石粉泡沫混凝土应用研究

2018-11-23胡宏峡

新型建筑材料 2018年11期

胡宏峡

（中国水利水电第四工程局勘测设计研究院，青海西宁 810000）

0 前言

玉树地震灾后重建工程平均海拔4000 m左右，昼夜温差大，冬季气温低，年平均气温3.2℃，极端最低气温－27℃。为适应建筑物节能减排需求，重建工程屋顶保温层采用泡沫混凝土材料。

灾后重建期间，中水集团砂石场在生产人工骨料过程中产生大量石粉无法正常利用，如果直接拌在混凝土中将对其性能造成不利影响，直接排放则污染环境。通过研究认为，如果将产生的石粉收集起来，用于生产泡沫混凝土，则可以防止环境污染，节约水泥，降低泡沫混凝土的生产成本。

为了解决这一技术问题，查阅了国内外有关泡沫混凝土的技术资料。在原材料方面，国外主要以水泥为主，采用粉煤灰、矿粉等活性掺合料的很少，对于采用石粉等非活性掺合料生产泡沫混凝的情况，未见报到；在国内同样以水泥为主，对粉煤灰、矿粉等活性掺合料的应用研究比较多，对于采用石粉等非活性掺合料的，报道有个别单位利用石材加工废弃物石粉生产泡沫混凝土砌块的，但采用石粉生产现浇泡沫混凝土的未见报道。

进行该项目研究主要解决2方面问题：（1）通过选择适宜的水泥和高性能发泡剂，解决在高海拔、高温差及干燥环境条件下泡沫混凝土稳定性问题。（2）解决人工石粉在泡沫混凝土中应用。把石粉作为泡沫混凝土掺合料，通过试验选择适宜的配合比参数，配制满足性能要求的石粉泡沫混凝土。

本次试验研究依托玉树灾后重建工程，不仅可以达到上述目的，还可以解决当时灾后重建工程屋面材料缺乏的问题。另外，混凝土和泡沫混凝土、泡沫混凝土砌块的需求数量很大。用于生产混凝土的天然骨料越来越少，以后主要以人工破碎骨料为主，由此产生的石粉会越来越多，如果不能妥善处理将对环境造成不良影响。所以，利用人工骨料生产过程中产生的石粉，进行石粉泡沫混凝土和泡沫混凝土砌块方面应用研究很有必要。

1 试验

1.1 原材料

（1）水泥：P·O42.5水泥，其比表面积、安定性、凝结时间、强度、烧失量、SO3含量、MgO含量、氯离子、碱含量等指标检测结果均符合规范要求，青海金鼎水泥有限公司生产。

（2）石粉：中水集团砂石场位于玉树结古镇果青村，用于生产混凝土骨料的岩石主要由这里开采的浅灰色砂岩和浅绿色的砂岩或板岩组成，较坚硬，岩体呈碎裂结构，单轴抗压强度35～45 MPa，在生产人工骨料过程中产生大量石粉。经过测试，石粉密度2.74 g/cm3，与生产骨料的岩石视比重接近；比表面积为158 m2/kg，约只有水泥比表面积的1/2，主要是破碎骨料时产生的石粉，与水泥不同，没有经过进一步的磨细工艺，颗粒相对较粗；在水泥中掺入石粉后，凝结时间随石粉含量提高而延长。

（3）发泡剂：采用河南华泰建材有限公司生产的HTW-1型复合发泡剂，其密度和pH值依据GB/T 8077—2008《混凝土外加剂匀质性试验方法》，发泡倍数、泡沫沉降距和泡沫泌水量依据DGJ 32/TJ 104—2010《现浇轻质泡沫混凝土应用技术规程》进行测试，结果见表1。

表1 HTW-1型发泡剂的性能

1.2 发泡剂的选择

混凝土发泡剂是指能够降低液体表面张力，产生大量均匀而稳定的泡沫，用以生产泡沫混凝土的外加剂。发泡剂具有较高的表面活性，并在液膜表面双电子层排列而包围空气，形成气泡，再由单个气泡组成泡沫。国内目前使用的水泥发泡剂主要分为4种类型：松香发泡剂、合成类发泡剂、蛋白类发泡剂和复合类发泡剂。

在泡沫混凝土中，泡沫是形成泡沫混凝土的基础，发泡剂的性能对泡沫混凝土的质量影响极大，优良的发泡剂发泡量多，泡沫强度高，不易破碎，发泡水泥的稠度也易控制。发泡剂的质量主要体现在以下几个方面：（1）泡沫稳定性，质量好的发泡剂所制取的泡沫液膜坚韧，机械强度好，不易在浆体挤压下破灭或过度变形，具有自我保水性，液膜上的水分不易在重力作用及表面张力作用下流失，可长时间保持泡沫液膜的厚度和完整性，从而可使泡沫长间不破灭；（2）泡沫均匀性，制取的泡沫泡径不可能完全相同，但应基本相近，泡径范围应尽可能小，最好在0.1～1.0 mm之间；（3）泌水率，泡沫制出后，就逐渐向外泌水，泡沫泌水率低，才能更好地保证泡沫中的气泡数量和泡沫混凝土的气孔率，即保证泡沫混凝土的密度；（4）对胶凝材料无负作用，胶凝材料是泡沫混凝土强度的主要来源，有些发泡剂所制取的泡沫稳定性非常好，但加入胶凝材料后，会降低泡沫混凝土的强度，甚至丧失强度，所以要选用不对胶凝材料产生负作用的发泡剂。

HTW-1型复合发泡剂是用多种高分子成分制作的一种无污染的强力物理型发泡剂，其性能特点：易溶于水，泡沫丰富；发泡倍率高，泡沫细密均匀；沉降量低，泌水量小，性价比高。

1.3 石粉泡沫混凝土配合比设计方法

现阶段我国泡沫混凝土设计与施工一般通过经验或大量试验来实施泡沫混凝土应用，当然不利于泡沫混凝土质量控制和技术发展[1]。根据本课题研究内容，水泥-石粉-泡沫-水体系泡沫混凝土配合比设计关系见式（1）、式（2）：

式中：ρ干——泡沫混凝土设计干密度，kg/m3；

Sa——泡沫混凝土养护28 d后，各基本组成材料的干物料总量和制品中非蒸发物总量所确定的质量系数，对于普通硅酸盐水泥，取1.2；

Mc——1 m3泡沫混凝土水泥用量，kg；

Ms——1 m3泡沫混凝土石粉用量，kg；

Mw——1 m3泡沫混凝土基本用水量，kg；

φ——基本水料比，视施工和易性可作适当调整，一般情况下取0.5。

1 m3泡沫混凝土中，由水泥、石粉和水组成的浆体总体积为 V1，按式（3）计算，泡沫添加量 V2按式（4）计算。即配制单位体积泡沫混凝土，由水泥、石粉和水组成浆体体积不足部分由泡沫填充。

式中：ρs——石粉密度，测试结果为2740 kg/m3；

ρc——水泥密度，测试结果为3130 kg/m3；

ρw——水的密度，取1000 kg/m3；

V1——加入泡沫前，水泥、石粉和水组成的浆体总体积，m3；

V2——泡沫添加量，m3；

k——富余系数，通常大于1，视泡沫剂质量和制泡时间而定，主要考虑泡沫加入到浆体中再混合时的损失，对于稳定性较好的发泡剂，一般取1.1～1.3，本项目采用的HTW-1型发泡剂质量较好，取1.1。

泡沫剂用量 Mp按式（5）、式（6）计算：

式中：My——形成的泡沫液质量，kg；

ρ泡——实测泡沫密度，测试结果为33 kg/m3；

Mp——1 m3泡沫混凝土中发泡剂质量，kg；

β——发泡剂稀释倍数，厂家资料推荐稀释70倍，针对玉树高海拔高温差地区，空气干燥、气压相对较低的情况，为提高泡沫稳定性，发泡剂稀释倍数为50倍。

1.4 不同石粉掺量对泡沫混凝土性能的影响

为了研究掺加石粉对泡沫混凝土影响情况，进行不同掺量石粉对泡沫混凝土性能影响试验。以密度等级为D400泡沫混凝土为基准，基本水料比按0.50，发泡剂按50倍稀释，形成的泡沫密度实测为33 kg/m3，石粉取代水泥掺量依次为0、10%、15%、20%、25%、30%。按照上述配合比设计关系式计算配合比，生产工艺流程见图1。拌合物性能试验主要为湿密度、流值、凝结时间以及拌合物外观等。干密度和抗压强度试验均成型100 mm×100 mm×100 mm立方体试件，进行标准养护，抗压强度在不同规定龄期时分别测试，干密度在标养28 d后进行测试，试验采用电热鼓风干燥箱，首先在（60±5）℃下保温24 h，然后在（80±5）℃下保温 24 h，再在（105±5）℃下烘干至恒重。不同石粉掺量泡沫混凝土的拌合物性能、干密度和抗压强度试验结果见表2。

图1 泡沫混凝土生产工艺流程

表2 不同石粉掺量泡沫混凝土的拌合物性能、干密度和抗压强度试验结果

从表2可以看出：

（1）掺石粉后泡沫混凝土的干、湿密度均稍有降低，不同石粉掺量湿密度为 513～532kg/m3，28d 干密度为 388～404kg/m3。

（2）不同石粉掺量泡沫混凝土的流值为152～184 mm，石粉掺量提高，拌合物流值降低，说明石粉吸水率较高，需水比较大。

（3）不掺石粉泡沫混凝土的初凝时间为20.7 h、终凝时间31.3 h；随石粉掺量增大，拌合物初、终凝时间均延长，当石粉掺量超过25%时，泡沫混凝土初、终凝时间急剧延长，说明石粉掺量不宜超过25%。

（4）石粉对泡沫混凝土强度有较大影响，随石粉掺量增大，泡沫混凝土强度降低，尤其对高掺量短龄期强度影响显著，3 d抗压强度只有28 d强度的1/3左右，特别是石粉掺量超过25%时强度更低，当石粉掺量为30%时泡沫混凝土3 d龄期测不出强度，分析原因可能是凝结时间太长。到7 d龄期时，抗压强度才有较大提高，石粉掺量在25%以下时，抗压强度均可达到28 d的2/3以上。28 d龄期时，不掺石粉强度达0.82 MPa，掺30%石粉时强度只有0.49 MPa；石粉掺量在25%以下时，抗压强度均能达到不掺石粉强度的70%以上。

综合分析石粉掺量对泡沫混凝土凝结时间和抗压强度的影响，说明石粉最多不宜超过25%。针对玉树高原地区气温相对较低、温差较大的环境条件，石粉掺量以10%～20%较为合适，本研究对20%以下石粉掺量做进一步试验研究。

1.5 泡沫混凝土干密度与抗压强度和吸水率关系

泡沫混凝土配合比设计一般根据目标干密度来配制。通常泡沫混凝土密度越小，其保温性能越好，但强度越低；反之密度越大，其保温性能越差，但强度增长比较明显。现浇轻质泡沫混凝土主要应用于屋面和地面工程，常用干密度在300～900 kg/m3之间，干密度小于300 kg/m3时强度很低，难以用到工程中，大于900 kg/m3时保温性能优势不明显，同时也不经济。为此，本课题研究干密度为300～900 kg/m3泡沫混凝土的密度与抗压强度的关系。

随着建筑防火力度的加大，无机类保温材料将在建筑节能领域越来越受青睐。泡沫混凝土具有轻质、保温、隔热、耐火、施工方便等特性，在建筑节能领域将发挥越来越重要的作用。但是，泡沫混凝土的吸水率较高，吸水后其保温效果急剧下降；在寒冷天气条件下，则会因冻融而造成强度降低和结构的破坏，严重影响泡沫混凝土的耐久性[2]。混凝土吸水率一般分为质量吸水率和体积吸水率。对于材料的耐久性能的影响一般用质量吸水率来衡量，对于材料保温性能的影响大多用体积吸水率来衡量。所以，在研究泡沫混凝土干密度与抗压强度关系时，必须探讨干密度与吸水率的关系。

将发泡剂按50倍稀释，形成的泡沫密度实测为33 kg/m3；石粉取代水泥掺量分别为0、10%、15%、20%，基本水料比按0.50，泡沫混凝土设计干密度 ρ干分别取 300、400、500、600、700、800和900 kg/m3，根据以上参数计算不同石粉掺量和不同干密度时的配合比。

从拌合物性能试验结果来看，不同密度等级泡沫混凝土的湿密度一般为设计干密度的1.2～1.3倍，流值为160～180 mm。试验成型3、7和28 d龄期抗压强度试件，同时成型干密度和吸水率试件。干密度和抗压强度试验均成型100 mm×100 mm×100 mm立方体试件，养护至规定龄期时测试抗压强度。干密度的试件标养28 d后进行测试。吸水率、抗压强度与干密度的关系曲线见图2～图3。

图2 泡沫混凝土吸水率与干密度的关系曲线

图3 泡沫混凝土抗压强度与干密度的关系曲线

从图2可以看出，未掺和石粉掺量为20%泡沫混凝土的质量吸水率为8%～22%，吸水率随着干密度减小而增大；体积吸水率在6%～11%之间，但受干密度影响不大。

从图3可以看出，在制备工艺相同的前提下，不同石粉掺量泡沫混凝土各龄期抗压强度与干密度具有良好的相关性，呈指数函数方程式，这些关系对于泡沫混凝土配合比参数选择和确定具有一定指导意义，也可以通过测试泡沫混凝土湿密度来控制泡沫混凝土的干密度，从而达到控制泡沫混凝土抗压强度和其它各项相关性能的目的。

1.6 配合比设计及验证试验

结合玉树重建工程实际，泡沫混凝土主要用于楼顶、屋面等隔热保温部位，对材料保温性能有一定要求，泡沫混凝土的体积密度不能太大，要求采用干密度级别为300～500 kg/m3范围，强度等级在0.5～1.0 MPa范围。

为了保证隔热保温效果，泡沫混凝土配合比设计主要以密度等级为基准，同时满足强度指标要求。B03级泡沫混凝土的干密度以300 kg/m3为基准，最高不得超过350 kg/m3，强度不得低于0.5 MPa；B04级干密度以400 kg/m3为基准，最高450 kg/m3，最低 350 kg/m3，强度不得低于 0.7 MPa；B05 级干密度以 500 kg/m3为基准，最高 550 kg/m3，最低 450 kg/m3，强度不得低于1.0 MPa。施工配合比设计需要考虑材料的不均匀性，材料质量具有一定波动性，配制强度应满足式（7）要求：

式中：qu—泡沫混凝土试配抗压强度，MPa；

qc—泡沫混凝土设计抗压强度，MPa。

各级别泡沫混凝土配制强度qu计算如下：

B03 级别：qu≥1.05×0.5=0.53 MPa；

B04 级别：qu≥1.05×0.7=0.74 MPa；

B05 级别：qu≥1.05×1.0=1.05 MPa。

根据泡沫混凝土石粉掺量与性能关系试验结果、干密度与抗压强度和吸水率关系试验结果，选择石粉掺量按15%和20%设计配合比。根据干密度与抗压强度回归方程：

石粉掺量 15%：y28d=0.1752e0.0037x，或 x=270.3ln（y28d/0.1752）

石粉掺量 20%：y28d=0.1662e0.0038x，或 x=263.2ln（y28d/0.1662）

计算各级泡沫混凝土干密度，进行配合比计算，提出的石粉泡沫混凝土施工配合比见表3，对不同等级配合比进行了复核试验，结果见表4。

表3 掺石粉泡沫混凝土施工配合比

表4 掺石粉泡沫混凝土配合比验证试验结果

由表4可以看出，各配合比拌合物的性能满足施工要求，硬化后各项性能指标均满足相关技术要求。

2 石粉泡沫混凝土施工应用

随着石粉泡沫混凝土研究进展，于2012年6月中旬开始在中水集团各工区承建的农牧民住房和公建项目屋面和楼面等保温层中开始应用，采用的等级为B03和B04。到2012年10月底，共浇筑石粉泡沫混凝土7.72万m2。施工过程中对使用的石粉泡沫混凝土进行现场抽样，检测项目为湿密度、抗压强度和干密度等，检测结果均满足设计要求，见表5。