掺合料及发泡剂种类对承重泡沫混凝土性能的影响研究

沈阳，杜贵正，陈翔飞，冯兴国，曾诚，张海波，邱磊

（1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州311122；2.河海大学 港口海岸与近海工程学院，江苏 南京210098）

0 引言

近年来，随着绿色建筑和节能建筑的推广应用，对承重泡沫混凝土的需求日益增加。承重泡沫混凝土具有隔热保温、抗水减震的功能，作为承重墙体的砌筑材料可取代传统黏土砖，节约了大量黏土及矿山资源，保护了自然环境[1]。与传统混凝土相比，承重泡沫混凝土密度较低，能大大降低结构物自重，进而减少地基沉降。同时与普通泡沫混凝土相比，承重泡沫混凝土有足够的强度，满足结构物稳定性和各种建筑功能需求[2]。

学者们对泡沫混凝土的配合比[3-6]、原料配比[7-8]、孔隙结构[9-10]、隔热性能[11]等进行了广泛研究。总体而言，泡沫混凝土强度不足和吸水率偏高是阻碍其推广应用的关键问题，尤其是部分泡沫混凝土砌块构筑的墙体因强度不足导致后续装修时空调等家电悬挂困难。因此，研发强度更高且具有一定承重性能的泡沫混凝土具有广泛应用前景。目前，承重泡沫混凝土的发泡剂仍有待进一步研究，料浆中气泡失稳导致其凝结硬化后基体气孔分布不均，制约着泡沫混凝土强度的提高[12]。针对该问题，本文研究了掺合料和发泡剂对承重泡沫混凝土性能的影响，结果为研发承重泡沫混凝土提供参考。

1 试验材料及试验方法

1.1 试验材料

水泥：海螺牌，P·O42.5；掺合料：（1）砖粉，使用颚式破碎机破碎废弃砖块得到，直径为0.1～1.0 mm；（2）粉煤灰，来自电厂，Ⅰ级；试验所用的砖粉和粉煤灰如图1所示；发泡剂：十二烷基硫酸钠发泡剂（SDS）和动物蛋白发泡剂；稳泡剂：硬脂酸钙粉末。

图1 掺合料照片

1.2 试验方法

按照表1所示的配合比配制泡沫混凝土，其中发泡剂和稳泡剂按照胶凝材料的质量百分比进行添加。按照设计配合比进行泡沫混凝土拌制，将拌和后的浆体材料浇注到70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的模具中，用保鲜膜覆盖养护24 h后脱模，然后放进标准养护箱进行养护，在养护14 d和28 d后用万能试验机测试泡沫混凝土的抗压强度，并用扫描电镜观察泡沫混凝土的气孔结构和水化产物。

表1 泡沫混凝土的配合比

2 结果与讨论

2.1 掺合料对承重泡沫混凝土强度的影响

试验研究了不同掺量砖粉和粉煤灰对泡沫混凝土强度和密度的影响，结果如表2所示。

表2 不同掺合料制备承重泡沫混凝土的密度

由表2可以发现：（1）随着砖粉掺量增加，泡沫混凝土的密度有所提高，但抗压强度却明显降低；（2）随着粉煤灰掺量的增大泡沫混凝土的密度也有所提高，其抗压强度也有较大程度提高，尤其是B2组28 d的抗压强度达到了5.52 MPa；（3）在相同低掺量时（20%），砖粉泡沫混凝土的强度高于粉煤灰泡沫混凝土，而高掺量时（40%），粉煤灰泡沫混凝土的强度更高。结合表1的配合比可知，在提高粉煤灰掺量时适当降低水泥用量还可提高承重泡沫混凝土强度。因此，综合经济性分析可知，粉煤灰比砖粉更适于制备承重泡沫混凝土。

2.2 发泡剂对承重泡沫混凝土性能的影响

试验研究了十二烷基硫酸钠（SDS）发泡剂和动物蛋白发泡剂对泡沫混凝土抗压强度和密度的影响，如表3所示。

表3 不同发泡剂对承重泡沫混凝土性能的影响

由表3可见，使用动物蛋白发泡剂的A3组试样抗压强度明显低于使用十二烷基硫酸钠（SDS）化学发泡剂的A1组试样；用动物蛋白发泡剂的泡沫混凝土在密度更大的条件下，其抗压强度仅为使用十二烷基硫酸钠（SDS）发泡的泡沫混凝土的1/2左右。对于粉煤灰泡沫混凝土而言，使用动物蛋白发泡剂的B3组试样密度有所增加，但其抗压强度几乎是使用十二烷基硫酸钠（SDS）发泡剂的B1组试样抗压强度的4倍，最大强度可达10.91 MPa。因此，使用砖粉作掺合料的泡沫混凝土宜采用十二烷基硫酸钠（SDS）发泡剂；而使用粉煤灰作掺合料的泡沫混凝土宜采用动物蛋白发泡剂。按照m（水泥）∶m（粉煤灰）=4∶1，掺加2%动物蛋白发泡剂的B3组泡沫混凝土密度为1230 kg/m3，28 d抗压强度超过10 MPa，具有良好的综合性能，可用于生产承重泡沫混凝土。

2.3 承重泡沫混凝土的微观结构分析

在养护28 d后对不同掺合料掺量、不同种类发泡剂制备的泡沫混凝土进行扫描电镜分析，结果如图2、图3所示。

图2 采用砖粉作为掺合料的泡沫混凝土扫描电镜照片

图3 采用粉煤灰作为掺合料的泡沫混凝土扫描电镜照片

由图2可见，随着砖粉掺量的增加（A1和A2），板状、棒状的钙矾石等水化产物量明显减少，加上砖粉与水泥之间难以发生水化反应，因此，砖粉颗粒与水化产物之间的连接并不紧密。在采用动物蛋白发泡剂的砖粉泡沫混凝土中（A3），相对于化学发泡剂的A1试样其水化产物分布不均匀，因而其抗压强度低于A1试样。

由图3可见，在采用粉煤灰作为掺合料的泡沫混凝土中，随着粉煤灰掺量的增加（B1和B2）水化产物的含量明显增加，如表2所示，B2试样的抗压强度明显高于B1，这与粉煤灰颗粒与水泥水化产物进一步发生胶凝反应有关[1]。在采用动物蛋白发泡剂的泡沫混凝土中（B3），水化产物紧密包裹在粉煤灰颗粒周围，因此相对于采用十二烷基硫酸钠发泡的B1组泡沫混凝土试样，其抗压强度显著提高。

除水化产物外，气孔结构也对泡沫混凝土性能具有重要影响，为对比十二烷基硫酸钠（SDS）发泡剂和动物蛋白发泡剂对泡沫混凝土中气孔结构的影响，观察了2种发泡剂所制备粉煤灰泡沫混凝土的气孔结构，如图4所示。

图4 粉煤灰泡沫混凝土中B1、B3组试样气孔形态

由图4可以看出，采用十二烷基硫酸钠（SDS）发泡剂的B1组试样其气孔孔径分布不均，泡沫混凝土中有大量孔径在10 μm左右的气孔和少量约150 μm的超大孔隙；而采用动物蛋白发泡剂的B3组试样其气孔孔径则更加均匀，孔隙集中分布在50～100 μm，因而其宏观上体现出抗压强度提高的特性。因此，在制备粉煤灰承重泡沫混凝土时，采用动物蛋白发泡剂更为适宜。

3 结 论

（1）随着砖粉和粉煤灰掺量的增加，承重泡沫混凝土的密度都有所提高，但砖粉泡沫混凝土的抗压强度有所降低，而粉煤灰泡沫混凝土的抗压强度明显升高。在相同的低掺量（20%）时砖粉泡沫混凝土的强度高于粉煤灰泡沫混凝土，但高掺量（40%）时粉煤灰泡沫混凝土的强度更高。总体而言，粉煤灰更适宜作为掺合料用于承重泡沫混凝土的生产，可减少水泥用量，从而降低成本。

（2）十二烷基硫酸钠适宜用于砖粉泡沫混凝土的发泡，动物蛋白发泡剂适宜用于粉煤灰泡沫混凝土的发泡；在粉煤灰承重泡沫混凝土中，动物蛋白发泡剂的气孔比十二烷基硫酸钠发泡剂的气孔更加均匀。

（3）按照m（水泥）∶m（粉煤灰）=4∶1，采用2%动物蛋白发泡剂的泡沫混凝土密度为1230 kg/m3，28 d抗压强度为10.91 MPa，具有较为适宜的强度和密度。