工艺条件对加压发泡混凝土性能的影响

2021-07-01姜林伯廖洪强任国宏周冬冬

新型建筑材料 2021年6期

姜林伯，廖洪强，任国宏，周冬冬

(1.山西大学，资源与环境工程研究所，国家环境保护煤炭废弃物资源化高效利用技术重点实验室，煤电污染控制及废弃物资源化利用山西省重点实验室，山西低附加值煤基资源高值利用协同创新中心，山西太原 030006；2.北京科技大学，北京 100083)

0 引言

近年来，节能保温建筑材料的开发和应用受到越来越多的关注，如何获得高强度、低密度的建筑保温材料一直是人们追求的目标，有关学者开展了大量研究工作[1-2]，主要是集中在原料配方中加入硅灰、粉煤灰玻璃微珠等，但会造成生产成本增加。廖洪强等[3]提出一种加压发泡的方法，可实现低成本获得高强度建筑保温材料，表现出较强工业应用前景。但是，加压发泡尚缺乏系统基础研究，尤其是缺乏工艺条件之间的关联优化规律研究。

本研究利用粉煤灰、电石渣、脱硫石膏作为原料，以铝粉为发泡剂，研究了加压发泡过程中不同压力、铝粉掺量、水灰比、发泡温度等工艺参数对发泡体强度、密度、塌模特性以及脱模时间的影响，以期为加压发泡技术的工业应用提供参考。

1 实验

1.1 实验原料

粉煤灰：煤粉炉粉煤灰，粒径D50=15.61 μm，长治市某发电厂；电石渣：山西某化工厂；脱硫石膏：长治市某电厂；铝粉：发泡剂，银灰色松散颗粒状，市售。主要化学成分见表1。

表1 原材料的主要化学成分 %

1.2 仪器及设备

玻璃恒温水浴锅、搅拌机、加压发泡装置、水热养护箱、水泥蒸压釜、电热恒温鼓风干燥箱、切割机、恒应力压力试验机、高清照相机。

加压发泡装置为自主研制。其原理为：在发泡浆体的模具上方设置加压装置，该加压装置主要由下承压板、弹簧、弹簧导杆、压力计、上承压板、上承压板定位导柱、定位导柱、手摇式升降机构和模具托盘组成，如图1 所示。

图1 加压发泡装置

实验时，先将装有料浆的模具放于加压发泡装置下方，手摇右侧摇杆调节下承压板高度，使承压板进入模具中设定位置，当浆体发泡体积膨胀时，浆体膨胀力作用在承压板上，承压板压缩弹簧，弹簧产生向下的压力，使浆体在加压条件下进行发泡，压力计再测试出承压板所受的向上膨胀力，也就是浆体发泡所受的下压力。

1.3 实验方法

按 m(粉煤灰)∶m(电石渣)=7∶3 称取总量 600 g，外掺脱硫石膏5%(30 g)，养护箱设定温度，将模具刷油、盖上保鲜袋、放入养护箱预热；加入适量水并调节搅拌机转速为1000 r/min，缓慢加入粉煤灰制成粉煤灰浆料，之后保持转速不变加入电石渣、脱硫石膏及剩余水，提高转速至3000 r/min，匀速搅拌3 min；称取铝粉并加入铝粉质量10 倍的水搅拌均匀制成铝液，然后加入浆料中搅拌30 s，迅速倒入提前预热的模具中，并用加压装置进行加压发泡，待加压结束用保鲜膜封好模具，放入水热养护箱中进行静养初凝，静养结束后，取出脱模，并将脱模试块放入压蒸釜中进行蒸压养护(升温至200 ℃蒸压6 h，釜内压强1.25 MPa)。蒸压养护结束后，将试块放入干燥箱中烘干，之后用切割机将试块的六面切割平整，制成标准试块，测试绝干密度与抗压强度。实验工艺流程如图2 所示。

图2 实验工艺流程

1.4 性能测试

本实验在固定粉煤灰、电石渣和脱硫石膏原料量及配比前提下，研究发泡压力、铝粉掺量、水灰比、发泡温度等对发泡体塌模特性、静养时间、绝干密度和抗压强度的影响规律。试块的绝干密度、抗压强度参照JC/T 1062—2007《泡沫混凝土砌块》进行测试。同时，通过相机拍照方法，测试不同工艺条件下所得试块断面的孔结构特征。

2 结果与讨论

2.1 发泡压力对试块性能的影响

实验铝粉掺量(按占粉煤灰和电石渣总质量计)为0.1%，水灰比0.5，发泡温度50 ℃，养护箱温度设定为70 ℃。浆体在注模后随即进行加压发泡，加压时间20 min，分别施加0、5、10、15、20 N 的压力，再进行水热静养与蒸压养护，发泡压力对试块的抗压强度和绝干密度的影响见表2。

表2 发泡压力对试块抗压强度和绝干密度的影响

由表2 可知，当施加发泡压力后，试块的抗压强度与密度均明显提高。与常压发泡相比，发泡压力达10 N 时，抗压强度从3.1 MPa 提高到10.4 MPa，提高幅度高达235.5%；绝干密度从533.3 kg/m3提高到824.7 kg/m3，增幅为54.6%，强度提高幅度约为密度增加幅度的4.3 倍。发泡压力达到15 N 和20 N时，抗压强度分别为8.7、8.9 MPa，较压力为10N 时分别降低了1.7、1.5 MPa，而对应绝干密度则增加不明显，增加幅度约为3%。实验结果表明，浆体在适当压力下发泡，可显著提高试块的抗压强度，但同时绝干密度也一定程度的增加，当浆体发泡压力进一步提高时，试块的抗压强度反而有所降低，但此时的绝干密度则变化不大。通过观察发现，在加压发泡过程中，浆体发泡受到压力作用，使得浆体中少部分水分析出，导致浆体实际水灰比有所降低，使得试块的抗压强度与绝干密度共同提高。

实验采用高清相机对不同发泡压力下试块的横截面进行放大观察，拍摄高度20 cm，放大倍数为10 倍，照片见图3。

图3 不同发泡压力下所得试块断面结构

从图3 可以看出，与常压发泡试块相比，加压会使试块气泡孔径明显变小，孔壁结构更加均匀致密，连通孔也较少，这必然导致试块的抗压强度与绝干密度提高。当压力更高时，试块的孔径并没有明显的继续变小，这使得试块的密度没有更大幅度的增加，另外，压力的增大可能会使水分更多的挤出，导致试块的胶凝性降低，使其抗压强度下降，具体机理有待进一步研究。

2.2 铝粉掺量对加压发泡试块性能的影响

铝粉是发泡混凝土常用的发泡剂，铝粉掺量会直接影响发泡混凝土的发气量、孔隙率、干密度和抗压强度，尤其是在铝粉掺量较大的情况下[4-5]。本实验设计了在水灰比为0.5、发泡温度50 ℃、养护温度70 ℃、加压时间20 min 的条件下，发泡压力分别为0、10 N，铝粉掺量分别为0.1%、0.3%、0.5%、0.7%和0.9%对试块抗压强度、绝干密度及塌模情况的影响。见表3。

由表3 可知，常压发泡时，铝粉掺量到0.3%时浆体即出现塌模现象，而在10 N 压力下发泡，铝粉掺量到0.9%后浆体仍未出现塌模现象，这说明加压发泡可显著抑制浆体塌模，有利于工业稳定生产。同时，随着铝粉掺量增加，加压发泡和常压发泡试块的抗压强度和绝干密度均降低。在加压发泡条件下，铝粉掺量从0.1%按照0.2%等量增加到0.9%时，试块的抗压强度分别降低约28%、24%、15%和9%，对应绝干密度分别降低约16%、13%、8%和5%，强度降低幅度明显高于密度的降低幅度，说明加压发泡时，应控制在较低的铝粉掺量下进行，这样有利于获得较高强度的试块。实验表明，当采用10 N加压发泡、铝粉掺量控制在0.1%～0.5%时，可获得抗压强度5.0～10.4 MPa，对应密度为 586.7～824.7 kg/m3的高性能发泡混凝土。

表3 铝粉掺量对加压发泡混凝土抗压强度、绝干密度的影响

10 N 加压发泡下，不同铝粉掺量所对应试块的微观结构如图4 所示。

图4 加压发泡情况下不同铝粉掺量所得试块的断面结构

由图4 可以看出，随着铝粉掺量的增加，试块内部的孔径明显变大，这是因为铝粉掺量增加，浆体产气量增大，试块内部发泡过程变得更为剧烈，泡孔体积增大，使得试块的密度与强度均降低。

2.3 水灰比对加压发泡试块性能的影响

何立粮等[6]研究发现，发泡混凝土料浆的水灰比会影响浆体的流动性、气孔孔径以及试块的抗压强度。周冬冬等[7]也通过实验得出，在水灰比较大的情况下，浆体发泡时间整体缩短，发泡倍率和发泡速度整体增大。水灰比较低时，发泡体积和发泡速度降低，发泡终止的时间也更长。

本实验在10 N 压力下加压发泡20 min，铝粉掺量为0.1%，发泡温度50 ℃，水热养护箱温度设定为70 ℃，同时设计与本实验相同条件下的常压发泡对比实验，考察水灰比分别为 0.50、0.55、0.60、0.65 及 0.70 时对试块抗压强度及绝干密度的影响，结果见表4。

表4 水灰比对试块抗压强度和绝干密度的影响

由表4 可见，随着水灰比的增加，常压和10 N 压力下发泡的试块的抗压强度与绝干密度均降低。对常压发泡而言，水灰比从0.50 按照0.05 等量增加至0.60 时，抗压强度分别降低约19%、28%和56%，对应绝干密度分别降低约4%、6%和8%，但水灰比达0.70 时，浆体出现了塌模现象；对10 N 加压发泡而言，水灰比从0.50 按照0.05 等量增加至0.70 时，抗压强度分别降低约6%、10%、24%和40%，对应绝干密度分别降低约0.8%、0.2%、5%和 11%，在水灰比为 0.50～0.60 时，加压发泡下试块的强度和密度降低幅度相对较小，平均降幅分别为8%和0.5%；而在水灰比为0.60～0.70 时，加压发泡下试块的强度和密度降低幅度相对较大，平均降幅分别为32%和8%。为了获得高强低密高性能试块，加压发泡的水灰比可控制在0.50～0.60。在其他实验条件相同的情况下，与常压发泡相比，加压发泡下的抗压强度与密度均增加，其中，抗压强度增加约80%，绝干密度增加约40%。在水灰比≥0.70 时，常压发泡出现塌模现象，而此时的加压发泡没有出现塌模，说明加压发泡能够有效提高试块强度，并抑制发泡浆体的塌模。

加压发泡下不同水灰比对应试块的微观结构如图5 所示。

图5 不同水灰比所得试块的断面结构

由图5 可以看出，水灰比较大，试块的孔径也较大，这是因为水灰比较大时，气体发泡所受的阻力不断降低，导致气泡孔径和浆体发泡倍率变大、发泡速率提高，发泡时间变短，这也是试块抗压强度与密度均降低的原因。加压20 min 后，试块已基本发泡完成，但水灰比较小的试块还在挤出小气泡，证明其发泡速度较慢，发泡终止的时间也较长。当加压30 min后，试块已基本发泡完成。

2.4 发泡温度对加压发泡试块性能的影响

发泡温度对发泡混凝土的发泡速度以及发泡效果有较大影响，发泡温度不仅影响浆体在发泡过程中的胶凝反应速度，同时还影响发泡过程的产气速度和气体膨胀体积[8]。适宜的温度可促进胶凝材料中钙矾石的生成，使发泡混凝土具有良好的力学性能[9]。为了探究加压发泡条件下发泡温度对试块性能的影响，本实验设计10 N 压力下加压发泡20 min，铝粉掺量为0.1%，水灰比为0.5，同时设计与本实验相同条件下常压发泡对比实验，发泡温度分别为24、50、70、90 ℃时对试块抗压强度和绝干密度的影响见表5。

表5 发泡温度对试块抗压强度和绝干密度的影响

由表5 可以看出，不论加压与否，随发泡温度升高，试块的抗压强度均呈现先提高后降低的趋势，且在发泡温度为50℃时，试块的抗压强度最高。对常压发泡而言，发泡温度从24℃按照约20 ℃等量升高至90 ℃时，对应抗压强度变化幅度分别为45.8%、-11.4%和-29.0%，对应绝干密度变化幅度分别为11.2%、-2.2%和19.2%，在养护温度为90 ℃时，试块密度明显增加，而强度明显降低，说明浆体出现了塌模现象；对10 N 加压发泡而言，发泡温度从24 ℃按照约20 ℃等量增加至90 ℃时，对应抗压强度变化幅度分别为67.7%、-16.3%和-9.2%，对应绝干密度变化幅度分别为6.4%、1.2%和1.0%。为了获得高强低密高性能试块，加压发泡的发泡温度可控制在50 ℃附近。

加压发泡下的不同发泡温度所对应试块的微观结构见图6。

图6 不同发泡温度所对应试块的断面结构

由图6 可以看出，当发泡温度从24 ℃升高到50 ℃时，试块气孔整体变化不大，但试块的结构变得更加致密，使得试块强度和密度增加。但发泡温度从50 ℃升高到70 ℃和90 ℃时，试块断面显示出更多的大孔结构和孔径分布不均的微观形貌，这说明发泡温度过高，发泡过于剧烈，易导致大气泡形成，使得试块孔结构分布不均匀，进而导致试块强度降低。

2.5 加压发泡与常压发泡对脱模时间的影响

脱模时间是发泡混凝土生产的重要指标，一般脱模时间缩短有利于提高生产效率，增加产能。实验固定铝粉掺量为0.1%，水灰比为0.5，发泡温度50 ℃，加压(10 N)发泡与常压发泡对脱模时间的影响见表6。

表6 加压发泡与常压发泡对脱模时间的影响

由表6 可见，在本实验条件下，对于常压发泡试块，水热养护的温度越高，脱模时间越短，且养护温度从50 ℃每隔10℃升高至90 ℃时，试块的脱模时间从420 min 缩短至50 min，变化幅度高达88%。但在90 ℃高温静养下，试块会出现塌模的情况。虽然静养温度升高有利于缩短脱模时间，但过高的养护温度不仅会提高成本，而且容易出现塌模情况。对加压发泡而言，50 ℃静养温度时对应脱模时间为60 min，仅为常压发泡静养脱模时间的1/7，大大提高了试块的生产效率。此外，加压发泡条件下，静养温度从50 ℃每隔10 ℃升高至90℃时，试块的脱模时间从60 min 缩短至35 min，变化幅度约42%。结果表明，与常压发泡相比，加压发泡可显著缩短试块的静养时间，大大提高生产效率。