结果类似，可脱模时间长而且泡沫混凝土塌陷现象严重，具体原因有待进一步深入研究。偏铝酸钠对泡沫混凝土的速凝效果非常显著，但是泡沫混凝土的后期强度损失大，而且试验时发现凝结时间太短不便于操作。掺3%硝酸铁的泡沫混凝土可脱模时间为50 min，离目标值还有一定差距，而且泡沫混凝土固化后表面存在开裂现象。ZJK铝酸盐速凝剂效果相对理想，掺量为5%时的试验结果与目标值较接近。

ZJK铝酸盐速凝剂主要成份的XRD图谱如图2所示。

图2 ZJK铝酸盐速凝剂的XRD图谱

从图2可以看出，ZJK铝酸盐速凝剂的主要矿物组成为铝酸一钙（CA）、二铝酸一钙（CA2）、七铝酸十二钙（C12A7）、钙铝黄长石（C2AS）等，其中CA和CA2具有很强水化反应活性ZJK铝酸盐速凝剂的速凝机理如下[7]：在普通硅酸盐提供的碱性环境中，CA和CA2迅速水化反应生成CAH10、C2AH8和C3AH6等水化产物，并继续与普通硅酸盐水泥中的石膏反应生成难溶于水的针状晶体——钙钒石，使拌合物失去流动性另外，普通硅酸盐水泥由于石膏被消耗后，失去缓凝作用，水化反应也得以加速。

综合对比，选择ZJK铝酸盐速凝剂作为泡沫混凝土速凝剂并进行掺量优化试验，结果如表4所示。由于ZJK铝酸盐速凝剂掺量较大，外掺法易导致泡沫混凝土密度差异较大，因此本组实验采用内掺法，控制水泥和ZJK铝酸盐速凝剂的总量为250 kg/m3左右，其它组分掺量保持不变。

表4 ZJK铝酸盐速凝剂对泡沫混凝土性能的影响

从表4可以看出，在5%～20%掺量范围内，随着ZJK铝酸盐速凝剂掺量增加，泡沫混凝土的可脱模时间缩短，5%～ 10%时缩短幅度较大，而后幅度逐渐变缓。这可能是因为ZJK铝酸盐速凝剂掺量较低时，普通硅酸盐水泥中的石膏相对富余，随ZJK铝酸盐速凝剂掺量增加生成钙钒石的量以相应的幅度增加，当ZJK铝酸盐速凝剂掺量较高时，普通硅酸盐水泥中的石膏相对不足，随ZJK铝酸盐速凝剂掺量增加生成钙钒石的量不能以相应的幅度增加或不再增加。

从表4还可以看出，泡沫混凝土的塌陷深度随ZJK铝酸盐速凝剂掺量增加出现先减小而急剧增加的规律。笔者分析认为出现这种规律的可能原因如下：（1）泡沫混凝土浇注入烧结空心砌块后，维持体积稳定的时间约为30 min。ZJK铝酸盐速凝剂掺量为5%时，可脱模时间大于30 min，不利于泡沫混凝土保持体积稳定，掺量增加至10%～15%，可脱模时间降至30 min以内，塌陷程度明显改善；（2）水泥水化放热不利于泡沫混凝土拌合物的体积稳定性。ZJK铝酸盐速凝剂掺量增加至20%时，在制备泡沫混凝土时发现拌合物的温度急剧升高，泡沫破灭速度明显提高，这应该是由于ZJK铝酸盐速凝剂掺量较高时水泥水化放热剧烈，泡沫混凝土中的泡沫受热膨胀而胀破。因此，ZJK铝酸盐速凝剂掺量为10%比较合适

综合上述试验结果，确定了烧结空心砌块填芯用泡沫混凝土的配合比如表5所示。

表5 烧结空心砌块填芯用泡沫混凝土的配合比kg/m3

将该配比制备的泡沫混凝土浇注入烧结空心砌块后形成烧结复合保温砌块如图3所示。经测试，泡沫混凝土固化后性能为：绝干密度286 kg/m3，抗压强度0.19 MPa，导热系数0.068 W/（m·K）。

图3 烧结复合保温砌块

3 结语

本文通过掺加羟丙基甲基纤维素醚提高泡沫混凝土拌合物稳定性，继续掺入ZJK铝酸盐速凝剂缩短拌合物固化时间，从而制得了烧结空心砌块填芯用泡沫混凝土。羟丙基甲基纤维素醚掺量为0.05%，ZJK铝酸盐速凝剂掺量为10%时，制得的泡沫混凝土拌合物浇注入烧结空心砌块后26 min即可脱模，且泡沫混凝土表面平整基本无塌陷。

[1]李启金.低密度泡沫混凝土保温材料的制备与性能研究[D].济南：济南大学，2014.

[2]张国永，陈永攀，曾宪纯，等.泡沫混凝土干燥收缩性能改性研究[J].新型建筑材料，2013（4）：72-74.

[3]Schmitz L，Hacker C-J，张量.纤维素醚在水泥基干拌砂浆产品中的应用[J].新型建筑材料，2006（7）：45-48.

[4]刘宾，王培铭，张国防.聚合物干粉对新拌膨胀珍珠岩保温砂浆性能的影响[J].新型建筑材料，2007（2）：38-42.

[5]彭玖玲.建筑节能常温发泡技术的研究及应用[D].武汉：华中科技大学，2009.

[6]章春梅，Ramachandran V S.碳酸钙微集料对硅酸三钙水化的影响[J].硅酸盐学报，1988（2）：110-117.

[7]袁润章.胶凝材料学[M].武汉：武汉工业大学出版社，1996：86-102.

Study on the preparation of foam concrete filled in fired hollow blocks

YOU Jinqiu，ZHANG Guoyong，WANG Li，LI Jie，DONG Ze
（Zhejiang Academy of Building Research＆Design Co.Ltd.，Hangzhou 310012，China）

To solve the subsidence problem of foam concrete filled into fired hollow blocks，the effect of foam stabilizers and accelerator additives on the property of foam concrete were studied.The results of experiment show：volume stability of foam concrete was improved by adding 0.05%HPMC，the setting time of foam concrete was controlled in 30 mins by adding 10%self-made aluminate accelerating additive.The subsidence problem of foam concrete was solved through adjusting its formulation.

foam concrete，formulation，foam-stabilizing，acceleration setting，fired hollow blocks

TU528.2

A

1001-702X（2016）09-0087-04

浙江省科技计划项目（2014F50008）

2016－03－10；

2016-04-07

游劲秋，男，1967年生，江苏泰县人，教授级高级工程师。