超輕泡沫混凝土性能的優(yōu)化研究

李洋，潘志華

（南京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210009）

超輕泡沫混凝土性能的優(yōu)化研究

李洋，潘志華

（南京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210009）

以P·O42.5水泥、超細(xì)礦渣粉、粉煤灰為膠凝材料，采用化學(xué)發(fā)泡法制備密度等級(jí)為160 kg/m3的超輕泡沫混凝土。通過(guò)對(duì)促凝劑的復(fù)配優(yōu)化、粉煤灰摻量、增稠劑用量的實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)超輕泡沫混凝土性能進(jìn)行優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：優(yōu)化復(fù)合促凝劑SAA用量為1.5%、粉煤灰摻量10%、增稠劑摻量0.05%時(shí)，泡沫混凝土的干密度為158.8 kg/m3，28 d抗壓強(qiáng)度為0.46 MPa，氣孔均勻細(xì)小，直徑在1 mm以下的氣孔占總氣孔數(shù)的98%以上，導(dǎo)熱系數(shù)為0.05 W/（m·K）。并利用ANSYS Workbench對(duì)泡沫混凝土外墻保溫系統(tǒng)進(jìn)行模擬熱分析，表明優(yōu)化后的超輕泡沫混凝土的保溫性能能很好地滿足外墻保溫的要求。

超輕泡沫混凝土；促凝；抗壓強(qiáng)度；導(dǎo)熱系數(shù)

0 引言

泡沫混凝土作為一種無(wú)機(jī)多孔材料，以其保溫、隔聲、防火、生產(chǎn)成本低、使用壽命長(zhǎng)等顯著特點(diǎn)[1-3]，能夠滿足建筑保溫材料的要求，特別是作為建筑外墻保溫系統(tǒng)，不僅能達(dá)到很好的保溫效果，而且因其密度低很大程度地降低了建筑的自重，減少了對(duì)地基的壓力，因此受到了廣泛關(guān)注。

雖然泡沫混凝土作為建筑外墻保溫材料具有很大的優(yōu)勢(shì)，但也有一些不足需要進(jìn)一步優(yōu)化，如強(qiáng)度偏低，在切割、運(yùn)輸、施工過(guò)程中容易受到損壞；超輕泡沫混凝土在制備過(guò)程發(fā)泡結(jié)束以后出現(xiàn)泡沫料漿下陷或沉降等。因此國(guó)內(nèi)外很多專家學(xué)者也做了大量的研究工作。呂欽剛等[4]研究了超細(xì)礦渣粉對(duì)密度等級(jí)為300 kg/m3的泡沫混凝土性能的影響。Ramamurthy等[5]通過(guò)探索適宜發(fā)泡劑和發(fā)泡機(jī)、發(fā)泡劑和化學(xué)試劑的兼容性、輕集料和增強(qiáng)纖維的使用、耐久性以及影響泡沫混凝土生產(chǎn)的其它因素對(duì)泡沫混凝土進(jìn)行了深入的研究。Kunhanandan Nambiar等[6]利用光學(xué)顯微鏡對(duì)泡沫混凝土的孔隙率系數(shù)、氣孔體積、尺寸、氣孔的分布情況進(jìn)行研究，大的氣孔會(huì)降低混凝土強(qiáng)度，氣孔的形狀對(duì)泡沫混凝土的性質(zhì)沒(méi)有影響。Li Yue和Chen Bing[7]通過(guò)以磷酸鎂水泥代替硅酸鹽水泥制備出密度為210～380 kg/m3、強(qiáng)度為1.0～2.8 MPa、導(dǎo)熱系數(shù)為0.049～0.07 W/（m·K）的泡沫混凝土制品。Kearsley等[8]研究了泡沫混凝土孔隙率和抗壓強(qiáng)度的關(guān)系，抗壓強(qiáng)度與孔隙率和齡期之間存在一個(gè)函數(shù)關(guān)系，并且建立了一個(gè)乘法模型可以很好地吻合1年齡期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

本文通過(guò)促凝劑優(yōu)化、粉煤灰、增稠劑的添加對(duì)超輕泡沫混凝土的性能影響展開討論，對(duì)超輕泡沫混凝土的配方進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到提高超輕泡沫混凝土性能的目的。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原料

水泥（PC）：市售，P·O42.5水泥；礦渣粉（SG）：超細(xì)礦渣粉，比表面積800 m2/kg；粉煤灰：市售，I級(jí)粉煤灰（FA）；發(fā)泡劑（HO）：化學(xué)純雙氧水；穩(wěn)泡劑（FS）：自制；減水劑（SP）：市售，聚羧酸高效減水劑，固含量50%；聚丙烯纖維（PP）：長(zhǎng)度8～12 mm。促凝劑（SA）：硫酸鋁（Al2（SO4）3·18H2O），硅酸鈉（Na2SiO3·9H2O），氯化鈣（CaCl2）；早強(qiáng)劑（HA）：MgCl2；增稠劑：羧甲基纖維素鈉（CMC）。試驗(yàn)中各材料的摻量均為占膠凝材料的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。

1.2 超輕泡沫混凝土的制備

采用化學(xué)發(fā)泡法制備泡沫混凝土，設(shè)計(jì)泡沫混凝土密度為160 kg/m3，制備工藝流程見圖1。

圖1 泡沫混凝土的制備工藝流程

1.3 泡沫混凝土的性能測(cè)試

超輕泡沫混凝土的干密度及抗壓強(qiáng)度按照GB/T 5486—2008《無(wú)機(jī)硬質(zhì)絕熱制品試驗(yàn)方法》并結(jié)合JG/T 266—2011《泡沫混凝土》進(jìn)行測(cè)試；導(dǎo)熱系數(shù)依據(jù)GB/T 10294—2008《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測(cè)定防護(hù)熱板法》對(duì)超輕泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行測(cè)試，樣品為300 mm×300 mm×30 mm完全烘干的超輕泡沫混凝土板。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 超輕泡沫混凝土促凝劑的優(yōu)化

超輕泡沫混凝土在制備過(guò)程中常發(fā)生下陷或沉降現(xiàn)象，這主要是由于泡沫混凝土的凝結(jié)速率和發(fā)泡速率不能達(dá)到良好匹配造成的。當(dāng)凝結(jié)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，發(fā)泡結(jié)束以后，泡沫混凝土料漿形成的多孔結(jié)構(gòu)沒(méi)有足夠的強(qiáng)度支撐自身的質(zhì)量，就會(huì)使氣泡破裂，從而造成沉降甚至塌模。促凝劑的優(yōu)化有助于解決這一問(wèn)題。泡沫混凝土的配合比見表1。

表1 泡沫混凝土配合比

首先通過(guò)改變不同促凝劑的用量，分別考察3種促進(jìn)劑對(duì)泡沫混凝土的影響。澆筑模具采用2000 ml燒杯，澆筑量為發(fā)泡結(jié)束后能完全充滿燒杯，以便于比較、測(cè)量。澆筑24 h后分別測(cè)量各燒杯內(nèi)試樣的沉降距離。結(jié)果見圖2。

圖2結(jié)果表明，當(dāng)硫酸鋁摻量為0.5%和1.5%時(shí)，試樣的沉降距離僅2 mm，說(shuō)明促凝效果良好，并且料漿流動(dòng)性好，能很好地滿足澆筑要求。摻量為0.5%時(shí)，試樣的硬度低于摻量為1.5%時(shí)的硬度，說(shuō)明摻量較低時(shí)強(qiáng)度發(fā)展較慢。對(duì)試樣進(jìn)行切割觀察，內(nèi)部氣泡均勻；硅酸鈉摻量為1.25%～1.5%時(shí)，沉降距離也在2 mm左右，試樣內(nèi)部有部分連通氣孔；氯化鈣摻量為1.25%～2.00%時(shí)，試樣沉降距離基本不變，維持在2 mm左右，而且試塊切開以后觀察，無(wú)連通氣泡，氣泡均勻，氣泡壁完整。綜合上述實(shí)驗(yàn)，促凝劑的最佳摻量為1.5%左右。

圖2 不同促凝劑及其摻量對(duì)泡沫混凝土沉降的影響

對(duì)促凝效果較好的2種促凝劑氯化鈣和硫酸鋁進(jìn)行復(fù)合使用，測(cè)試其促凝效果。將1.5%摻量分為15等份，兩者的復(fù)合比分別為：A1：m（氯化鈣）∶m（硫酸鋁）=2∶13；A2：m（氯化鈣）∶m（硫酸鋁）=3∶12；A3：m（氯化鈣）∶m（硫酸鋁）=5∶10；A4：m（氯化鈣）∶m（硫酸鋁）=7∶8；A5：m（氯化鈣）∶m（硫酸鋁）=13∶2。泡沫混凝土配合比不變，試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 不同復(fù)合促凝劑試樣的下陷距離

圖3表明，促凝劑復(fù)合使用能使促凝效果更佳，當(dāng)m（氯化鈣）∶m（硫酸鋁）=7∶8時(shí)促凝效果最好，避免了沉降現(xiàn)象的發(fā)生，將此比例復(fù)合的促凝劑記作SA-A。

促凝劑的優(yōu)化，使泡沫混凝土的凝結(jié)速率和發(fā)泡速率達(dá)到了平衡，既不出現(xiàn)凝結(jié)過(guò)快影響料漿流動(dòng)性的問(wèn)題，又解決了澆筑成型后的沉降現(xiàn)象。

2.2 粉煤灰對(duì)超輕泡沫混凝土性能的影響

粉煤灰作為礦物摻和料添加到泡沫混凝土中，不僅可以取代部分水泥降低生產(chǎn)成本，而且還可以降低水化放熱[9]。本文研究粉煤灰的摻量對(duì)超輕泡沫混凝土性能影響。成型模具采用100 mm×100 mm×100 mm三聯(lián)模，泡沫混凝土的配合比見表2，測(cè)試結(jié)果見圖4、圖5。

表2 不同粉煤灰摻量泡沫混凝土的配合比

圖4 粉煤灰摻量對(duì)超輕泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

圖5 粉煤灰摻量對(duì)超輕泡沫混凝土干密度的影響

由圖4可知，超輕泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度受粉煤灰摻量的影響顯著，粉煤灰摻量增加到10%（60 g）時(shí)，泡沫混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到0.42 MPa；繼續(xù)增加用量，抗壓強(qiáng)度降低明顯，當(dāng)增加到25%時(shí)，泡沫混凝土無(wú)法成型，澆筑后迅速塌模。由圖5可見，泡沫混凝土的干密度也受到粉煤灰摻量的影響，當(dāng)粉煤灰摻量為10%時(shí)，泡沫混凝土的干密度為167 kg/ m3。

2.3 羧甲基纖維素鈉對(duì)超輕泡沫混凝土性能的影響

羧甲基纖維素鈉具有粘合、增稠、增強(qiáng)、保水等性能，本文利用其增稠的特性，作為泡沫混凝土料漿的增稠劑使用。添加增稠劑主要是調(diào)節(jié)泡沫混凝土料漿的黏稠度，增強(qiáng)發(fā)泡過(guò)程中氣泡壁的拉伸性能，使泡沫混凝土內(nèi)部形成更多封閉的獨(dú)立氣孔，從而優(yōu)化氣孔細(xì)度，提高泡沫混凝土強(qiáng)度。按表2中的7#配比，改變羧甲基纖維素鈉摻量，其對(duì)超輕泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度及干密度的影響見表3。

表3 CMC摻量對(duì)超輕泡沫混凝土性能的影響

表3表明，羧甲基纖維素鈉對(duì)泡沫混凝土早期強(qiáng)度的發(fā)展有一定程度的減緩作用，但是隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，抗壓強(qiáng)度的增幅比不摻羧甲基纖維素鈉的泡沫混凝土增幅大，養(yǎng)護(hù)至28 d時(shí)，抗壓強(qiáng)度均高于未添加羧甲基纖維素鈉的泡沫混凝土試樣，說(shuō)明羧甲基纖維素鈉對(duì)泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度有增強(qiáng)作用，當(dāng)摻加量增加到0.05%時(shí)，抗壓強(qiáng)度最大，達(dá)到0.46 MPa，干密度為158.8 kg/m3，較未摻加羧甲基纖維素鈉的泡沫混凝土更低。羧甲基纖維素鈉摻量為0.05%時(shí)泡沫混凝土試樣的SEM照片見圖6，通過(guò)Image pro plus 6.0圖像分析軟件進(jìn)行孔徑分析，結(jié)果見表4。

圖6 超輕泡沫混凝土試樣的孔結(jié)構(gòu)

表4 泡沫混凝土孔徑分布

由圖6可知，超輕泡沫混凝土氣孔形狀規(guī)則飽滿，通過(guò)Image pro plus圖像處理后可以看出氣孔多呈圓形且各氣泡間獨(dú)立密閉，這樣的多孔結(jié)構(gòu)有利于降低多孔材料的導(dǎo)熱系數(shù)。表4顯示，泡沫混凝土的孔徑細(xì)小，直徑在1 mm以下的氣孔占總氣孔數(shù)的98.7%。細(xì)孔增多，氣孔壁也增多，這就使材料在受到壓力時(shí)有更多的支撐，從而提高了超輕泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度。

使用優(yōu)化后的泡沫混凝土配合比制備超輕泡沫混凝土，并對(duì)超輕泡沫混凝土試樣進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試，烘干至恒重的超輕泡沫混凝土板導(dǎo)熱系數(shù)為0.05 W/（m·K）。

2.4 超輕泡沫混凝土保溫性能分析

通過(guò)ANSYS Workbench對(duì)超輕泡沫混凝土保溫板進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析，以判斷超輕泡沫混凝土作為外墻保溫材料的性能。穩(wěn)態(tài)熱力學(xué)分析一般方程[10]為：

式中：[K]——傳導(dǎo)矩陣，包括導(dǎo)熱系數(shù)、對(duì)流系數(shù)以及輻射系數(shù)和形狀系數(shù)；

{I}——節(jié)點(diǎn)向量溫度；

{Q}——節(jié)點(diǎn)熱流向量，包括生成熱。

分析過(guò)程中涉及的傳熱方式為熱傳導(dǎo)，熱傳導(dǎo)遵循傅里葉定律[10]，公式為：

式中：q——熱流密度，W/m2；

k——導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）。

設(shè)置模型參數(shù)：墻體材料選擇ALC加氣混凝土砌塊，密度為500 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.20 W/（m·K），作為墻體材料時(shí)修正系數(shù)為1.35，體積為300 mm×300 mm×300 mm；超輕泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)為0.05 W/（m·K），體積為300 mm×300 mm×50 mm；外墻面溫度為-7℃，空氣對(duì)流換熱系數(shù)為20 W/（m2·K），內(nèi)墻面溫度為22℃，空氣對(duì)流傳熱系數(shù)為12.5 W/（m2·K）。分別對(duì)ALC加氣混凝土砌塊墻體以及超輕泡沫混凝土保溫板和ALC加氣混凝土砌塊復(fù)合墻體進(jìn)行熱分析。

（1）ALC加氣混凝土砌塊墻體熱分析（見圖7）

圖7 ALC加氣混凝土墻體熱分析

由圖7可知，在未使用超輕泡沫混凝土保溫板時(shí)，墻體外表面最低溫度為-5.83℃，內(nèi)墻面溫度為20.13℃，總熱通量為23.366 W/m2。

（2）復(fù)合墻體熱分析

建立ALC加氣混凝土和超輕泡沫混凝土保溫板的復(fù)合墻體模型，劃分網(wǎng)格，施加載荷，得出溫度云圖和熱通量值，結(jié)果見圖8。

圖8 復(fù)合墻體熱分析

由圖8可知，外墻使用超輕泡沫混凝土保溫板以后，墻體外表面最低溫度為-6.35℃，內(nèi)墻面溫度為20.96℃，總熱通量為12.939 W/m2。

施加載荷的內(nèi)外表面溫差為29℃，ALC加氣混凝土砌塊墻體在相同載荷條件下內(nèi)外溫差為25.96℃，使用超輕泡沫混凝土保溫板的復(fù)合墻體內(nèi)外溫差為27.32℃，而且復(fù)合墻體熱通量顯著低于ALC加氣混凝土砌塊墻體。

3 結(jié)論

（1）按m（氯化鈣）∶m（硫酸鋁）=7∶8制備的復(fù)合促凝劑很好地改善了發(fā)泡速率和凝結(jié)速率之間的關(guān)系，解決了澆筑成型過(guò)程中的沉降現(xiàn)象，滿足了超輕泡沫混凝土對(duì)促凝劑的要求。

（2）粉煤灰對(duì)泡沫混凝土性能影響明顯，不僅可以取代部分水泥降低生產(chǎn)成本而且適量的粉煤灰可以提高超輕泡沫混凝土的性能。

（3）摻入0.05%的羧甲基纖維素鈉可改善泡沫混凝土的性能，使干密度降低到158.8 kg/m3的同時(shí)抗壓強(qiáng)度達(dá)到了0.46 MPa；氣孔獨(dú)立性、封閉性好，1 mm以下孔徑占?xì)饪讛?shù)的98%以上，導(dǎo)熱系數(shù)為0.05 W/（m·K）。

（4）ANSYS Workbench分析結(jié)果表明，超輕泡沫混凝土保溫板使用前后能使ALC加氣混凝土墻體的熱通量從23.366 W/m2降低到12.939 W/m2，顯著降低了墻體的熱交換，具有優(yōu)良的保溫隔熱性能。

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Research on optimization of ultra-light weight foamed concrete performance

LI Yang，PAN Zhihua
（College of Materials Science and Engineering，Nanjing Tech University，Nanjing 210009，China）

By using P·O42.5 cement，superfine slag powder and fly ash as cementitious material，ultra-light foamed concrete with density level of 160 kg/m3was prepared by chemical foaming method.The properties of ultra-light foamed concrete was optimized by optimizing the setting accelerator，and the dosage of fly ash and thickening agent.Results show that:when the content of setting accelerator SA-A is 1.5%，fly ash is 10%，thickening agent is 0.05%，the dry density of foamed concrete is 158.8 kg/m3，the 28 d compressive strength of foamed concrete is 0.46 MPa，and the pore are small and uniform，pore diameter under 1 mm is above 98%，the thermal conductivity is 0.05 W/（m·K）.ANSYS Workbench was used to simulate the insulation performance of foamed concrete.The results show that the optimized ultra-light foamed concrete is commendably to meet the performance requirements of the external wall insulation board.

ultra-light weight foamed concrete，setting accelerator，compressive strength，thermal conductivity

TU55+1.33

A

1001-702X（2016）11-0074-06

2016-04-14

李洋，男，1988年生，河南淮陽(yáng)人，碩士研究生，主要從事泡沫混凝土研究。