粉煤灰掺量对水工泡沫混凝土性能影响试验研究

陈红娟

（建昌县水利局，辽宁 葫芦岛 125300）

0 引言

泡沫混凝土是利用机械模式，把掺有泡沫剂的水溶液制作成泡沫，并将其掺入混凝土浆料里充分搅拌和浇筑成型，从而形成的一种多孔轻质的混凝土[1]。早在20 世纪初期，欧洲一些国家就开始致力于泡沫混凝土的技术开发，并于20 世纪50 年代逐渐形成了工业化的技术体系。泡沫混凝土具有密度小、生产工艺简单、保温隔热性能好和绿色节能等主要优势，因此，被广泛应用于建筑、市政和公路建设领域[2]。近年来，随着水利工程技术的不断发展和进步，泡沫混凝土被逐渐应用于水工建设领域，特别是得益于其良好的保温隔热性能，在寒区水利工程中具有广阔的应用前景[3]。

我国是产煤和燃煤大国，仅全国规模以上火电厂，每年排放的工业废料粉煤灰就高达2.5 亿t，但粉煤灰的资源化和综合化利用程度不高。近年来，火电厂产生的粉煤灰大量占用良田与河道，给经济建设和生态环境造成巨大压力。因此，将粉煤灰应用于混凝土制作具有重要的经济和生态价值[4]。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

水泥是混凝土制作过程中主要使用的胶凝材料，普通硅酸盐水泥、硫铝酸水泥、火山灰水泥等均可以用于泡沫混凝土的制作[5]。考虑水泥性能和成本，此次研选择的是P·O42.5 普通硅酸盐水泥，其初凝时间为25～35 min，终凝时间为70～80 min。

在混凝土掺加一定量的粉煤灰，可以有效改善混凝土的物理力学性能，同时降低混凝土制作成本。此次研究中使用的是电厂1 级粉煤灰，其需水量为98%，含水量为0.4%。

试验中使用的骨料为普通河沙，其细度模数为2.0，为细沙。样品的平均粒径小于2 mm，含泥量小于3%，堆积密度为1 875 kg/m3。

试验中使用的泡沫剂为西安理工大学粉体中心研制的F-3蛋白质类高效复合泡沫剂，其泡沫倍数为 20，1 h 沁水量为 70 ml，1 h 沉陷距为 8 mm。试验使用的复合掺加剂为具有减水和早强功能的C-3 复合掺加剂，试验用水为普通自来水。

1.2 试件制备

为了研究粉煤灰对水工泡沫混凝土性能的影响，分别掺入泡沫混凝土干物料量的10%，20%，30%，40%和50%等5 种不同的比例替代水泥，并对不同龄期试件的指标进行测定。

试验中按照水工泡沫混凝土的配合比设计计算各材料的用量并准确称量。先将砂浆在专用混凝土搅拌机中拌合均匀，同时利用配制的泡沫剂进行泡沫的制备。在水泥砂浆浆体中加入适量的泡沫剂搅拌2 min，搅拌均匀后倒入模具，静置24 h后拆模并编号，然后放入标准养护室养护至试验规定龄期。

1.3 试验方法

针对泡沫混凝土在水工领域中的应用实际，选择导热系数、抗压强度和抗折强度作为物理力学性能测试的主要指标[6]，探究粉煤灰掺量对上述3 个系数影响规律。

导热系数的测定使用的是尺寸为150 mm×150 mm×150 mm 的立方体试件。导热系数测定前，先将试件放入105 ℃的烘干箱内连续烘干至恒重，取出冷却至室温，然后利用ISOMET 型热特性分析仪对其导热系数进行测定。

抗压强度试验采用YAW-300 型全自动水泥压力试验机。使用100 mm×100 mm×100 mm的立方体试件。试验中按照2.4 kN/s 的加载速率进行试验，并记录断裂破坏时的最大荷载，计算出试件的抗压强度[7]。

抗折强度测试采用WTC-2000 型电动抗折试验机。使用100 mm×100 mm×400 mm 的长方体试件，按照0.5 kN/s 的加载速率进行试验，直至试件断裂，根据记录的抗折破坏荷载，计算出试件的抗折强度。

抗压强度和抗折强度测试均选择3 组试件，以试验结果的均值作为最终试验结果[8]。

2 试验结果与分析

2.1 导热性能

对不同粉煤灰掺量方案下泡沫混凝土试件的导热性能进行测试，获得3，7，28 d 龄期条件下泡沫混凝土的导热系数，根据数据结果绘制导热系数随粉煤灰掺量变化曲线，见图1。由图1 可以看出，随着养护龄期的增加，导热系数呈现出不断减小的变化趋势。从相同龄期的试验结果来看：养护龄期为3，28 d 时，导热系数会随着粉煤灰掺量的增加呈现出先增加后降低再增加的变化特点，当粉煤灰掺量为30%时导热系数值最小，其隔热性能达到最佳；养护龄期为7 d 时，导热系数的变化幅度相对较小，仅在粉煤灰掺量为40%左右时存在相对较大的波动。由此可见，从隔热效果来看，粉煤灰的最佳掺量应该为30%左右。

图1 导热系数随粉煤灰掺量变化曲线

2.2 抗压强度

对不同粉煤灰掺量方案下泡沫混凝土试件的抗压强度进行测试，获得3，7，28 d 龄期条件下泡沫混凝土的抗压强度值，根据数据结果绘制抗压强度随粉煤灰掺量变化曲线，见图2。由图2 可以看出，泡沫混凝土的抗压强度随着龄期的增长而迅速增加。从相同龄期的试验结果来看：3 d 龄期条件下，试件抗压强度随粉煤灰掺量的增加呈现出不断下降的变化特征；7 d 龄期条件下，试件抗压强度随粉煤灰掺量的增加呈现出先小幅增大后小幅减小的变化特征；总体来看，在3 d 和7 d 龄期条件下，抗压强度值的变化幅度极为有限，说明粉煤灰掺量的影响不大；28 d 龄期条件下，试件抗压强度随粉煤灰掺量的增加呈现出先增大后减小的变化特征，且变化幅度较大，当粉煤灰掺量为30%时抗压强度值最大。因此，在泡沫混凝土中掺入30%的粉煤灰，可以有效提升混凝土的抗压强度。

图2 抗压强度随粉煤灰掺量变化曲线

2.3 抗折强度

对不同粉煤灰掺量方案下泡沫混凝土试件的抗折强度进行测试，获得3，7，28 d 龄期条件下泡沫混凝土的抗折强度值；根据数据绘制抗折强度随粉煤灰掺量变化曲线，见图3。由图3 可以看出，试件的抗折强度随着龄期的增长而呈现出不断增加的变化特点。从不同龄期的试验结果对比来看：3，7，28 d 龄期的变化规律基本一致，随着粉煤灰掺量的增加，试件的抗折强度呈现出先下降后增长然后再下降的变化特点，当粉煤灰的掺量为30%时，试件的抗折强度值达到最大。由此可见，在泡沫混凝土中掺加一定量的粉煤灰可以提升抗折强度，且最佳掺量为30%。

图3 抗折强度随粉煤灰掺量变化曲线

3 结语

通过室内试验方式探讨粉煤灰对水工泡沫混凝土性能的影响，可以得出：在水工泡沫混凝土中掺入粉煤灰能够显著改善其热学和力学性能；粉煤灰掺量对3 d 和7 d 龄期泡沫混凝土导热系数及抗压和抗折强度的影响较小，对28 d 龄期泡沫混凝土导热系数及抗压和抗折强度的影响较大。根据试验结果，建议在水工泡沫混凝土制作过程中掺入干料量30%的粉煤灰用于替代水泥材料。试验结果为粉煤灰在水工泡沫混凝土领域的应用提供了支持和借鉴。