段世榮

（貴州省甕安縣住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局，貴州 甕安 550400）

作為一種新型的建筑保溫材料，泡沫混凝土質(zhì)量輕，具有優(yōu)良的保溫隔熱性和防火性能。但泡沫混凝土存在強度偏低[1]、韌性差[2]、收縮大的缺陷[3]，限制了其推廣應(yīng)用。對于密度小于700 kg/m3的泡沫混凝土，當內(nèi)部存在微小裂紋時便會導(dǎo)致該系列產(chǎn)品出現(xiàn)嚴重的質(zhì)量問題[4-6]。

泡沫混凝土更多的是采用纖維素來實現(xiàn)增韌阻裂[7]，而纖維素的種類對泡沫混凝土制品的增韌效果存在較大差異[8]，傳統(tǒng)泡沫混凝土增韌制品研究主要是集中于毫米級材料的增韌阻裂等方面[9]，對于微米級和納米級纖維增韌性研究較少。碳酸鈣晶須作為一類纖維狀單晶體，其直徑處于亞微米和納米級[10]。將碳酸鈣晶須填充到泡沫混凝土中，對泡沫混凝土的增韌效果明顯，并且碳酸鈣晶須具有價格低廉的特點，較高的耐磨性和保溫性，具有很高的實際應(yīng)用價值[11-13]?；诖?，本文對以碳酸鈣晶須作為納米纖維增韌材料的泡沬混凝土的性能進行分析，并進行了機理研究，為泡沫混凝土的推廣應(yīng)用提供理論支持。

1 試驗

1.1 主要原材料

水泥：P·O42.5，玉山水泥公司生產(chǎn)；發(fā)泡劑：SY-F30，山東煙臺嘉世建筑公司生產(chǎn)；減水劑：SW-4，高效萘系減水劑，減水率20%，固含量40%，摻量推薦為0.5%～1.5%，大連源泉建筑公司生產(chǎn)；粉煤灰：Ⅱ級，京能熱電有限公司產(chǎn)；石英砂：黔南布依族苗族自治州產(chǎn)；膨脹珍珠巖：貴州貴宏盛保溫材料有限公司生產(chǎn)；穩(wěn)泡劑：S-1，廊坊市騰大化工有限公司產(chǎn)；碳酸鈣晶須：四川蜀陽化工生產(chǎn)的增強型碳酸鈣晶須，具有較強的機械強度和摩擦系數(shù)，耐熱性能優(yōu)異，使用壽命長等優(yōu)點，產(chǎn)品無毒、無污染，其主要化學成分見表1。

表1 碳酸鈣晶須的主要化學成分 %

1.2 配合比設(shè)計

泡沫混凝土設(shè)計密度為800～1100 kg/m3，發(fā)泡劑按m（發(fā)泡劑）∶m（水）=1∶20的比例稀釋。先將干料用攪拌機干攪混合，再將碳酸鈣晶須摻入其中，最后混入泡沫。按照少量多次的制備原則，每次泡沫混凝土的制備量較少，為防止飛濺，采用微型攪拌器發(fā)泡和混泡。試件尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm。表2為不同密度等級泡沫混凝土的基準配合比，試驗時分別摻入占水泥質(zhì)量1%、3%、5%的碳酸鈣晶須。

表2 不同密度等級泡沫混凝土的基準配合比 kg

2 碳酸鈣晶須增韌泡沫混凝土的結(jié)構(gòu)

2.1 碳酸鈣晶須增韌泡沫混凝土的微觀結(jié)構(gòu)

2.1.1 碳酸鈣晶須在泡沫中的排布

泡沫的穩(wěn)定性和泡徑尺寸是影響泡沫混凝土的2個主要因素，該因素與表面活性劑和表面張力相關(guān)。降低表面能能夠獲得泡徑相對較小且穩(wěn)定的液態(tài)泡沫。納米尺寸的晶須摻入泡沫混凝土中具有微粉末作用，能夠起到穩(wěn)泡的效果。碳酸鈣晶須降低了氣泡的表面能，增加了膜的韌性和穩(wěn)定性。圖1為密度等級為800 kg/m3條件下光學顯微鏡下拍攝的氣泡膜，小徑氣泡均勻分布，從孔徑尺寸可以看出，摻3%晶須后氣泡的尺寸明顯減小。同時，液態(tài)泡沫表面覆蓋著穩(wěn)定的碳酸鈣晶須，對于成型泡沫混凝土而言，晶須在多孔性方面具有很好的改良效果。事實上，碳酸鈣晶須加入到泡沫混凝土中有效提高了泡沫膜的彈性和機械強度，使液膜不易破裂；液膜的排液速度得到延續(xù)，泡沫呈現(xiàn)出雙電子層的致密結(jié)構(gòu)，更為細小均勻，有效提高了分子間作用力和液膜的自我修復(fù)能力。

圖1 晶須在泡沫中排布

2.1.2 晶須在基壁的排布

為保證泡沫混凝土基體的孔壁處能夠富集碳酸鈣晶須，分別將碳酸鈣晶須摻入混凝土膠結(jié)料和混合制泡過程中，碳酸鈣晶須作為礦物微纖維對泡沫混凝土基壁結(jié)構(gòu)具有改良作用，可有效減少氣泡的合并和破裂，提高氣泡穩(wěn)定性，同時，作為孔隙充填物，封閉了水泥結(jié)構(gòu)中的部分間隙，晶須與水泥漿體內(nèi)部的水泥發(fā)生水化作用，生成了三維網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)形式。圖2為碳酸鈣晶須在孔壁的整體SEM結(jié)構(gòu)照片。圖中柱狀結(jié)構(gòu)為碳酸鈣晶須，可以看出，在泡沫混凝土孔壁上覆蓋了大量晶須成分，從而對孔壁起到支撐穩(wěn)固作用，形成了較為穩(wěn)固狀態(tài)。

圖2 晶須在孔壁排布的SEM照片

圖3為晶須在基壁排布的掃描電鏡照片。

圖3 晶須在基壁排布的SEM照片

由圖3可見，摻入碳酸鈣晶須后，基壁得到了充分水化，整個基體組成相對較為致密，晶須和水泥基體融合在一起，呈三維亂向分布。

2.2 各因素對泡沫混凝土孔結(jié)構(gòu)的影響

2.2.1 減水劑對泡沫混凝土孔結(jié)構(gòu)的影響

圖4為密度等級為800 kg/m3條件下，未摻減水劑和摻減水劑下的泡沫混凝土的微觀結(jié)構(gòu)。

圖4 未摻和摻加減水劑的泡沫混凝土的微觀結(jié)構(gòu)

由圖4可見，未摻減水劑時，泡沫混凝土孔徑大小極不均勻，大孔間夾雜著諸多的小空隙；摻入減水劑后，泡徑由混亂的不均勻狀轉(zhuǎn)化為均勻狀，混凝土孔結(jié)構(gòu)得到了較大改善。2.2.2 晶須對泡沫混凝土孔結(jié)構(gòu)的影響

圖5為密度等級為800 kg/m3條件下，不同晶須摻量的泡沫混凝土的微觀形貌。

圖5 不同晶須摻量的泡沫混凝土結(jié)構(gòu)

由圖5可見，晶須摻量為3%時的孔徑大小和分布一致性最優(yōu)。當晶須摻量較低時，摻入晶須僅僅破壞了部分泡沫結(jié)構(gòu)，并未形成完整的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；當晶須摻量達到3%時，漿體內(nèi)晶須結(jié)構(gòu)與水化水泥共同形成了穩(wěn)固的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，隨著晶須摻量的繼續(xù)提高，則易形成分散性較差的團聚結(jié)構(gòu)，優(yōu)化效果大幅下降。

3 碳酸鈣晶須增韌泡沫混凝土的性能分析

3.1 對吸水率和導(dǎo)熱系數(shù)的影響

本試驗選擇了800、900、1100 kg/m3等3個干密度等級泡沫混凝土進行研究，碳酸鈣晶須對泡沫混凝土質(zhì)量吸水率和導(dǎo)熱系數(shù)的影響見圖6、圖7。

圖6 碳酸鈣晶須摻量對泡沫混凝土吸水率的影響

由圖6可知，當密度等級為800、900 kg/m3時，隨碳酸鈣晶須摻量的增加，試件的吸水率基本呈減小的趨勢；而密度等級為1100 kg/m3時，隨碳酸鈣晶須摻量的增加，試件的吸水率逐漸增大。碳酸鈣晶須摻量相同時，隨泡沫混凝土密度的增大，試件的吸水率逐漸減小，這是因為密度的增大導(dǎo)致試件的孔隙率下降，從而減小了泡沫混凝土的吸水面積。

圖7 碳酸鈣晶須摻量對泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響

由圖7可見，碳酸鈣晶須摻量相同時（1%～5%范圍內(nèi)），隨泡沫混凝土密度的增大，試件的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸增大；密度等級相同時，摻1%～5%碳酸鈣晶須的泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)均低于未摻碳酸鈣晶須的泡沫混凝土，可見，碳酸鈣晶須摻量在一定范圍時，則相應(yīng)密度等級下的泡沫混凝土仍然可以獲得較為優(yōu)異的保溫性能。

3.2 對抗壓強度的影響（見圖8）

圖8 碳酸鈣晶須摻量對泡沫混凝土抗壓強度的影響

由圖8可見，碳酸鈣晶須摻量相同時，隨泡沫混凝土密度的增大，試件的抗壓強度逐漸提高。密度等級為800、900 kg/m3時，碳酸鈣晶須的摻入對試件的抗壓強度影響并不明顯；密度等級為1100kg/m3時，碳酸鈣晶須的摻入對材料的抗壓強度影響較明顯，當晶須摻量為1%時，試件的抗壓強度最高，較未摻晶須的提高了34.0%；當晶須摻量超過1%后對試件抗壓強度的提升作用開始下降，當摻量為5%時，試件的抗壓強度較未摻晶須的只提高了8.3%。

3.3 對劈裂抗拉強度的影響（見圖9）

由圖9可見，碳酸鈣晶須摻量相同時，隨泡沫混凝土密度的增大，試件的劈裂抗拉強度逐漸提高；密度等級為1100kg/m3的試件相對于800 kg/m3的試件，其劈裂抗拉強度提高了近10倍。當密度等級為800 kg/m3時，晶須摻量由1%提高到3%時，試件的劈裂抗拉強度由0.15 MPa提高到0.45 MPa，提升效果顯著。不同密度等級下，當晶須摻量小于3%時，對試件的劈裂抗拉強度具有較大的促進作用；但當晶須摻量大于3%后，隨晶須摻量的增加，劈裂抗拉強度降低。

圖9 碳酸鈣晶須摻量對泡沫混凝土劈裂抗拉強度的影響

3.4 對收縮性能的影響（見圖10）

圖10 碳酸鈣晶須摻量對泡沫混凝土收縮性的影響

由圖10可見，在不同齡期下，隨著密度等級的增大，試件的收縮值逐漸減?。浑S著齡期的延長，試件的收縮值增大。不同密度等級下56 d齡期相對于7 d齡期下的收縮值增大了100%。隨著碳酸鈣晶須摻量的增加，試件的收縮值整體呈現(xiàn)減小趨勢，當碳酸鈣晶須摻量超過3%時，減小趨勢漸趨于平緩。由此可知，晶須的摻入可有效阻止泡沫混凝土的收縮。通過分析可知，晶須摻量對密度等級較低的泡沫混凝土的收縮值影響最大。

4 結(jié)語

（1）碳酸鈣晶須呈三維亂向分布在泡沫混凝土中，降低了泡沫表面張力；碳酸鈣晶須的摻入能夠降低泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)，提高保溫性能；當碳酸鈣晶須量為3%時獲得最優(yōu)的綜合物理性能。

（2）摻入碳酸鈣晶須能夠有效提高泡沫混凝土的抗壓強度，當密度等級為1100kg/m3，碳酸鈣晶須摻量為1%時，抗壓強度較未摻晶須的提高了34%；當碳酸鈣晶須摻量為3%時，獲得最優(yōu)的劈裂抗拉強度和收縮率。

（3）綜合考慮，碳酸鈣晶須的最佳摻量為3%，能有效提高泡沫混凝土的保溫性能以及抗壓和劈裂抗拉強度，實現(xiàn)增韌、防開裂的效果。

[1] 呂桂珍，王偉令.建筑外墻保溫技術(shù)淺析[J].經(jīng)濟技術(shù)協(xié)作信息，2009（5）：99.

[2] 吳月月，倪修全，王德明.泡沫-EPS輕集料混凝土配合比及性能試驗研究[J].混凝土，2012（4）：131-133.

[3] 趙武勝，陳衛(wèi)忠，譚賢君，等.高性能泡沫混凝土隧道隔震材料研究[[J].巖土工程學報，2013，35（8）：1544-1552.

[4] Ramamurthy K，Kunhanandan Nambiar E K，Indu Siva Ranjani G.A classification of studies on properties offoam concrete[J].Cement and Concrete Composites，2014，31（6）：388-396.

[5] 鄧容有.隔熱泡沫混凝土的工程應(yīng)用[J].建筑技術(shù)開發(fā)，2011，（2）：41-43.

[6] 唐虹.泡沫混凝土在現(xiàn)代建筑中的應(yīng)用[J].貴州工業(yè)大學學報（自然科學版），2015（3）：115-117.

[7] 潘志華，陳國瑞，李東旭.現(xiàn)澆泡沫混凝土常見質(zhì)量問題分析及對策[J].新型建筑材料，2014（1）：4-7.

[8] 陳兵，劉睫.纖維增強泡沫混凝土性能試驗研究[J].建筑材料學報，2010（3）：286-290.

[9] 鄧均，霍冀川，宋言紅，等.聚乙烯醇纖維泡沫混凝土的性能試驗[J].混凝土與水泥制品，2012（2）：41-44.

[10] 趙星，霍冀川，高亞，等.玄武巖纖維增強泡沫棍凝土性能的研究[J].混凝土與水泥制品，2012（12）：54-57.

[11] 詹炳根，郭建雷，林興勝.玻璃纖維增強泡沫混凝土性能試驗研究[J].合肥工業(yè)大學學報（自然科學版），2014（2）：226-229.

[12] 牛云輝，盧忠遠，嚴云，等.泡沫混凝土整體現(xiàn)澆墻體工程應(yīng)用研究[J].新型建筑材料，2013（3）：25-29.

[13] 李應(yīng)權(quán)，朱立德，李菊麗，等.泡沫混凝土配合比的設(shè)計[J].徐州工程學院學報（自然科學版），2014（2）：1-5.