粉煤灰泡沫混凝土抗冻性能研究

金明山，宋 杨，彭 飞，孙剑飞，丁 琳

(1.黑龙江农垦现代农业工程设计有限公司，哈尔滨 150090；2.黑龙江大学 建筑工程学院，哈尔滨 150080)

0 引 言

泡沫混凝土自重为普通素混凝土的一半左右，由于在性能上的突破和发展，国内外的许多研究学者都很重视其在土木领域的应用。泡沫混凝土具有废物利用、节能环保、价格低的特点，在泡沫混凝土的内部，因存在大量气泡形成多孔的结构而与众不同，泡沫混凝土在具有保温性好，隔音效果好，防腐防潮等的同时，也有一些弊端和不足，如强度较低、容易开裂、易吸水等。因此，改善泡沫混凝土的性能，还需在掺入料、发泡剂、配合比、工艺流程等方面做更进一步的研讨[1-3]。寒区泡沫混凝土抗冻性能等方面研究成为热点。

一般混凝土在工程上的使用，都会掺入一些矿物料来改善性能上的缺陷。如加入粉煤灰可以改善混凝土自身存在的一些弊端，保证混凝土的质量，提高抗冻性，还可以节约材料，减少水泥的使用[4-6]。加入各种掺合料后，混凝土的许多特殊性能得到很大改进。但建筑物在施工使用中的温度等外界因素不可控制，外界环境温度不稳定(过高或过低)，会使混凝土的强度受到大幅度的折减，降低使用率。在冬季，温度多在0℃以下，遭受冻融循环的次数较多，这些都对混凝土强度损失产生较大的影响。因此，对于材料在温度变化下的性能研究非常有必要，通过研究发现抵抗温度变化的最佳配合比及冻融循环对泡沫混凝土产生的影响。

1 试 验

1.1 试验原料

试验采用天鹅牌42.5级普通硅酸盐水泥、硅灰、粉煤灰(研磨一级)、母料、纤维(掺入1%左右)、过氧化氢(发泡剂)、减水剂、自来水等。

1.2 试验设备

试验所用的主要设备见表1。

表1 试验所用主要设备

1.3 试验配合比

1-6号研究试块的配合比见表2。

表2 研究试块的配合比

1.4 试块的制作及其养护

依据试验规范，首先选择试块的形状和尺寸。试块尺寸有两种，分别是150 mm×150 mm×150 mm的正方体和100 mm×100 mm×400 mm的长方体。模具在使用前，周围要放置一层保鲜膜，有助于后期的脱模。搅拌时先加入粉煤灰、水泥、硅粉、纤维开始搅拌，由于小型的搅拌机由人为控制，所以搅拌要控制其力度与时间。随后加入水和减水剂，搅拌一段时间后再加入母料和过氧化氢。搅拌至均匀发泡后，把桶内搅拌好的泡沫混凝土倒入事先准备好的模具中，保证试验的准确性。为了避免空气等外界因素对试块的影响，在倒入泡沫混凝土后的模具上覆盖一层保鲜膜来隔绝氧气，避免受潮氧化等反应的发生；待试块稍微成型有些强度后脱模，脱模后的试块放入保温室内进行标准养护，养护温度为20℃，湿度为98%，见图1。

图1 泡沫混凝土试块

1.5 试验设计

本文主要研究泡沫混凝土在冻融循环作用下其抗冻性能变化规律，即随着温度变化的次数发生改变，测定当泡沫混凝土的强度破坏消失时的冻融循环次数，次数越多说明经受冻融循环能力越强，即耐温度变化能力越强。通过对上述准备的不同粉煤灰掺量的试块进行试验，可以得到不同粉煤灰掺量下强度破坏时的冻融循环次数，从而找到抗冻性能最好的粉煤灰掺量[7]。

图2 养护期的试块

2 试验分析

2.1 抗压强度试验

粉煤灰泡沫混凝土标准养护3、7、14和28 d，分别对不同养护时间粉煤灰泡沫混凝土进行抗压强度试验，得到不同粉煤灰含量和不同养护时间的抗压强度，见表3。

表3 抗压强度试验数据 /MPa

从表3可以看出,掺入粉煤灰后，泡沫混凝土的强度都会随粉煤灰的掺量增加有所降低；粉煤灰泡沫混凝土的早期强度较低，随着养护时间的增加，粉煤灰泡沫混凝土的强度增加幅度大，养护28 d单轴抗压强度达到最大。

2.1.1 强度受粉煤灰掺量的影响

见图3。

图3 粉煤灰掺量变化与泡沫混凝土单轴抗压强度的关系

为了分析粉煤灰掺量变化与泡沫混凝土单轴抗压强度的关系，图3给出了粉煤灰掺量分别为0%、10%、15%、20、25%、30%、35%、40%和45%时，龄期为3、7、14和28 d粉煤灰泡沫混凝土单轴抗压强度。由图3可知，不同龄期粉煤灰泡沫混凝土单轴抗压强度随粉煤灰掺量的增加都呈不同程度的下降趋势，并且掺入量越大，强度降低越多。在3 d龄期粉煤灰掺量对其抗压强度递减最小；养护14、28 d时，煤灰掺量对其抗压强度降低速率大。在养护天数较短、强度还未完全形成时，粉煤灰掺量对强度影响不大；而随着养护时间的增加，粉煤灰泡沫混凝土已经具有较高强度，特别是粉煤灰对强度影响较大，不掺粉煤灰的泡沫混凝土强度与粉煤灰掺入量最大的泡沫混凝土强度差别最大。由此得出，粉煤灰掺入量为0时，此时测出的泡沫混凝土强度为5.9 MPa，强度为最大值；掺入粉煤灰，强度逐渐减小，而且掺入越多，减小越多；减小程度与养护天数有关，养护时间越长，强度变化越明显。

2.1.2 粉煤灰泡沫混凝土强度与养护时间及粉煤灰掺量的关系

探究养护龄期及粉煤灰掺量对泡沫混凝土强度的影响，不同龄期、不同掺量粉煤灰与其抗压强度变化见图4。

图4 粉煤灰泡沫混凝土强度与养护时间及粉煤灰掺量的关系

从图4中可以看出，强度随养护时间的变化规律。不管粉煤灰掺量是多少，泡沫混凝土强度都会随养护时间的增加而呈现增强趋势。通过对比每一组柱状图变化可以得出，强度在前期变化大，后期变化小，即前期更大程度决定了泡沫混凝土的强度，后期强度也有增加，但较前期小。

2.2 冻融循环试验后的强度损失

本文主要研究的是泡沫混凝土受到不同冻融循环次数时，其强度的变化规律。采用的试验路线是将不同掺量的粉煤灰分别进行冻融循环试验，测定当强度破坏时冻融循环次数，从而得到冬季施工情况下的泡沫混凝土的最佳粉煤灰掺量。冻融循环试验见表4。

表4 冻融循环试验数据

由表4可以发现，对于不同掺量粉煤灰的泡沫混凝土强度被破坏消失时，可以承受的冻融循环次数各不相同。而且并不是呈现简单的递增或增减关系，而是呈折线关系，并有峰值的出现。

折线图可以将这种带有峰值的变化关系反映的更明显。从图5中可以看出，一开始直线有上升趋势，但并不是一直上升，而是上升至一定程度时，冻融循环次数出现最大值，然后直线又呈下降趋势，而且上升时与下降时的变化坡度大致相同，呈对称关系。所以可得出结论：粉煤灰掺量为15%的泡沫混凝土强度破坏时的冻融循环次数最多，即粉煤灰掺入量约为15%的泡沫混凝土，其抗冻融循环能力最强，抵抗温度变化的能力最好。

图5 粉煤灰掺量与抗冻性能的关系

3 结 语

1)温度变化对粉煤灰泡沫混凝土的强度有不同程度的影响。在外界环境适宜的条件下，当粉煤灰掺量为零时，测出的泡沫混凝土强度最高。

2)冬季温度低，冻融循环次数较多。针对不同粉煤灰掺量的泡沫混凝土，养护后用冻融循环试验机分别进行了冻融循环试验，结果表明当粉煤灰掺量为15%时的泡沫混凝土抗冻融循环能力最强。

3)比较掺入粉煤灰的试块，不掺粉煤灰的素泡沫混凝土测得的强度位于线段顶点(最大)。但考虑到冬季气候特点，冻融循环次数较多，粉煤灰掺入量为15%的泡沫混凝土较其他粉煤灰掺入量(10%、20%、25%、30%等)的泡沫混凝土强度更高，且抗冻融循环次数较多。