外加剂与掺合料对泡沫混凝土性能的影响研究

2023-09-07董雪

中国新技术新产品 2023年14期

董雪

（铁正检测科技有限公司，山东济南 250100）

随着我国建筑行业的发展，施工技术水平不断提高，为满足群体的住房需求，为住户提供更宽敞、明亮的住房，大量的高楼大厦应运而生，人们在关注住房舒适度的同时，对建筑材料的质量和性能要求也越来越高[1]。为提高建筑的稳定性，必须使用具有轻质特点的材料，以减轻建筑建成后的质量。同时，加大对绿色建材的推广，提倡建筑在设计与施工中节能减排，将碳达峰计划与生态文明相结合。在建筑领域，加强轻质建筑保温材料的研发和推广应用，对固废进行综合利用，对提高国内资源利用率、走可持续发展之路，具有重大的现实意义[2]。

目前，国内使用的建筑工程保温材料泡沫混凝土的原料很容易获得，使用该材料进行施工，不仅可以实现工程的现浇作业，还可以生产出多种异构性的混凝土制品，满足当前建筑市场对新型、节能和环保材料的需求[3]。为推广使用此类材料，下述将对材料的性能展开分析。

1 试验原材料

根据泡沫混凝土的制备需求，进行试验中原材料的准备，该次试验所需的原材料包括水泥、硅灰、凹凸棒土和玻璃粉等，对水泥原材料的主要性能进行检测，检测结果表明，水泥选用的是早强型普通硅酸岩水泥P.I.42.5R，试件28d 的抗压强度标准值为43.5MPa，大于42.5MPa，3d 抗折强度标准值为6.0MPa，28d 抗折强度标准值为8.5MPa，3d 抗压强度标准值为28.9MPa，28d 抗压强度标准值为50.5MPa，确定其强度等级为42.5R，标准稠度用水量为27.6%，初凝时间为180min，终凝时间为360min，主要指标与标准见表1。

表1 水泥原材料的质检指标与标准

在此基础上，采集废弃玻璃，进行洗涤、暴晒、研磨和烘干等工序，过程如图1 所示。

图1 玻璃粉收集与处理

收集研磨玻璃粉后，对玻璃粉、硅灰和凹凸棒土原材料的主要化学成分进行分析，见表2。

表2 硅灰、凹凸棒土原材料的主要化学成分单位：%

在此基础上分析发泡剂原材料的基本性能，结果表明发泡剂的稀释倍率为60%，发泡倍数为25 倍，1h 沉降距离为3mm，1h 泌水量为75mL，pH 值为6.5～7.5，活性物含量和固含量为30%（≥25%），性能指标检测结果见表3。

表3 发泡剂原材料基本性能分析

同时，根据试验需求，选择减水剂（要求减水剂的减水率须达到30%以上）、稳泡剂和速凝剂等外加试剂。按照上述步骤，完成准备试验中的原材料。

2 试验方法

2.1 试件成型

称取发泡试剂，按照标准比例1 ∶60，对其进行稀释，打出泡沫后，确保气泡稳定、均匀。按照配合比对外加剂、水、水泥及掺合料进行称量，首先将水泥和掺合料放入搅拌锅中，进行搅拌并均匀，再倒入2/3 的清水，进行1min 的搅拌后，将剩余的水与化学外加剂混合液一起，进行搅拌，再将剩余的水与化学外加剂混合液一起搅拌，将泡沫称取出来，倒入料浆中进行充分地搅拌，直到没有粉体状硬块为止，将样件装进模具，用保鲜膜盖上并置于阴凉的地方，防止试件水分流失，在室内常温条件下养护约28d[4-6]。

2.2 试验方法

2.2.1 导热试验

将构件在55℃～65℃的烘箱中烘干处理，使用导热检测仪器，对样件进行3h 的预热+6h 的热平衡处理，根据仪器显示值，得到样件的导热系数[7]。导热系数试验样件如图2 所示。

图2 导热系数试验样件

2.2.2 干缩试验

将试验样件养护28 天后，放置在水槽中，将样件在其中放置3h，取出水槽中的样件，将其表面的水分擦拭干净，使用千分尺测量此时样件的尺寸与质量，将样件放置在温度为18℃～22℃，湿度为38%～42%的环境中，测量其长度，计算3 个样件的统计结果，取平均值，计算样件干缩长度，计算方法如公式（1）所示。

式中：∆i为i天样件干缩长度，L0为样件初始长度，Li为i天样件长度。

2.2.3 吸水率、软化系数测定

将样件进行烘干处理，确保样件处于干燥状态后，测量试件的质量，记录此时样件的质量与这种状态下的烘干强度。将烘干后的样件放置在塑料箱中，设置塑料箱的温度为15℃～25℃，在其中加入水，达到样件高度的1/3 位置，静置样件1h，再在塑料箱中加入水，达到样件高度的2/3 位置，静置样件1h，再在塑料箱中加入水，超过样件高度20mm～30mm，1h 后取出样件，擦拭水分，计算样件的吸水率与软化系数[8]，计算方法如公式（2）和公式（3）所示。

式中：W为样件的吸水率；m1为样件吸水前质量；m0为样件吸水后质量；K为软化系数；f1为样件饱水前抗压强度值；f0为样件饱水后抗压强度值。

3 外加剂与掺合料复合对泡沫混凝土性能的影响分析

3.1 保温性能的影响分析

为实现对外加剂与掺合料复合材料对泡沫混凝土保温性能的影响分析，将上述试验方法制备的基准组与最优配合比下的外加剂与掺合料复合材料进行对比。通过上述试验得出结果，泡沫混凝土基准组的导热系数为0.10856W/（m·K），控制指标为0.09W/（m·K），泡沫混凝土外加剂与掺合料最优组的导热系数为0.09552W/（m·K），控制指标为0.12W/（m·K），见表4。

表4 外加剂与掺合料复合材料对泡沫混泥土材料导热系数的影响试验结果记录表

表4中记录的外加剂与掺合料最优组为0.12%减水剂、0.15%稳泡剂、5.5%硅灰（GB）、2.1%凹凸棒土和11%玻璃粉。结合表中的数据可以看出，将外加剂与掺合料复合后，泡沫混凝土的导入系数从0.10856 W/（m·K）降至0.09552W/（m·K），与基准组相比，降低了（0.10856～0.09552）/0.10856·100%≈12%。在试验过程中发现，减水剂与CMCNa 的掺入，相对减少了连通孔的数量。由于3 种掺合料在泡沫混凝土中产生了微集粒协同效应，因此须填充孔隙，细化孔径。同时，硅灰与凹凸棒土具有较强的吸水性。将自由水吸收后，进一步减少了水分蒸发所形成的连通孔数量。除此之外，上述3种掺合料中，SiO2的含量最高，与Ca（OH）2发生了二次反应，使凝胶的数量进一步增加，极大程度上改善了孔径的分布。最后，在上述多种反应的作用下，泡沫混凝土的导热系数降低。因此，通过上述得出的试验结果可以看出，在一定范围内，通过外加剂与掺合料的复合，能够起到提升泡沫混凝土保温隔热性能的作用，并且这一作用十分显著。

3.2 干缩性能的影响分析

为实现对复合材料对泡沫混凝土干缩性能的影响分析，仍然以上述0.12%减水剂、0.15%稳泡剂、5.5%硅灰（GB）、2.1%凹凸棒土和11%玻璃粉配比的外加剂与掺合料最优组为例，将其与基准组进行对比，得出其对泡沫混凝土干缩的具体影响结果，如图3 所示。

图3 复合材料对泡沫混凝土干缩影响试验结果图

从图3 中所示的2 条曲线可见，泡沫混凝土基准值的干缩值和最优组的干缩值均随着时间增加而不断增加，在应用复合材料后，泡沫混凝土的干缩值明显低于另外一组。出现这一试验结果的原因是，在掺入减水剂和CMC-Na 后，泡沫的稳定性增强。同时，由于凹凸棒土和玻璃粉都具有一定的活性，掺合料在水中发生了二次水化反应，使孔隙中的自由水含量进一步降低，连通泌水孔的数量减少。在反应后，不仅生成了比纯水泥组更多的C-S-H 凝胶填充孔隙，同时还没有发生反应的掺合料颗粒也能够协助其共同实现对孔隙的填充，达到改善泡沫混泥土孔结构的目的，进而出现了最优组干缩低于基准组的情况。因此，通过上述试验可以证明，外加剂与掺合料复合后，对促进泡沫混凝土干缩的降低具有积极作用。

3.3 吸水性和耐水性的影响分析

仍然以上述0.12%减水剂、0.15%稳泡剂、5.5%硅灰（GB）、2.1%凹凸棒土和11%玻璃粉配比的外加剂与掺合料最优组为例，将其与基准组对泡沫混凝土吸水率和软化系数的改善效果进行对比，根据对比结果对外加剂与掺合料对泡沫混凝土吸水性和耐水性的影响进行分析。图4 为复合材料对泡沫混凝土吸水性和耐水性影响试验结果图。

图4 复合材料对泡沫混凝土吸水性和耐水性影响试验结果图

通过图4 的统计结果可知，泡沫混凝土基准组和最优组的吸水性、耐水性存在明显的区别，当外加剂与掺合料复合时，泡沫混凝土的吸水率与基准组相比明显降低，从原来的19.6%降至15.2%，软化系数明显提升，从原来的0.76 升至0.86。根据规定要求可知，软化系数超过0.85 的材料可以作为耐水性材料。而加入外加剂和掺合料后，泡沫混凝土的软化系数达到了这一标准，可作为耐水性材料，泡沫混凝土的性质发生了改变。针对这一试验结果的原因进行具体分析，由于外加剂的加入使开口的孔隙数量大大减少，同时，通过上述研究可知，在3种掺合料中，SiO2 的含量最高。当SiO2 与Ca（OH）2发生化学反应时，会进一步促进水化反应的产生，并使最优组生成比基准组更多的凝胶，对孔隙结构进行了填充，达到了改善泡沫混凝土微观孔隙结构的效果。此外，复合材料中添加的3 种掺合料在泡沫混凝土中形成了协同填充效应，实现了对孔隙结构的混合填充，对水分渗透起到一定抑制作用，连通孔的数量减少。同时，在最优组中，玻璃粉的掺入量较多，水花反应的速度较慢，吸水率极低，可以有效弥补硅灰和凹凸棒土自身吸水性较强的问题，提升泡沫混凝土的密实度，促进吸水率的降低和软化系数的提升。因此，通过上述得出的试验结果可以证明，外加剂和掺合料复合后，泡沫混凝土的吸水性和耐水性都得到提升。