自流平泡沫水泥性能影響研究

牛云輝，蔣俊，張玉蘋，趙志強(qiáng)

（1.西南科技大學(xué)四川省非金屬復(fù)合與功能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室-省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，四川綿陽 621000；2.西南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川綿陽 621000）

自流平泡沫水泥性能影響研究

牛云輝1，蔣俊2，張玉蘋2，趙志強(qiáng)2

（1.西南科技大學(xué)四川省非金屬復(fù)合與功能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室-省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，四川綿陽 621000；2.西南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川綿陽 621000）

泡沫水泥在建筑保溫領(lǐng)域發(fā)展迅速，由于泡沫的引入導(dǎo)致泡沫水泥漿體黏度較大，通常施工后需人工刮平作業(yè)。以流變儀作為主要研究手段，在改變水灰比和外加劑摻量條件下研究密度300～500 kg/m3泡沫水泥的力學(xué)性能及外加劑對流變性影響。結(jié)果表明，對于自流平泡沫水泥，不同密度有其最佳的水灰比，減水劑最佳摻量為0.12%，促凝劑建議摻量為1%，外加劑對自流平泡沫水泥的性能影響與普通泡沫水泥一致。

自流平；泡沫水泥；力學(xué)性能；流變性

泡沫水泥是通過一定的工藝手段向由水泥、水、外加劑以等其它材料組成的漿體中引入大量微小氣泡，經(jīng)攪拌、成型、養(yǎng)護(hù)等工序制成的一種輕質(zhì)多孔材料[1-2]。目前泡沫水泥已應(yīng)用于砌塊生產(chǎn)、坑道回填、橋臺(tái)澆注、間隙填充、屋頂隔熱等方面[3]。在水灰比一定的情況下，由于泡沫的加入，料漿的流動(dòng)性變差，使混合拌制的料漿難以泵送和現(xiàn)場澆筑[4]。因此，本文針對密度為300～500 kg/m3的泡沫水泥，通過改變水灰比和外加劑摻量調(diào)節(jié)其流動(dòng)性，使泡沫水泥具有一定的自流平效果，研究了水灰比和外加劑對其流變性能和力學(xué)性能的影響。

1　實(shí)驗(yàn)

1.1原材料及實(shí)驗(yàn)設(shè)備

水泥：P·O52.5R，江油拉法基雙馬水泥廠；動(dòng)物發(fā)泡劑：河南華泰建材開發(fā)公司；減水劑：柯帥JS-50型聚羧酸類高效減水劑；促凝劑：實(shí)驗(yàn)室自制，主要成分為硝酸鈣。

微機(jī)控制電子試驗(yàn)機(jī)：CMT 5105，深圳新三思材料公司；電子天平：JJ2000，常熟雙杰儀器廠；混凝土標(biāo)養(yǎng)箱：HBY-40B，華南無錫儀器廠；水泥膠砂攪拌機(jī)：JJ-5，無錫建儀儀器股份有限公司；電熱鼓風(fēng)干燥箱：101，長沙實(shí)驗(yàn)電爐廠；流變儀：Viskomat NT，德國schlebinger公司。

1.2樣品制備

（1）力學(xué)性能測試樣品：將水泥和水按照不同水灰比加入立式攪拌機(jī)中攪拌90 s。將發(fā)泡劑和水按照1∶20質(zhì)量比配制成發(fā)泡劑溶液，通過空氣發(fā)泡方式制備泡沫，加泡沫于攪拌機(jī)中快速攪拌80 s，將制備的泡沫均勻混入料漿，澆筑1 d后拆模，將所制樣品置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中[環(huán)境溫度（20±1）℃、相對濕度大于95%]養(yǎng)護(hù)至7 d、28 d。

（2）流變性測試樣品：將水泥和水按照不同水灰比加入立式攪拌機(jī)中攪拌90 s。將市售發(fā)泡劑和水按照1∶20質(zhì)量比配制成發(fā)泡劑溶液，通過空氣發(fā)泡方式制備泡沫，根據(jù)設(shè)計(jì)密度不同，將不同體積泡沫和水泥漿在攪拌機(jī)中快速攪拌80 s，測試泡沫水泥的初始流動(dòng)度。將流動(dòng)度達(dá)到70 mm以上的樣品定義為自流平泡沫水泥，進(jìn)行流變性測試。

1.3實(shí)驗(yàn)方法

（1）絕干密度與抗壓強(qiáng)度測試

樣品脫模尺寸為70.7mm×70.7mm×70.7mm，養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期后，將樣品置于（60±5）℃的烘箱中烘干24h后，參照J(rèn)G/T 266—2011《泡沫混凝土》測試抗壓強(qiáng)度，加載速率為500 N/s。

（2）流變性能測試

將新拌泡沫自流平沫混凝土置于Viskomat NT流變儀（見圖1）中，測試葉片在規(guī)定時(shí)間內(nèi)（30 s）不同轉(zhuǎn)速下（0～180 r/min）受到的阻力力矩，結(jié)合Bingham模型，線性擬合轉(zhuǎn)速與力矩的關(guān)系，則斜率為漿體的相對黏度，與縱坐標(biāo)的截距為相對極限剪切應(yīng)力。

圖1　流變儀

2　結(jié)果與討論

2.1自流平泡沫水泥流變性能影響因素研究

自流平泡沫水泥需要加入大量的泡沫，若水泥料漿黏稠度過大，泡沫與水泥料漿間的摩擦力更大，泡沫更易破裂。與普通泡沫水泥相比泡沫會(huì)更難以分散，對低密度泡沫水泥的氣孔結(jié)構(gòu)與性能不利[5-7]。本文主要研究滿足流動(dòng)度不小于70 mm條件下，水灰比、減水劑、促凝劑3個(gè)因素對新拌自流平泡沫水泥流變性能的影響。

2.1.1水灰比對水泥凈漿流變性能的影響

在不摻入減水劑和促凝劑的情況下，研究了水灰比對水泥凈漿流變性能的影響，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可見，隨著水灰比增大，水泥凈漿的相對極限剪切應(yīng)力迅速降低，當(dāng)水灰比大于0.6時(shí)相對極限剪切應(yīng)力變化明顯減??；當(dāng)水灰比從0.50增大至0.55時(shí)，水泥凈漿的相對黏度從0.0533 N·mm·min降低至0.0275 N·mm·min，降低了48.4%，隨著水灰比繼續(xù)增大，相對黏度變化也逐漸減小。

圖2　水灰比對水泥凈漿流變性能的影響

水灰比大于0.6時(shí)，固相顆粒間水膜層的厚度與顆粒間相互作用極大地影響水泥漿體的黏度，水灰比增大，顆粒間水膜層厚度增加，顆粒間距離變大，所以水泥漿體的黏度隨水灰比增大而減小?？梢?，增大水灰比對于改善水泥漿體流變特性起到重要作用。在制備自流平泡沫水泥的過程中，有利于降低泡沫的破泡程度，促進(jìn)泡沫在水泥漿體中的分散。

2.1.2水灰比對自流平泡沫水泥流變性能的影響

在滿足流動(dòng)度不小于70 mm條件下，水灰比對新拌自流平泡沫水泥流變性能的影響見圖3。

圖3　不同水灰比下自流平泡沫水泥的流變性

由圖3可見，不同密度（300、400、500 kg/m3）下，當(dāng)水灰比從0.5增大至0.7時(shí)，泡沫水泥的相對極限剪切應(yīng)力和相對黏度均有不同程度的降低。當(dāng)水灰比為0.5時(shí)，3種不同密度等級(jí)的泡沫水泥相對極限剪切應(yīng)力比較接近，水灰比為0.6時(shí)，500kg/m3的泡沫水泥相對黏度和相對極限剪切應(yīng)力有大幅度的下降?？梢娮粤髌脚菽嗟牧鲃?dòng)性隨著水灰比增大而降低，對于不同密度等級(jí)的自流平泡沫水泥，有其最佳的水灰比，對于500 kg/m3泡沫水泥，最佳水灰比為0.6，對于300、400 kg/m3泡沫水泥，最佳水灰比為0.65。

2.1.3促凝劑對自流平泡沫水泥流變性能的影響

綜合考慮泡沫水泥的力學(xué)性能和流變性能，在水灰比為0.5、密度為400 kg/m3、不摻減水劑條件下，研究促凝劑摻量對泡沫水泥流變性的影響，結(jié)果見圖4。

圖4　不同促凝劑摻量下自流平泡沫水泥的流變性

由圖4可見，促凝劑摻量小于1%時(shí)，少量促凝劑導(dǎo)致泡沫消泡，實(shí)際水灰比略高于設(shè)計(jì)水灰比，相對黏度和相對剪切應(yīng)力比未摻促凝劑條件下稍有降低；當(dāng)促凝劑摻量為1%時(shí)，相對極限剪切應(yīng)力為14.533N·mm，相對黏度為0.0285N·mm·min，均達(dá)到了最低值；隨著促凝劑摻量進(jìn)一步增加，相對極限剪切應(yīng)力和相對黏度明顯增大，同時(shí)自流平泡沫水泥漿體的流動(dòng)性大大降低，這是由于促凝劑摻量增加，加速了水泥水化反應(yīng)，故流變性發(fā)生明顯變化，對水泥漿體的流變性能產(chǎn)生不利影響。

2.1.4減水劑對自流平泡沫水泥流變性能的影響

課后的任務(wù)布置環(huán)節(jié)只有一項(xiàng)，用寫作平臺(tái)上傳作文，要求每位學(xué)生在規(guī)定時(shí)間內(nèi)寫（上傳）一篇不少于150字的以“我的母親”為題的敘述性描寫類文章。下節(jié)課上課前，由同伴互評(píng)，小組評(píng)選一份“佳作”，下節(jié)課課上展示。

在水灰比為0.5、密度為400 kg/m3、不摻促凝劑條件下，研究減水劑摻量對泡沫水泥流變性的影響，結(jié)果見圖5。

由圖5可見，隨著減水劑摻量從0增大到0.16%，相對極限剪切應(yīng)力從21.713N·mm降低至13.646N·mm，降低了37.2%，相對黏度先減小后增大。由于較低摻量減水劑的減水作用使得漿體的相對黏度降低，當(dāng)減水劑摻量超過0.08%，聚羧酸減水劑表現(xiàn)出明顯增黏效果。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是聚羧酸高效減水劑具有“梳型”分子結(jié)構(gòu)，可以吸附在水泥顆粒表面形成空間梳裝狀排列，依靠吸附粒子間靜電斥力作用而產(chǎn)生較強(qiáng)的減水作用，使水泥顆粒相互分散，絮凝結(jié)構(gòu)破壞，釋放出被包裹部分水，從而有效增大混凝土拌合物理的流動(dòng)性，降低極限剪切應(yīng)力與相對黏度；而當(dāng)減水劑摻量增大后，“梳型”分子結(jié)構(gòu)形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，嚴(yán)重影響了水泥的流動(dòng)性。綜合來看，減水劑的摻入對于改善低密度泡沫水泥漿體的流變性有重要作用。

圖5　不同減水劑摻量下自流平泡沫水泥的流變性

2.2自流平泡沫水泥力學(xué)性能影響因素研究

2.2.1水灰比對自流平泡沫水泥力學(xué)性能的影響

水灰比不僅影響泡沫水泥漿體的流變特性及制備過程泡沫的破壞程度，還對水泥凝結(jié)硬化產(chǎn)生重要影響[6]。水灰比對不同密度（300、400、500kg/m3）泡沫水泥抗壓強(qiáng)度的影響見圖6。

由圖6可見，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，不同密度泡沫水泥的抗壓強(qiáng)度，隨著水灰比的增大呈先提高后降低的趨勢。當(dāng)水灰比為0.6時(shí)，泡沫水泥的7d和28d抗壓強(qiáng)度均達(dá)到最大值。由于低水灰比時(shí)漿體黏度較大，不利于氣孔的均勻分布，而導(dǎo)致泡沫水泥的強(qiáng)度較低；水灰比過大，泡沫水泥漿體稠度低，形成氣孔的阻力減小，大孔和連通孔的數(shù)量增加，導(dǎo)致氣孔壁變薄，泡沫水泥的抗壓強(qiáng)度降低[7]。通過力學(xué)性能對比，在流動(dòng)度均不小于70 mm的條件下，水灰比為0.6時(shí)制備的泡沫水泥強(qiáng)度最高。

研究促凝劑摻量對400 kg/m3具有自流平效果（流動(dòng)度大于70 mm）泡沫水泥抗壓強(qiáng)度的影響，配合比和測試結(jié)果如表1所示。

圖6　不同水灰比下泡沫水泥的抗壓強(qiáng)度

表1　促凝劑摻量對400 kg/m3泡沫水泥抗壓強(qiáng)度的影響

由表1可見，當(dāng)促凝劑摻量從0增加到4%時(shí)，泡沫水泥的28 d抗壓強(qiáng)度從1.3 MPa下降到0.6 MPa，下降了53.8%。促凝劑是影響泡沫水泥性能的一個(gè)重要因素，在水泥漿體中加入一定量的促凝劑，會(huì)使其凝結(jié)時(shí)間有很大程度的改善，硝酸鹽類促凝劑在水泥基體的摻量超過一定限值后，會(huì)嚴(yán)重影響水泥基材料的強(qiáng)度[7-8]。這是由于隨著促凝劑摻量的增加，泡沫水泥的相對黏度逐漸增大，泡沫混合均勻性變差，氣孔變得不均勻，最終導(dǎo)致泡沫水泥強(qiáng)度的下降。由于本實(shí)驗(yàn)主要研究促凝劑對泡沫水泥強(qiáng)度影響規(guī)律，水灰比普遍較大，故400 kg/m3的泡沫水泥28 d強(qiáng)度普遍較低。

2.2.3減水劑對自流平泡沫水泥力學(xué)性能的影響

采用物理發(fā)泡法制備低密度泡沫水泥需要加入大量的泡沫，基體料漿黏度過大，不利于漿體與泡沫的混合均勻，基體料漿黏度過小，泡沫水泥料漿過稀容易發(fā)生離析，泡沫發(fā)生合并且破裂[8]。本試驗(yàn)研究了減水劑摻量對400 kg/m3具有自流平效果（流動(dòng)度大于70 mm）泡沫水泥抗壓強(qiáng)度的影響，配合比和測試結(jié)果如表2所示。

由表2可見，隨減水劑摻量的增加，400 kg/m3泡沫水泥的7 d、28 d抗壓強(qiáng)度先提高后降低，7 d抗壓強(qiáng)度最高達(dá)到1.7 MPa。當(dāng)減水劑摻量超過臨界值（0.12%）時(shí)，因漿體流動(dòng)性過大，出現(xiàn)泡沫和漿體離析，同時(shí)減水劑摻量過多，會(huì)導(dǎo)致混凝土的硬化過程變慢，進(jìn)而使泡沫水泥的強(qiáng)度降低[5]。

表2　減水劑摻量對400 kg/m3泡沫水泥抗壓強(qiáng)度的影響

3　結(jié)論

（1）對于不同密度的自流平泡沫水泥有其最佳的水灰比，500 kg/m3泡沫水泥的最佳水灰比為0.6，300、400 kg/m3泡沫水泥的最佳水灰比為0.65。

（2）在水灰比為0.5時(shí)，400 kg/m3自流平泡沫水泥中減水劑的最佳摻量為0.12%，減水劑摻量過多會(huì)出現(xiàn)分層現(xiàn)象。

（3）少量促凝劑的加入可以降低漿體的相對極限剪切應(yīng)力和相對黏度，自流平泡沫水泥在水灰比為0.5時(shí)，本實(shí)驗(yàn)所用促凝劑的建議摻量為1%。

（4）自流平泡沫水泥的7d和28d抗壓強(qiáng)度隨水灰比和減水劑摻量的增加呈先提高后降低的趨勢，這與普通泡沫水泥的強(qiáng)度變化規(guī)律一致。

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Study on properties of self-leveling foamed cement

NIU Yunhui1，JIANG Jun2，ZHANG Yuping2，ZHAO Zhiqiang2
（1.State Key Laboratory Cultivation Base for Nonmetal Composite and Function Materials，Mianyang 621000，China；2.School of Materials Science and Engineering，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621000，China）

Foamed cement has been developing rapidly in the field of building insulation，foamed cement viscosity is large because of adding bubble into the slurry，usually needs artificial leveling operations after construction.according rheometer This paper will focus on mechanical properties and impact of admixture on rheological property as the change of water cement ratio and the admixture content under the condition of the 300～500 kg/m3.Results show that self-leveling foamed cement has best water-cement ratio under different densities，the best dosage of water reducing agent was 0.12%，recommended coagulant dosage is 1%，admixture of self-leveling foamed cement performance was consistent with ordinary foamed cement.

self-leveling，foamed cement，mechanical property，rheological property

TU528.2

A

1001-702X（2016）10-0102-04

國家專項(xiàng)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFC0701004）

2016-08-24；

2016-10-10

牛云輝，男，1984年生，陜西寶雞人，助教，主要從事先進(jìn)建筑材料方向研究工作。