轻质煤矸石泡沫混凝土的强度研究★

李月香，马军霞，李超刚

(1.河北工程技术学院，河北 石家庄 050000； 2.河北浚源工程勘察设计有限公司，河北 石家庄 050000)

泡沫混凝土具有质轻、保温、抗震性能好可减少噪声以及调节室内湿度的优点，目前已经在建筑中广泛应用[1]。一般的泡沫混凝土多用早强型高标号水泥作为胶凝材料，也有加入少量的粉煤灰、矿渣等矿物掺合料的[2]。我们在试验中加入了粉磨后的煤矸石，掺入煤矸石之后，泡沫混凝土的工作性和力学性能与水泥泡沫混凝土相比不会出现明显的降低，甚至还有不同程度的优化，那么泡沫混凝土生产中加入煤矸石，当然是求之不得的好事，既能降低成本又可以利费减排，与我国政策相顺应。

我们知道煤矸石掺量对泡沫混凝土的流动性、成型时的体积稳定性、凝结时间、强度等性能都有影响。在标准养护条件下，通过调整合适的煤矸石掺量，可以解决早期强度低，易破损的问题。为了减少养护时间，提高强度，考虑了更换养护条件，结果发现在不同养护条件下，煤矸石掺量对泡沫混凝土强度的影响也是不同的。

1 实验部分

1.1 原材料

水泥：重庆法拉基水泥厂P.O52.5R硅酸盐水泥，其化学成分及性能见表1，表2。

表1 水泥的化学成分 %

煤矸石：重庆中梁山煤矿的煤矸石，破碎后，750 ℃煅烧2 h，磨细制得比表面积为971.6 m2/kg的活性煤矸石粉，其化学成分见表2。

表2 煤矸石的化学成分 %

石灰：重庆歌乐山山洞所产生石灰，磨细后使用。其有效CaO质量分数81.45%。

石膏：普通建筑石膏，四川眉山产，规格180目，CaSO4质量分数大于98%，执行国家标准GB 9776—88。

泡沫剂：合成泡沫剂，发泡倍数20左右，泡沫稳定性好，不出现泌水现象。

减水剂：FDN高效减水剂，掺量1.0%时，减水率为14%。

1.2 试样制备

按照所定的B04级泡沫混凝土的配合比见表3，称取原材料，先加入搅拌机混合均匀，再加入水(减水剂用水稀释后，与水一并加入)，同时用高速搅拌机制泡，将制成的泡加入浆体内，至搅拌均匀即可，搅拌时间不宜过长，会造成泡沫的损失。注模后在自然状态下放置48 h，然后拆模，再进行不同的养护。本文中所指的龄期均从成型之日起算，不是从养护之日起算的。试件规格为160 mm×40 mm×40 mm。

表3 B04级泡沫混凝土配合比

本次试验主要运用三种养护方法：1)标准养护，温度(20±3)℃，相对湿度90%；2)低温蒸汽养护，升温5 h，在125 ℃，0.12 MPa气压下恒定2 h,再自然降温，然后再标准养护；3)60 ℃温养，将试件密封，放入60 ℃的水浴箱中养护。

1.3 性能测试

抗折强度和抗压强度按照《泡沫混凝土标准》进行，在达到龄期后，把所测试的试件从养护条件下拿出，放置在25 ℃，相对湿度(60±3)%的环境中24 h，然后再进行相关的测试。

2 试验结果与分析

2.1 标准养护

标准养护下，试件的强度结果见表4。

表4 标准养护下强度

从表4中可以看出，在标准养护条件下，B04煤矸石泡沫混凝土的最大抗折强度是C∶CG为2.5∶1的一组，最大值为0.70 MPa，最小的是C∶CG为1∶5的一组，最小值为0.41 MPa；最大抗压强度为C∶CG为2.5∶1的一组，最大值为1.64 MPa，最小的是C∶CG为5∶1的一组，最小值为1.35 MPa。

随着煤矸石掺量的增加，泡沫混凝土3 d的抗折强度逐渐降低，煤矸石的质量分数最大的一组，3 d抗折强度只有0.20 MPa。随着养护龄期的增长，虽然各组试件的抗折强度也在不断的提高，但是增长率并不相同，到28 d时，C∶CG为2.5∶1的一组抗折强度最大达到0.70 MPa。这说明活化煤矸石的火山灰活性在早期并没有发挥多大的作用[3]，因此煤矸石的质量分数越高抗折强度越低，但是随着养护龄期的增长，活性煤矸石逐渐水化，同时也可以促进水泥的水化，从而试件的抗折强度也在增大。但是煤矸石的质量分数过高，则煤矸石未水化部分就越多，相对而言胶凝作用就少，抗折强度反而会降下来。

随着煤矸石掺量的增大，3 d和7 d的抗压强度逐渐降低，C∶CG为1∶5的一组3 d抗压强度只有0.34 MPa。随着养护龄期的延长，到14 d 时已经表现出C∶CG为2.5∶1的一组强度最高，水泥的质量分数高的泡沫混凝土的强度增长的并不大，反而煤矸石的质量分数高的混凝土后期强度增长很大。这主要是由于煤矸石的火山灰活性在生石灰和石膏的激发下发展的比较慢，而且泡沫混凝土的孔隙率大，由许许多多的泡沫构成，其强度主要由凝胶材料的自身性能决定。但是也并不是胶凝材料水化的越完全，水化产物越多，强度越高，而是以一定量的未反应颗粒构成骨架，水化产物作为胶结料，包裹在未反应颗粒的表面并填充其孔隙构成混凝土整体，其强度和其他物理性能才最好[4]。

2.2 低压蒸汽养护

低压蒸汽养护下，试件的强度结果见表5。

表5 低温蒸汽养护下强度

从表5中可以看出，泡沫混凝土在低压蒸汽养护条件下，抗折强度和抗压强度都有不同程度的提高。各组试件的3 d抗折强度已经超过0.60 MPa，3 d抗压强度超过了1.30 MPa，养护龄期到达28 d后，C∶CG为1∶5的一组抗折强度最大达到0.94 MPa，此组的抗压强度也最大为3.09 MPa。

在低压蒸汽养护条件下，泡沫混凝土的强度增长趋势与在标准养护下的截然相反，无论是3 d还是28 d龄期，随着煤矸石量的增加抗折强度不断增大，而且这五组试件28 d抗折强度比3 d的提高的都不太大，更甚者C∶CG为1∶5的一组28 d抗折强度出现了比7 d强度降低的现象，但是在此养护条件下的3 d抗折强度已经超过了标准养护下28 d的相应强度。

在不同龄期，煤矸石泡沫混凝土的抗压强度都是在随着煤矸石掺量的增加而增大，而且各组的抗压强度随着养护龄期的延长，强度的增长并不太明显，C∶CG为1∶5的一组，其抗压强度与标准养护条件下的相比抗压强度提高了近两倍；而C∶CG为5∶1的一组强度最低1.39 MPa，与标准养护条件下相比并没有明显的提高，仅仅提高了早期的强度而已。由此可见，压强和温度较高的情况下，煤矸石的火山灰反应比较快而且较彻底[5]，煤矸石的二次反应消耗了富集在水泥水化产物周围的Ca(OH)2晶体，而且生成物附着在未反应的煤矸石颗粒上，界面结构更加致密，减少了硅酸盐水泥中界面区间隙和氢氧化钙富集对硬化浆体造成的不利影响[6]。可能由于蒸压时试件出现了微裂缝，在以后的养护中在裂缝间隙出现了钙矾石，钙矾石的膨胀使得28 d的强度反而有些降低[7]。

2.3 60 ℃温养

60 ℃温养状态下，试件的强度结果见表6。

表6 60 ℃温养下强度

从表6中可以看出，试件在60 ℃温养状态下，其抗折强度和抗压强度都要比标准养护状态下大，最大的抗折强度和抗压强度分别为0.91 MPa(C∶CG=1∶1)和3.01 MPa(C∶CG=1∶5)，而且，3 d的抗折强度和抗压强度已经达到28 d的80%左右，7 d的可以高达90%多。

在60 ℃温养条件下，泡沫混凝土的抗折强度是先上升后下降，C∶CG为1∶1的最高，可达0.91 MPa，尽管3 d强度要较低压蒸汽养护下要略低一些，但还是比标准养护下的高近1/2，28 d的抗折强度与低压蒸汽养护下的相近。而且3 d到7 d 的增长率比7 d到28 d的增长率还要高。

在60 ℃温养条件下，煤矸石泡沫混凝土的抗压强度随着煤矸石掺量的增加而增大，与低压蒸汽养护条件下的规律近似，但3 d和7 d龄期时C∶CG为1∶5的一组强度并不比C∶CG为1∶2.5的高，反而要低一些。由此可见，煤矸石在60 ℃状态下，二次火山灰反应也是比较快比较充分的，虽然比不上低压蒸汽养护但是也要比标准养护在早期强度方面有明显的提高。

3 结语

1)泡沫混凝土中用部分煤矸石替代水泥，不仅对泡沫混凝土的孔隙结构有优化作用，而且提高了物理机械性能，但替代量与所采用的养护方式主要与温度有关。

2)煤矸石在60 ℃或者更高的温度下，火山灰二次反应的速度会加快，且反应的越充分，生成产物与偏高岭土的水化产物相似。

3)在标准养护下时，C∶CG=2.5∶1的一组强度最高，在低压蒸汽养护下时，C∶CG=1∶5强度最高，而在60 ℃温养时，C∶CG=1∶2.5的一组的强度最高。

4)提高养护温度，对煤矸石泡沫混凝土的早期强度有明显的提高，可以改善早期强度过低、易坏、养护周期长的不足。