一种固废粉煤灰泡沫混凝土绿色建材性能研究

姚志荣,张全胜,薛鹏飞,刘俊国

(1.乌兰察布市城市管理综合行政执法局，内蒙古 乌兰察布 012000;2.乌兰察布市城市规划建筑设计院有限公司，内蒙古 乌兰察布 012000;3.内蒙古乾峰新型建材有限公司,内蒙古 乌兰察布 012000)

0 引言

绿色发展是新时代高质量发展的重要组成部分，习近平总书记在党的十九大报告中多次强调“绿水青山就是金山银山”的理念，推广使用绿色建材并提高建筑节能水平作为发展绿色建筑的途径之一，是实现绿色建筑的必要保证，同时也是推进新型城镇化建设、生态文明建设的主要抓手[1]。内蒙古自治区作为全国火力发电的主要省份之一，全区粉煤灰年总产生量近7 000万t，但综合利用率仅为30%左右[2]，远低于《关于“十四五”大宗固体废弃物综合利用的指导意见》中全国55%的平均利用率，大量固废就地堆存，给脆弱的草原生态带来巨大压力[3]。

泡沫混凝土作为一种绿色节能建材，兼具轻质、保温、耐火等特点，由于它在应用中存在强度偏低、开裂、吸水等缺陷[4]，为进一步提升泡沫混凝土的物理力学性能，研究学者们做了大量的研究工作。通过调配外加剂、掺入轻质材料等方式提升材料的热工性能[5-6]；通过掺入纤维解决泡沫混凝土存在的干燥收缩开裂问题[7-9]；通过在泡沫混凝土中引入填料，提高材料的密实性，达到提升其力学性能的目标[10-12]。尽管有大量提升泡沫混凝土材料性能的研究报道，然而掺入石英粉和石英砂提升泡沫混凝土抗压强度并基于灰熵分析法做讨论研究的报道较少。

基于以上论述，本试验研究以水泥和粉煤灰为胶凝材料，掺入石英粉和石英砂，采用化学发泡的方法制备泡沫混凝土，研究各因素对材料抗压强度的影响。

1 试验

1.1 试验原材料

普通硅酸盐水泥(42.5)，由筑安水泥厂生产，其化学成分及物理性质如表1，表2所示。Ⅱ级粉煤灰由乌兰察布市卓资发电有限公司生产，性能指标如表3所示；采用包头明商环保有限公司生产的石英砂和石英粉，细度分别为40目～70目、200目；聚羧酸高效减水剂，由内蒙古北腾工程材料有限公司生产，淡黄色液体，减水率37%；聚丙烯纤维，单纤长度12 mm，其物理性能指标如表4所示，稳泡剂选用羟丙基甲基纤维素HPMC，20万黏度，纤维、稳泡剂均由廊坊双森建材有限公司生产；采用由天津市大茂化学试剂厂生产的工业级双氧水，H2O2的质量分数为30%，二氧化锰，黑色无定形粉末；自来水。

表1 水泥各化学成分的质量分数 %

表2 水泥物理力学指标

表3 粉煤灰性能指标 %

表4 聚丙烯纤维性能指标

1.2 配合比设计

新型固废粉煤灰泡沫混凝土的原材料包括胶凝材料(水泥+粉煤灰)、集料(石英砂+石英粉)、水以及外加剂。原料的配比会直接影响材料的性能，研究水胶比、粉煤灰掺量、集料掺量对材料抗压强度的影响。本试验水胶比(质量比)选取0.4,0.45,0.5,0.55和0.6，粉煤灰掺量为10%,20%,30%,40%和50%，集料掺量为40%,50%,60%,70%和80%，其中石英粉与石英砂的质量比为7∶3，试验中所涉及的比例均为相对于胶凝材料的质量百分比，具体配合比设计如表5所示。

表5 试验配比参数及具体配比

1.3 制备方法

把水泥、粉煤灰、石英砂、石英粉、聚丙烯纤维使用电子天平按照配比用量精确称量后加入搅拌桶内使用手持式搅拌机充分均匀搅拌3 min～5 min，使干物料混合均匀；将聚羧酸高效减水剂和水均匀混合倒入搅拌桶内，以150 r/min～200 r/min的搅拌速率搅拌10 min，得到均匀料浆；依次把发泡剂双氧水(H2O2)、催化剂二氧化锰(MnO2)和稳泡剂羟丙基甲基纤维素醚(HPMC)加入搅拌桶内，以200 r/min以上的搅拌速率快速搅拌1 min，得到泡沫混凝土料浆；将搅拌完成的泡沫混凝土料浆倒入不同尺寸的试模静置24 h后，用手持式电锯切去高出试模高度的面包头，完成拆模，拆模后放到标准养护室中养护至规定龄期。

1.4 试验方法

1.4.1 干密度

依据中国建筑工业行业标准JG/T 266—2011 泡沫混凝土进行试验。试件的尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，每组试件逐块量取长、宽、高三个方向的长度值，取每个方向测量的平均值作为该方向的长度值并计算每块试件的体积V。使用HS841-6型电热鼓风干燥箱并调节其温度为60 ℃，烘干至前后两次相隔4 h的质量差不大于1 g，取出试件后放在干燥器皿内冷却至室温并用电子天平称取其烘干质量m0。试块干密度的计算公式如式(1)所示，每组试件的干密度值为3块试件干密度的平均值，精确至1 kg/m3。

(1)

其中，ρ0为试件干密度，kg/m3，精确至0.1；m0为试件烘干后质量，g；V为试件体积，mm3。

1.4.2 抗压强度

依据中国建筑工业行业标准JG/T 266—2011泡沫混凝土进行试验。试件的尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，首先，在测试前将试件放在60 ℃的HS841-6型电热鼓风干燥箱内烘干至前后两次时间间隔4 h质量差不大于1 g时的恒质量并测量其长度值计算试件受压面积A；其次，开启试验机，当上压板与试件接近时，缓慢调整使之均匀接触，根据试件不同强度等级合理调整其加压速度，连续均匀加荷，直至试件破坏并记录最大破坏荷载F；最后，利用式(2)计算得到试块的抗压强度，每组试件的抗压强度取3块的平均值，计算结果精确至0.01 MPa。

(2)

其中，f为试件抗压强度，MPa；F为试件破坏荷载，N；A为试件受压面积，mm2。

2 结果与分析

新型粉煤灰泡沫混凝土干密度和7 d,14 d，28 d抗压强度试验结果见表6，针对得到的试验结果研究分析讨论水胶比、粉煤灰掺量、集料掺量对新型粉煤灰泡沫混凝土抗压强度的影响。

2.1 水胶比对抗压强度的影响

水胶比是影响新型粉煤灰泡沫混凝土材料的重要因素之一，为探究水胶比对新型粉煤灰泡沫混凝土抗压强度的影响，固定纤维、外加剂等因素不变，根据表6抗压强度试验结果绘制水胶比与抗压强度关系图(如图1所示)。由图1可知，随着水胶比的增加，新型粉煤灰泡沫混凝土7 d,14 d和28 d抗压强度呈现出先提升后降低的趋势，水胶比(质量比)在0.5时，对应的抗压强度试验值最大，主要原因是水胶比太低，料浆稠度太大，造成发泡形成的孔径不均，强度较低，随着水胶比的增加这一情况得到改善，材料的抗压强度有所提升，但随着水胶比的继续增大，料浆就会出现逸出、冒泡的现象，强度降幅较大。

表6 干密度和抗压强度测试结果

为进一步研究新型粉煤灰泡沫混凝土28 d抗压强度与水胶比之间的定量关系，利用origin软件对试验数据进行非线性拟合，调用Origin Basic Functions类别，采用Gauss Amp函数进行拟合，试验值与拟合曲线如图2所示。新型粉煤灰泡沫混凝土28 d抗压强度与水胶比的函数关系式如式(3)所示，其相关系数R2=0.934 06，拟合程度良好。

f=-8 251.738 75+8 255.759 56exp[-0.5×((x-0.489 72)/7.840 74)2]

(3)

其中,f为新型粉煤灰泡沫混凝土28 d抗压强度，MPa；x为新型粉煤灰泡沫混凝土水胶比。

2.2 粉煤灰掺量对抗压强度的影响

粉煤灰作为辅助胶凝材料替代水泥不仅能够实现固废利用，还能一定程度上改善材料的性能，降低材料成本造价。根据表6抗压强度试验结果绘制粉煤灰掺量与抗压强度关系图(如图3所示)。由图3可知，随着粉煤灰掺量的增加，新型粉煤灰泡沫混凝土7 d,14 d和28 d抗压强度呈现出先提升后降低的趋势，7 d,14 d抗压强度在粉煤灰掺量30%时试验值达到最大，而28 d抗压强度在粉煤灰掺量30%时试验值达到最大，分析原因主要是粉煤灰等质量取代水泥，使得水化反应的速率降低，需要更长的时间完成凝结和硬化，而且合适掺量的粉煤灰能够提高材料的后期强度[13-15]。

为进一步研究新型粉煤灰泡沫混凝土28 d抗压强度与粉煤灰掺量之间的定量关系，利用origin软件对试验数据进行非线性拟合，调用Piecewise类别，采用PWL2函数进行拟合，试验值与拟合曲线如图4所示。新型粉煤灰泡沫混凝土28 d抗压强度与粉煤灰掺量的函数关系式如式(4)所示，其相关系数R2=0.999 78，拟合程度良好。

(4)

其中，f为新型粉煤灰泡沫混凝土28 d抗压强度，MPa；y为新型粉煤灰泡沫混凝土粉煤灰掺量。

2.3 集料掺量对抗压强度的影响

石英砂和石英粉作为集料掺入到新型粉煤灰泡沫混凝土中的目的就是提升材料的抗压强度，使得材料向着结构保温一体化方向发展。根据表6抗压强度试验结果绘制集料掺量与抗压强度关系图(如图5所示)。由图5可知，随着集料掺量的增加，新型粉煤灰泡沫混凝土7 d,14 d和28 d抗压强度呈现出先提升后降低的趋势，究其原因是缘于石英砂和石英粉重集料的特性以及其对于料浆填充孔隙并包裹表面，使得新型粉煤灰泡沫混凝土的密实性提升，但过量的石英砂和石英粉会对胶凝材料的水化反应具有抑制作用，减缓反应的进行，致使水化不完全。

为进一步研究新型粉煤灰泡沫混凝土28 d抗压强度与集料掺量之间的定量关系，利用origin软件对试验数据进行非线性拟合，调用Origin Basic Functions类别，采用Gauss Amp函数进行拟合，试验值与拟合曲线如图6所示。新型粉煤灰泡沫混凝土28 d抗压强度与集料掺量的函数关系式如式(5)所示，其相关系数R2=0.986 01，拟合程度良好。

f=3.814 71+0.589 07exp[-0.5×((z-73.010 78)/10.372 61)2]

(5)

其中，f为新型粉煤灰泡沫混凝土28 d抗压强度，MPa；z为新型粉煤灰泡沫混凝土集料掺量。

3 结语

1)随着水胶比的增加，新型固废粉煤灰泡沫混凝土7 d,14 d和28 d抗压强度呈现出先提升后降低的趋势，水胶比(质量比)在0.5时，对应的抗压强度试验值最大。

2)随着粉煤灰掺量的增加，新型固废粉煤灰泡沫混凝土7 d,14 d和28 d抗压强度呈现出先提升后降低的趋势，7 d,14 d抗压强度在粉煤灰掺量30%时试验值达到最大，而28 d抗压强度在粉煤灰掺量30%时试验值达到最大。

3)随着集料掺量的增加，新型固废粉煤灰泡沫混凝土7 d,14 d和28 d抗压强度呈现出先提升后降低的趋势，集料掺量为70%时，对应的抗压强度试验值最大。