微集料增强粉煤灰泡沫混凝土配合比试验*

郝贠洪，孙 浩，秦立达，邬卓轩，慈天义，郭晓梅

(1. 内蒙古工业大学 土木工程学院，呼和浩特 010051；2. 内蒙古自治区土木工程结构与力学重点实验室，呼和浩特 010051；3. 内蒙古自治区建筑检测鉴定与安全评估工程技术研究中心，呼和浩特010051；4. 中国新兴建筑工程有限责任公司，北京 100009)

0 引 言

针对大宗固废产生强度高、利用不充分、综合利用产品附加值低等突出问题，2021年3月多部委联合发布《关于“十四五”大宗固体废弃物综合利用的指导意见》，明确指出，到2025年，新增大宗固废综合利用率达到60%，存量大宗固废有序减少[1]。截至2018年，内蒙古自治区一般工业固体废弃物产生量2.87亿吨，综合利用量1.06亿吨，综合利用率36.75%[2]。促进大宗固废的绿色、高效、规模化利用，积极响应国家“双碳目标”的重大战略部署是实现内蒙古自治区绿色低碳循环发展的关键。

作为新型绿色节能材料，泡沫混凝土兼具轻质、保温、耐火等特点[3]。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[5-8]；通过掺入纤维解决泡沫混凝土存在的干燥收缩开裂问题[9-13]；通过在泡沫混凝土中引入填料，提高材料的密实性，提升材料的力学性能[14-16]；通过配制不同种类镁基盐，改变镁水泥水化反应后的水化产物来制备镁基盐泡沫混凝土[17-18]。尽管有大量提升泡沫混凝土材料性能的研究报道，然而有关微集料增强泡沫混凝土的研究报道却很少，尤其采用石英粉和石英砂增强泡沫混凝土的研究。

基于以上论述，本文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密度等级为A12的泡沫混凝土，研究各因素对材料抗压强度、抗折强度和导热系数的影响，通过正交试验确定材料的优化配比并建立主要影响因素与材料28 d抗压强度、抗折强度的关系模型，以期为后续的研究应用提供参考。

1 实 验

1.1 实验材料

水泥：冀东水泥有限公司的P.O42.5水泥；粉煤灰：内蒙古东华热电厂的Ⅱ级粉煤灰，其物理性能指标见表1。石英砂：40～70目石英砂，粒径450 μm。石英粉：200目石英粉，粒径75 μm。发泡剂：天津市大茂化学试剂厂生产的30%浓度过氧化氢(H2O2)溶液。催化剂：天津市大茂化学试剂厂生产的二氧化锰(MnO2)试剂。稳泡剂：上海臣启化工科技有限公司生产的羟丙基甲基纤维素(HPMC)，20万粘度。减水剂：陕西秦奋建材有限公司生产的聚羧酸系高性能减水剂，减水率37%。纤维：采用聚丙烯纤维，由廊坊双森建材有限公司生产，物理性能指标见表2。水：普通自来水。

表1 粉煤灰物理性能指标Table 1 Physical performance of fly ash

表2 聚丙烯纤维性能指标Table 2 Performance indexes of polypropylene fiber

1.2 配合比设计

1.2.1 单因素试验配合比设计

经过前期试验发现水胶比、粉煤灰掺量、微集料掺量对泡沫混凝土的抗压强度影响较大，为提升材料的基本力学性能设计密度等级为A12的泡沫混凝土，初设水胶比为0.4、0.5、0.6进行单因素试验探究粉煤灰掺量和微集料掺量改变对材料抗压强度的影响。本试验中涉及的比例均是相对于胶凝材料的质量百分比，胶凝材料包括主要胶凝材料水泥和辅助胶凝材料粉煤灰，试验中石英粉和石英砂统称微集料，两者掺量的质量比为7∶3，具体试验的配合比设计方案如表3所示。

表3 泡沫混凝土单因素配合比设计Table 3 Single factor mix design of foamed concrete

1.2.2 正交试验配合比设计

设计正交表L16(45)研究水胶比、粉煤灰掺量、微集料掺量、聚丙烯纤维掺量、减水剂掺量对材料抗压强度、抗折强度和导热系数的影响规律及显著性，具体试验的配合比设计方案如表4所示。

表4 泡沫混凝土L16(45)正交试验因素、水平Table 4 Orthogonal test factors and levels of foam concrete L16(45)

1.3 试验方法

1.3.1 制备过程

将水泥、粉煤灰、石英砂、石英粉与聚丙烯纤维加入搅拌桶内使用手持混凝土搅拌机干拌3 min；水和聚羧酸减水剂按设计配合比加入到干料中搅拌3 min，制成均匀的浆料；双氧水、二氧化锰、HPMC加入浆料，调整搅拌机的转速，使其达到120 r/min以上后快速搅拌2 min，待发泡料浆搅拌均匀后倒入100 mm×100 mm×100 mm和100 mm×100 mm×400 mm的模具中，静停90 min左右刮平表面静置24 h后拆模；拆模后放到标准养护室中养护至规定龄期。

1.3.2 性能测试

(1)干密度测试：依据《泡沫混凝土》(JG/T 266-2011)中的试验方法进行。

(2)抗压强度测试：依据《泡沫混凝土》(JG/T 266-2011)中的试验方法进行。

(3)抗折强度测试：参照《混凝土物理力学性能试验方法》(GB/T 50081-2019)中的试验方法进行。

(4)导热系数测试：使用JTRG-III型建筑热流计式导热仪测试。

(5)微观形貌测试：取微微集料增强粉煤灰泡沫混凝土试样内部断面，表面经过喷金处理后使用美国FEI生产 QUANTA 650 FEG进行场发射扫描电子显微镜(SEM微观形貌分析以及对其微观形貌进行表征。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果分析

不同水胶比的泡沫混凝土单因素试验结果分别如图1、2和3所示。

图1 水胶比0.4Fig.1 Water binder ratio 0.4

由图1可见，固定水胶比为0.4，改变粉煤灰掺量和微集料掺量，28 d抗压强度为11.32～15.15 MPa。粉煤灰掺量为20%时，随着微集料掺量的增加，抗压强度增长8.89%后减小4.86%；粉煤灰掺量为30%时，随着微集料掺量的增加，抗压强度增长11.64%后减小5.41%；粉煤灰掺量为50%时，随着微集料掺量的增加，抗压强度增长13.78%后减小8.77%。微集料掺量为40%时，随着粉煤灰掺量的增加，抗压强度增长3.98%后减小16.58%；微集料掺量为60%时，随着粉煤灰掺量的增加，抗压强度增长6.62%后减小14.98%；微集料掺量为80%时，随着粉煤灰掺量的增加，抗压强度增长5.99%后减小18.00%。

由图2可见，固定水胶比为0.5，改变粉煤灰掺量和微集料掺量，28 d抗压强度为14.58～18.52 MPa。粉煤灰掺量为20%时，随着微集料掺量的增加，抗压强度增长13.85%后减小4.75%；粉煤灰掺量为30%时，随着微集料掺量的增加，抗压强度增长11.23%后减小3.73%；粉煤灰掺量为50%时，随着微集料掺量的增加，抗压强度增长14.88%后减小4.84%。微集料掺量为40%时，随着粉煤灰掺量的增加，抗压强度增长5.85%后减小12.43%；微集料掺量为60%时，随着粉煤灰掺量的增加，抗压强度增长3.41%后减小9.56%；微集料掺量为80%时，随着粉煤灰掺量的增加，抗压强度增长4.51%后减小18.00%。

图2 水胶比0.5Fig.2 Water binder ratio 0.5

由图3可见，固定水胶比为0.6，改变粉煤灰掺量和微集料掺量，28 d抗压强度为10.45～13.08 MPa。粉煤灰掺量为20%时，随着微集料掺量的增加，抗压强度增长10.50%后减小5.81%；粉煤灰掺量为30%时，随着微集料掺量的增加，抗压强度增长13.15%后减小2.60%；粉煤灰掺量为50%时，随着微集料掺量的增加，抗压强度增长8.90%后减小4.83%。微集料掺量为40%时，随着粉煤灰掺量的增加，抗压强度增长4.62%后减小9.60%；微集料掺量为60%时，随着粉煤灰掺量的增加，抗压强度增长7.13%后减小13.00%；微集料掺量为80%时，随着粉煤灰掺量的增加，抗压强度增长10.78%后减小14.99%。

图3 水胶比0.6Fig.3 Water binder ratio 0.6

综上所述，材料的抗压强度随着水胶比、粉煤灰掺量、微集料掺量的增大所呈现的变化趋势为先增长后减小。水胶比为0.6时材料的抗压强度降幅最高达41.59%，下降的幅度较大，故材料的水胶比适宜范围为0.4～0.5。微集料掺量在60%～80%时材料的抗压强度下降幅度较小，故材料的微集料掺量适宜范围为60%～80%。粉煤灰掺量在30%～50%时材料的抗压强度下降幅度适中且满足经济绿色的要求综合考虑其适宜范围为30%～50%。

2.2 正交试验极差结果分析

2.2.1 各因素对抗压强度的影响

不同龄期泡沫混凝土抗压强度曲线如图4所示，极差分析结果如表5～7所示。

图4 抗压强度曲线Fig.4 Compressive strength curve

由表5可知：各因素对材料3 d抗压强度影响的主次关系为：水胶比>粉煤灰掺量>微集料掺量>聚丙稀纤维掺量>减水剂掺量，选取各因素使试验指标取得最大值的水平，确定材料3 d抗压强度的优化配比为A4B1C3D2E4。

表5 3 d抗压强度结果极差分析表Table 5 Range analysis of 3 d compressive strength results

表6 7 d抗压强度结果极差分析表Table 6 Range analysis of 7 d compressive strength results

表7 28 d抗压强度结果极差分析表Table 7 Range analysis of 28 d compressive strength results

由表6可知：各因素对材料7 d抗压强度影响的主次关系为：水胶比>微集料掺量>粉煤灰掺量>聚丙稀纤维掺量>减水剂掺量，确定材料7 d的抗压强度优化配比为A4B3C3D2E4，粉煤灰最佳掺量由30%增加到40%，主要由于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[19-20]。由表7可知：各因素对材料28 d抗压强度影响的主次关系以及确定的优化配比均与7 d相同。

2.2.2 各因素对抗折强度的影响

微集料增强粉煤灰泡沫混凝土28 d抗折强度曲线如图5所示，极差分析结果如表8所示，由表8可知：各因素对材料28 d抗折强度影响的主次关系为：水胶比>粉煤灰掺量>聚丙稀纤维掺量>微集料掺量>减水剂掺量，此与28 d抗压强度影响的主次关系略有不同，聚丙烯纤维掺量的影响显著性增强，说明纤维高弹性模量的特性对于提高材料的抗折强度有明显的效果。选取各因素使试验指标取得最大值的水平，确定28 d抗折强度的优化配比为A4B3C3D4E4。

图5 28 d抗折强度曲线Fig.5 28 d flexural strength curve

表8 28 d抗折强度结果极差分析表Table 8 Range analysis of 28 d flexural strength results

2.2.3 各因素对导热系数的影响

微集料增强粉煤灰泡沫混凝土导热系数曲线如图6所示，极差分析结果如表9所示，由表9可知：各因素对材料导热系数影响的主次关系为：水胶比>粉煤灰掺量>微集料掺量>减水剂掺量>聚丙烯纤维掺量，减水剂掺量和聚丙烯纤维掺量对于导热系数的影响较小。选取各因素使试验指标取得最大值的水平，确定导热系数的优化配比为A4B3C1D4E1。

表9 导热系数结果极差分析表Table 9 Range analysis of thermal conductivity results

图6 导热系数曲线Fig.6 Thermal conductivity curve

综合评价不同因素对抗压强度、抗折强度和导热系数性能指标的影响规律，最终得到微集料增强粉煤灰泡沫混凝土的优化配比为：A4B3C3D2E4。

2.3 关系模型

由正交试验极差分析可知水胶比、微集料掺量、粉煤灰掺量为微集料增强粉煤灰泡沫混凝土力学性能的重要影响因素，建立材料28 d抗压强度、抗折强度与主要影响因素的定量关系，为材料的研究应用提供参考。引入Poly 2D函数对微集料增强粉煤灰泡沫混凝土28 d抗压强度、抗折强度试验数据进行回归分析得到对应的关系模型，式中x为水胶比，y为微集料掺量，z为粉煤灰掺量，ai和bi(i=1、2、3、4、5、6)为系数，由回归分析得到。

微集料增强粉煤灰泡沫混凝土28 d抗压强度回归分析结果如图7所示，关系模型如式(1)所示，数据回归分析的相关系数为0.9513；28 d抗折强度回归分析结果如图8所示，关系模型如式(2)所示，数据回归分析的相关系数为0.93014，拟合情况良好。

图7 28 d抗压强度与水胶比、微集料掺量关系Fig.7 Relationship between water binder ratio, micro-aggregate content and 28 d compressive strength

F(x,y)=-70.01567-203.9165x+3.56973y+201.75338x2-0.02782y2+0.76114xy

(1)

G(x,z)=21.71915-145.12863x+0.62001z+171.9751x2-0.0078z2-0.08909xz

(2)

图8 28 d抗折强度与水胶比、粉煤灰掺量关系Fig.8 Relationship between water binder ratio, fly ash content and 28 d flexural strength

2.4 微观形貌分析

采用扫描电镜对水胶比0.5，粉煤灰掺量30%，微集料掺量40%、60%、80%的试件进行观察，其形貌特征如图9所示。由图9(a)可以看出，微集料掺量40%时，材料水化生成的产物主要是C-S-H凝胶和Ca(OH)2以及石英粉、石英砂、粉煤灰中的活性SiO2与Ca(OH)2所生成的针状晶体，水化产物之间边界分明，空隙较大，颗粒之间连接不紧密,材料的宏观力学性能欠佳。由图9(b)可见，随着微集料掺量增加到60%时，水化产物C-S-H凝胶和Ca(OH)2数量有所减少，活性SiO2与Ca(OH)2所生成的针状晶体数量有所增加，水化产物之间连接紧密，颗粒之间的空隙明显减少，有小的颗粒物质作为填充，提升材料密实性使得材料的宏观力学性能得到增强。由图9(c)可见，当微集料掺量80%时，其微观形貌较前面有较大变化，水化产物C-S-H凝胶和Ca(OH)2数量明显减少，水化产物连接更为紧密，但活性SiO2与Ca(OH)2所生成的针状晶体的占比加大使得材料的强度有所降低。

图9 微集料增强粉煤灰泡沫混凝土微观形貌Fig.9 Microstructure of micro-aggregate reinforced fly ash foam concrete

3 结 论

(1)微集料增强粉煤灰泡沫混凝土的抗压强度随着水胶比、粉煤灰掺量、微集料掺量的增加均呈现出先增长后降低的变化趋势；其配比适宜的范围是：水胶比0.4～0.5、粉煤灰掺量30%～50%、微集料60%～80%。

(2)微集料增强粉煤灰泡沫混凝土3 d抗压强度影响因素的主次关系为：水胶比>粉煤灰掺量>微集料掺量>聚丙稀纤维掺量>减水剂掺量；7与28 d抗压强度的影响主次关系均为：水胶比>微集料掺量>粉煤灰掺量>聚丙稀纤维掺量>减水剂掺量；28 d抗折强度的影响主次关系为：水胶比>粉煤灰掺量>聚丙稀纤维掺量>微集料掺量>减水剂掺量；导热系数影响主次关系为：水胶比>粉煤灰掺量>微集料掺量>减水剂掺量>聚丙烯纤维掺量。

(3)集料增强粉煤灰泡沫混凝土优化配比为水胶比0.5，粉煤灰掺量40%，微集料掺量70%，聚丙稀纤维掺量0.1%，减水剂掺量0.8%。

(4)适量的微集料掺量可以提高其抗压强度，分析原因是石英砂和石英粉中的活性SiO2与水化产物Ca(OH)2所生成的针状晶体填充颗粒之间的空隙，水化产物连接紧密，提升其密实性。