粉煤灰、硅灰对泡沫混凝土力学性能的影响

李 甜

（南通市建筑科学研究院有限公司,江苏 南通 226000）

0 引言

水泥泡沫混凝土是一种多孔性墙体保温材料，内部含有大量气孔，具有轻质、保温、隔热、隔音等优越性能[1]。当前广泛使用的水泥泡沫混凝土，存在脆性大、强度低、吸水率高、抗冻及抗裂性能差等诸多缺陷[2]。新型墙体保温材料的发展方向是研制和发展一体化建筑保温材料，不但要求材料具有较小的干密度和良好的保温性能，同时还要求具有较高的抗压、抗拉性能，使得材料具有必要的承重和抗裂防震能力，还要求保温材料具有良好的与环境相适应的耐水、耐冻等性能。实践表明，掺入无机掺合料是改善水泥泡沫混凝土成型、力学以及相关物理性能的重要途径，开展无机掺合料改性水泥泡沫混凝土的研究具有重要的理论和实际应用意义。因此，本文将从抗压强度、混凝土结构两个方面就粉煤灰、硅灰这两种无机掺合料对泡沫混凝土力学性能的影响进行分析，以期对泡沫混凝土力学性能的改性实践起到参考作用。

1 试验材料和试验方法

1.1 原材料

（1）水泥：泡沫混凝土的抗压强度主要取决于水泥性能，不同性能的水泥制备的泡沫混凝土具备不同的稳定性。在综合考虑强度性能、材料成本的基础上，选择海螺P·O42.5水泥。

（2）发泡剂：选用的发泡剂包括合成类、动物蛋白、自制复合蛋白3种发泡剂，其中合成类发泡剂包括AOS、SDS、LAS。

（3）粉煤灰：选用的粉煤灰来源于某电厂，具体成分见表1。

表1 粉煤灰的化学成分

（4）硅灰：性能指标见表2。

表2 硅灰的性能指标

1.2 力学试验方法

制备边长为10cm的正方体试块，并测量试块的抗压强度，试验抗压强度取值为3个试块抗压强度的均值。值得注意的是，如果某试块的抗压强度值与均值的差值的绝对值＞均值，则应该剔除该试块，取剩余试块抗压强度测量值的均值作为试验抗压强度。

制备长为16cm、宽与高均为4cm的长方体试块，并测量试块的抗折强度，试验的抗折强度取值方法同抗压强度取值方法。

2 试验结果

2.1 粉煤灰对泡沫混凝土力学性能的影响

粉煤灰这一无机掺合料凭借“粉煤灰效应”，经常作为混凝土的改性材料[3-5]，其对混凝土力学性能的影响主要有以下几方面：

（1）粉煤灰的形态是玻璃微珠，将其加入混凝土后可以起到润滑混凝土的作用，一方面避免水泥在水化初期形成凝絮影响浆体的流变性，另一方面减少水的加入量，增强混凝土的强度，即粉煤灰的“形态效应”；

（2）SiO2与Al2O3是粉煤灰中的活性成分，可以和水泥中的Ca（OH）2产生水化反应，生成水化硅酸钙与水化铝酸钙，特别是水化硅酸钙，可以起到增强泡沫混凝土黏结力与强度的作用，进而提高泡沫混凝土的稳定性、耐久性，即粉煤灰的“活化效应”；

（3）泡沫混凝土是一种多孔水泥混凝土材料，粉煤灰颗粒可以起到泡沫混凝土泡沫细孔、孔隙的微填料作用，提高水泥机体的密实性与强度，即粉煤灰的“微集料效应”。

在粉煤灰掺入试验中，用粉煤灰对水泥进行等量替换，对配合比进行试验设计，试验结果具体见表3。

表3 粉煤灰对泡沫混凝土抗压强度的影响

从表3可以看出，不管是3d还是28d，泡沫混凝土的抗压强度与粉煤灰掺入比例呈负相关。

泡沫混凝土3d抗压强度随着粉煤灰掺入比例的加大而下降，是因为3d还处于水化前期，粉煤灰只能起到一定的“微集料效应”，不能充分发挥硬化反应作用，形成强度高的硬化石结构。而泡沫混凝土的抗压强度主要取决于水化产物，粉煤灰掺入量的增加就意味着水泥用量的减少，那么通过粉煤灰“活化效应”生成的水化硅酸钙与水化铝酸钙就相应减少了，从而导致泡沫混凝土抗压强度的降低。

泡沫混凝土28d抗压强度随着粉煤灰掺入比例的加大而下降，是因为在粉煤灰“稠化效应”的影响下，会导致泡沫混凝土的泡沫分布不均，进而导致泡沫混凝土结构的不均，即使水化硅酸钙与水化铝酸钙可以起到增加强度的作用，“微集料效应”可以起到增强基体密实性的作用，但不均的结构也会导致强度的下降，这一点从图1可以看出。另外，粉煤灰与水泥的水化反应相对水泥的水化反应较为滞后，28d时，经过自然养护，水泥已经水化充分，而粉煤灰的活化反应才开始明显显现。

图1 粉煤灰对泡沫混凝土结构的影响

总之，在自然养护条件下，掺入粉煤灰并不能实现泡沫混凝土抗压强度的提升。

2.2 硅灰对泡沫混凝土力学性能的影响

硅灰加入到水泥中，可以发生“火山灰反应”与“微填料效应”，提高泡沫混凝土基体的密实性，进而提高其抗压强度，并在水化初期快速和混凝土发生水化反应，提高其早期的抗压强度。

在硅灰掺入试验中，用硅灰对水泥进行等量替换，对配合比进行试验设计，试验结果具体见表4。

表4 硅灰对泡沫混凝土抗压强度的影响

从表4可以看出，不管是3d还是28d，泡沫混凝土的抗压强度与硅灰掺入比例呈负相关。

首先，泡沫混凝土的强度主要取决于水泥，同理于粉煤灰的掺入试验，随着硅灰掺入比例的增加，水泥的用量就会减少，这会导致泡沫表面的水泥浆厚度下降，不利于强度的提升；其次，同粉煤灰一样，硅灰掺入比例过大，也会产生较强的“粘稠效应”，导致泡沫分布不均，甚至形成水泥团块，导致基体结构的不均，影响基体的抗压强度，如图2所示。

另外，在掺入比例＜5%时，泡沫混凝土的抗压强度下降并不多，这是因为水泥用量减少导致的抗压强度下降，被硅灰水化初期的快速水化反应带来的抗压强度增强“调和”了，所以表现出抗压强度下降缓慢的现象。

总之，在自然养护条件下，掺入硅灰也不能实现泡沫混凝土抗压强度的提升。

3 结束语

粉煤灰和硅灰等掺合料常被用于水泥泡沫混凝土改性，本文做了相关研究，发现粉煤灰、硅灰掺加到泡沫混凝土中，会导致泡沫混凝土结构不均、水化产物减少，不利于泡沫混凝土抗压强度的提升。由此可见，粉煤灰、硅灰不宜作为泡沫混凝土力学性能改性的无机掺合料。