自流平泡沫水泥性能影响研究

牛云辉，蒋俊，张玉苹，赵志强

（1.西南科技大学四川省非金属复合与功能材料重点实验室-省部共建国家重点实验室培育基地，四川绵阳 621000；2.西南科技大学材料科学与工程学院，四川绵阳 621000）

自流平泡沫水泥性能影响研究

牛云辉1，蒋俊2，张玉苹2，赵志强2

（1.西南科技大学四川省非金属复合与功能材料重点实验室-省部共建国家重点实验室培育基地，四川绵阳 621000；2.西南科技大学材料科学与工程学院，四川绵阳 621000）

泡沫水泥在建筑保温领域发展迅速，由于泡沫的引入导致泡沫水泥浆体黏度较大，通常施工后需人工刮平作业。以流变仪作为主要研究手段，在改变水灰比和外加剂掺量条件下研究密度300～500 kg/m3泡沫水泥的力学性能及外加剂对流变性影响。结果表明，对于自流平泡沫水泥，不同密度有其最佳的水灰比，减水剂最佳掺量为0.12%，促凝剂建议掺量为1%，外加剂对自流平泡沫水泥的性能影响与普通泡沫水泥一致。

自流平；泡沫水泥；力学性能；流变性

泡沫水泥是通过一定的工艺手段向由水泥、水、外加剂以等其它材料组成的浆体中引入大量微小气泡，经搅拌、成型、养护等工序制成的一种轻质多孔材料[1-2]。目前泡沫水泥已应用于砌块生产、坑道回填、桥台浇注、间隙填充、屋顶隔热等方面[3]。在水灰比一定的情况下，由于泡沫的加入，料浆的流动性变差，使混合拌制的料浆难以泵送和现场浇筑[4]。因此，本文针对密度为300～500 kg/m3的泡沫水泥，通过改变水灰比和外加剂掺量调节其流动性，使泡沫水泥具有一定的自流平效果，研究了水灰比和外加剂对其流变性能和力学性能的影响。

1　实验

1.1原材料及实验设备

水泥：P·O52.5R，江油拉法基双马水泥厂；动物发泡剂：河南华泰建材开发公司；减水剂：柯帅JS-50型聚羧酸类高效减水剂；促凝剂：实验室自制，主要成分为硝酸钙。

微机控制电子试验机：CMT 5105，深圳新三思材料公司；电子天平：JJ2000，常熟双杰仪器厂；混凝土标养箱：HBY-40B，华南无锡仪器厂；水泥胶砂搅拌机：JJ-5，无锡建仪仪器股份有限公司；电热鼓风干燥箱：101，长沙实验电炉厂；流变仪：Viskomat NT，德国schlebinger公司。

1.2样品制备

（1）力学性能测试样品：将水泥和水按照不同水灰比加入立式搅拌机中搅拌90 s。将发泡剂和水按照1∶20质量比配制成发泡剂溶液，通过空气发泡方式制备泡沫，加泡沫于搅拌机中快速搅拌80 s，将制备的泡沫均匀混入料浆，浇筑1 d后拆模，将所制样品置于标准养护箱中[环境温度（20±1）℃、相对湿度大于95%]养护至7 d、28 d。

（2）流变性测试样品：将水泥和水按照不同水灰比加入立式搅拌机中搅拌90 s。将市售发泡剂和水按照1∶20质量比配制成发泡剂溶液，通过空气发泡方式制备泡沫，根据设计密度不同，将不同体积泡沫和水泥浆在搅拌机中快速搅拌80 s，测试泡沫水泥的初始流动度。将流动度达到70 mm以上的样品定义为自流平泡沫水泥，进行流变性测试。

1.3实验方法

（1）绝干密度与抗压强度测试

样品脱模尺寸为70.7mm×70.7mm×70.7mm，养护至规定龄期后，将样品置于（60±5）℃的烘箱中烘干24h后，参照JG/T 266—2011《泡沫混凝土》测试抗压强度，加载速率为500 N/s。

（2）流变性能测试

将新拌泡沫自流平沫混凝土置于Viskomat NT流变仪（见图1）中，测试叶片在规定时间内（30 s）不同转速下（0～180 r/min）受到的阻力力矩，结合Bingham模型，线性拟合转速与力矩的关系，则斜率为浆体的相对黏度，与纵坐标的截距为相对极限剪切应力。

图1　流变仪

2　结果与讨论

2.1自流平泡沫水泥流变性能影响因素研究

自流平泡沫水泥需要加入大量的泡沫，若水泥料浆黏稠度过大，泡沫与水泥料浆间的摩擦力更大，泡沫更易破裂。与普通泡沫水泥相比泡沫会更难以分散，对低密度泡沫水泥的气孔结构与性能不利[5-7]。本文主要研究满足流动度不小于70 mm条件下，水灰比、减水剂、促凝剂3个因素对新拌自流平泡沫水泥流变性能的影响。

2.1.1水灰比对水泥净浆流变性能的影响

在不掺入减水剂和促凝剂的情况下，研究了水灰比对水泥净浆流变性能的影响，结果如图2所示。

由图2可见，随着水灰比增大，水泥净浆的相对极限剪切应力迅速降低，当水灰比大于0.6时相对极限剪切应力变化明显减小；当水灰比从0.50增大至0.55时，水泥净浆的相对黏度从0.0533 N·mm·min降低至0.0275 N·mm·min，降低了48.4%，随着水灰比继续增大，相对黏度变化也逐渐减小。

图2　水灰比对水泥净浆流变性能的影响

水灰比大于0.6时，固相颗粒间水膜层的厚度与颗粒间相互作用极大地影响水泥浆体的黏度，水灰比增大，颗粒间水膜层厚度增加，颗粒间距离变大，所以水泥浆体的黏度随水灰比增大而减小。可见，增大水灰比对于改善水泥浆体流变特性起到重要作用。在制备自流平泡沫水泥的过程中，有利于降低泡沫的破泡程度，促进泡沫在水泥浆体中的分散。

2.1.2水灰比对自流平泡沫水泥流变性能的影响

在满足流动度不小于70 mm条件下，水灰比对新拌自流平泡沫水泥流变性能的影响见图3。

图3　不同水灰比下自流平泡沫水泥的流变性

由图3可见，不同密度（300、400、500 kg/m3）下，当水灰比从0.5增大至0.7时，泡沫水泥的相对极限剪切应力和相对黏度均有不同程度的降低。当水灰比为0.5时，3种不同密度等级的泡沫水泥相对极限剪切应力比较接近，水灰比为0.6时，500kg/m3的泡沫水泥相对黏度和相对极限剪切应力有大幅度的下降。可见自流平泡沫水泥的流动性随着水灰比增大而降低，对于不同密度等级的自流平泡沫水泥，有其最佳的水灰比，对于500 kg/m3泡沫水泥，最佳水灰比为0.6，对于300、400 kg/m3泡沫水泥，最佳水灰比为0.65。

2.1.3促凝剂对自流平泡沫水泥流变性能的影响

综合考虑泡沫水泥的力学性能和流变性能，在水灰比为0.5、密度为400 kg/m3、不掺减水剂条件下，研究促凝剂掺量对泡沫水泥流变性的影响，结果见图4。

图4　不同促凝剂掺量下自流平泡沫水泥的流变性

由图4可见，促凝剂掺量小于1%时，少量促凝剂导致泡沫消泡，实际水灰比略高于设计水灰比，相对黏度和相对剪切应力比未掺促凝剂条件下稍有降低；当促凝剂掺量为1%时，相对极限剪切应力为14.533N·mm，相对黏度为0.0285N·mm·min，均达到了最低值；随着促凝剂掺量进一步增加，相对极限剪切应力和相对黏度明显增大，同时自流平泡沫水泥浆体的流动性大大降低，这是由于促凝剂掺量增加，加速了水泥水化反应，故流变性发生明显变化，对水泥浆体的流变性能产生不利影响。

2.1.4减水剂对自流平泡沫水泥流变性能的影响

课后的任务布置环节只有一项，用写作平台上传作文，要求每位学生在规定时间内写（上传）一篇不少于150字的以“我的母亲”为题的叙述性描写类文章。下节课上课前，由同伴互评，小组评选一份“佳作”，下节课课上展示。

在水灰比为0.5、密度为400 kg/m3、不掺促凝剂条件下，研究减水剂掺量对泡沫水泥流变性的影响，结果见图5。

由图5可见，随着减水剂掺量从0增大到0.16%，相对极限剪切应力从21.713N·mm降低至13.646N·mm，降低了37.2%，相对黏度先减小后增大。由于较低掺量减水剂的减水作用使得浆体的相对黏度降低，当减水剂掺量超过0.08%，聚羧酸减水剂表现出明显增黏效果。出现这种现象的原因是聚羧酸高效减水剂具有“梳型”分子结构，可以吸附在水泥颗粒表面形成空间梳装状排列，依靠吸附粒子间静电斥力作用而产生较强的减水作用，使水泥颗粒相互分散，絮凝结构破坏，释放出被包裹部分水，从而有效增大混凝土拌合物理的流动性，降低极限剪切应力与相对黏度；而当减水剂掺量增大后，“梳型”分子结构形成网络结构，严重影响了水泥的流动性。综合来看，减水剂的掺入对于改善低密度泡沫水泥浆体的流变性有重要作用。

图5　不同减水剂掺量下自流平泡沫水泥的流变性

2.2自流平泡沫水泥力学性能影响因素研究

2.2.1水灰比对自流平泡沫水泥力学性能的影响

水灰比不仅影响泡沫水泥浆体的流变特性及制备过程泡沫的破坏程度，还对水泥凝结硬化产生重要影响[6]。水灰比对不同密度（300、400、500kg/m3）泡沫水泥抗压强度的影响见图6。

由图6可见，在试验范围内，不同密度泡沫水泥的抗压强度，随着水灰比的增大呈先提高后降低的趋势。当水灰比为0.6时，泡沫水泥的7d和28d抗压强度均达到最大值。由于低水灰比时浆体黏度较大，不利于气孔的均匀分布，而导致泡沫水泥的强度较低；水灰比过大，泡沫水泥浆体稠度低，形成气孔的阻力减小，大孔和连通孔的数量增加，导致气孔壁变薄，泡沫水泥的抗压强度降低[7]。通过力学性能对比，在流动度均不小于70 mm的条件下，水灰比为0.6时制备的泡沫水泥强度最高。

研究促凝剂掺量对400 kg/m3具有自流平效果（流动度大于70 mm）泡沫水泥抗压强度的影响，配合比和测试结果如表1所示。

图6　不同水灰比下泡沫水泥的抗压强度

表1　促凝剂掺量对400 kg/m3泡沫水泥抗压强度的影响

由表1可见，当促凝剂掺量从0增加到4%时，泡沫水泥的28 d抗压强度从1.3 MPa下降到0.6 MPa，下降了53.8%。促凝剂是影响泡沫水泥性能的一个重要因素，在水泥浆体中加入一定量的促凝剂，会使其凝结时间有很大程度的改善，硝酸盐类促凝剂在水泥基体的掺量超过一定限值后，会严重影响水泥基材料的强度[7-8]。这是由于随着促凝剂掺量的增加，泡沫水泥的相对黏度逐渐增大，泡沫混合均匀性变差，气孔变得不均匀，最终导致泡沫水泥强度的下降。由于本实验主要研究促凝剂对泡沫水泥强度影响规律，水灰比普遍较大，故400 kg/m3的泡沫水泥28 d强度普遍较低。

2.2.3减水剂对自流平泡沫水泥力学性能的影响

采用物理发泡法制备低密度泡沫水泥需要加入大量的泡沫，基体料浆黏度过大，不利于浆体与泡沫的混合均匀，基体料浆黏度过小，泡沫水泥料浆过稀容易发生离析，泡沫发生合并且破裂[8]。本试验研究了减水剂掺量对400 kg/m3具有自流平效果（流动度大于70 mm）泡沫水泥抗压强度的影响，配合比和测试结果如表2所示。

由表2可见，随减水剂掺量的增加，400 kg/m3泡沫水泥的7 d、28 d抗压强度先提高后降低，7 d抗压强度最高达到1.7 MPa。当减水剂掺量超过临界值（0.12%）时，因浆体流动性过大，出现泡沫和浆体离析，同时减水剂掺量过多，会导致混凝土的硬化过程变慢，进而使泡沫水泥的强度降低[5]。

表2　减水剂掺量对400 kg/m3泡沫水泥抗压强度的影响

3　结论

（1）对于不同密度的自流平泡沫水泥有其最佳的水灰比，500 kg/m3泡沫水泥的最佳水灰比为0.6，300、400 kg/m3泡沫水泥的最佳水灰比为0.65。

（2）在水灰比为0.5时，400 kg/m3自流平泡沫水泥中减水剂的最佳掺量为0.12%，减水剂掺量过多会出现分层现象。

（3）少量促凝剂的加入可以降低浆体的相对极限剪切应力和相对黏度，自流平泡沫水泥在水灰比为0.5时，本实验所用促凝剂的建议掺量为1%。

（4）自流平泡沫水泥的7d和28d抗压强度随水灰比和减水剂掺量的增加呈先提高后降低的趋势，这与普通泡沫水泥的强度变化规律一致。

[1]李娟，王武祥.大掺量粉煤灰泡沫混凝土的性能研究[J].粉煤灰的综合利用，2003（3）：34-35.

[2]王武祥.泡沫混凝土在房屋建筑中的应用[J].建筑材料，2001（2）：3-6.

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[4]尚红霞，胡社军.轻质泡沫混凝土砌块的特点及施工技术[J].新型建筑材料，2000（6）：41-43.

[5]管文.减水剂对泡沫混凝土性能的影响[J].新型建筑材料，2011（5）：46-49.

[6]赵怀霞，杨雷，罗树琼，等.外加剂对超轻质泡沫混凝土性能的影响[J].新型建筑材料，2015（1）：52-55.

[7]何立粮，杨立荣，张宝强.水灰比和外加剂对泡沫混凝土性能的影响[J].混凝土与水泥制品，2015（10）：71-73.

[8]牛云辉，卢忠远，严云，等.外加剂对泡沫混凝土性能的影响[J].混凝土与水泥制品，2011（3）：9-13.

Study on properties of self-leveling foamed cement

NIU Yunhui1，JIANG Jun2，ZHANG Yuping2，ZHAO Zhiqiang2
（1.State Key Laboratory Cultivation Base for Nonmetal Composite and Function Materials，Mianyang 621000，China；2.School of Materials Science and Engineering，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621000，China）

Foamed cement has been developing rapidly in the field of building insulation，foamed cement viscosity is large because of adding bubble into the slurry，usually needs artificial leveling operations after construction.according rheometer This paper will focus on mechanical properties and impact of admixture on rheological property as the change of water cement ratio and the admixture content under the condition of the 300～500 kg/m3.Results show that self-leveling foamed cement has best water-cement ratio under different densities，the best dosage of water reducing agent was 0.12%，recommended coagulant dosage is 1%，admixture of self-leveling foamed cement performance was consistent with ordinary foamed cement.

self-leveling，foamed cement，mechanical property，rheological property

TU528.2

A

1001-702X（2016）10-0102-04

国家专项研究发展计划项目（2016YFC0701004）

2016-08-24；

2016-10-10

牛云辉，男，1984年生，陕西宝鸡人，助教，主要从事先进建筑材料方向研究工作。