趙 進，徐俊偉，石芳婷，陳德鵬

(1.安徽工業(yè)大學建筑工程學院，安徽馬鞍山243032；2.馬鞍山中鑫工程質量檢測咨詢有限公司，安徽馬鞍山243000)

泡沫混凝土是一種具有綠色節(jié)能、輕質保溫等優(yōu)良性能的無機材料[1]，目前的主要應用形式為制品和現澆兩種[2]。其中現澆泡沫混凝土主要通過現場稱量、現場制漿攪拌的方法制備，這種制備方法不僅無法保證混凝土的質量，還會產生粉塵污染等問題，危害人體健康。泡沫混凝土的實際應用過程中，因工業(yè)排放物帶來的環(huán)境污染問題日益凸顯，將工業(yè)廢渣作為摻合料加入泡沫混凝土的方法逐漸被推廣。已有學者通過添加粉煤灰[3-5]、鋼渣[6-8]、鐵尾礦[9-11]等工業(yè)廢渣提升泡沫混凝土性能，實現固廢利用。考慮到當地鋼渣，粉煤灰兩種工業(yè)廢品排放量較高，若能添加鋼渣粉和粉煤灰制備出各性能滿足要求的泡沫混凝土，對固廢利用最大化具有重要意義和作用。為此，本文將預拌漿體運輸至現場，采用現場發(fā)泡混合的方法制備預拌現澆泡沫混凝土，開展不同水灰質量比和發(fā)泡時間條件下預拌現澆泡沫混凝土的性能測試實驗，研究鋼渣粉、粉煤灰摻量對預制泡沫混凝土性能的影響。

1 實驗

1.1 實驗材料

實驗所用水泥為安徽海螺牌P.O42.5級硅酸鹽水泥，其化學成分和性能指標如表1，2。鋼渣粉取自馬鞍山鋼鐵股份有限公司煉鋼所，且經球磨機磨成微粉末狀，其化學成分如表3。粉煤灰為馬鞍山鋼鐵資源管理公司的Ⅱ級粉煤灰，發(fā)泡劑選用河南華泰建材開發(fā)有限公司生產的HT 牌復合型發(fā)泡劑，產品性能指標見表4。減水劑選用山東萬山化工有限公司生產的粉末狀萘系高效減水劑。

表1 水泥化學成分，w/%Tab.1 Chemical composition of cement,w/%

表2 水泥性能指標Tab.2 Performance indexes of cement

表3 鋼渣粉化學成分，w/%Tab.3 Chemical composition of steel slag powder,w/%

1.2 組分配合比

1.2.1 對照組

預拌現澆泡沫混凝土的對照組為常規(guī)方法制備的泡沫混凝土，常規(guī)方法制備的泡沫混凝土成分配合比擴發(fā)泡時間見表5，其性能見表6。

表4 發(fā)泡劑性能指標Tab. 4 Performance indexes of foaming agent

表5 常規(guī)方法制備泡沫混凝土配合比及發(fā)泡時間Tab.5 Mix proportion and foaming time of foam concrete prepared by conventional method

表6 常規(guī)方法制備的泡沫混凝土性能Tab. 6 Properties of foam concrete prepared by conventional method

1.2.2 預拌現澆泡沫混凝土

影響預拌現澆泡沫混凝土品質的主要因素有預拌漿體的水灰質量比和混合前泡沫量。為得到各項性能與對照組性能(表6)相當的預拌現澆泡沫混凝土，實驗過程中，選取預拌漿體水灰質量比為0.30，0.35，0.40，發(fā)泡時間為3，4，5 min。另選取鋼渣粉質量分數為10%，15%，20%，25%；粉煤灰質量分數為10%，15%，20%，25%。實驗組分配合比及發(fā)泡時間見表7。

表7 預拌現澆泡沫混凝土實驗成分配合比及發(fā)泡時間Tab.7 Experimental mix proportion and foaming time of ready mixed cast-in-place foam concrete

1.3 預拌現澆泡沫混凝土的制備

按表7所示，確定水灰質量比，稱量對應組分水泥、粉煤灰和鋼渣粉的質量及預制漿體用水的體積，倒入桶中攪拌制成凈漿體，模擬40 min運輸過程。泡沫存放時間不宜過長，在混泡前10 min開始制泡，稱量發(fā)泡劑40 g和稀釋泡沫用水1 600 mL，用手持攪拌器攪拌分別發(fā)泡3，4，5 min確定最優(yōu)混泡的泡沫量，每分鐘取1次泡沫。制泡完成后將泡沫與預制漿體用物理攪拌的方式攪拌均勻倒入模具，3 d后拆模，放入標準養(yǎng)護箱中養(yǎng)護至規(guī)范要求時間，即得預拌現澆泡沫混凝土試件。

1.4 預拌現澆泡沫混凝土性能的測試

1.4.1 干密度

按1.3方法制備試件，尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，3塊為1組，標準養(yǎng)護28 d。測量試件實際體積后將試件放入電熱鼓風干燥箱(105±5)℃中烘干，干燥至恒定質量(干燥時須冷卻至室溫稱重，每4 h稱重1次，2次質量差不超過0.2%)，最終取平均質量。試件干密度計算公式為

式中：ρ為干密度，kg/m3；m為試件干燥情況下質量，g；V為試件體積，mm3。

1.4.2 抗壓強度

按1.3方法制備試件，尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，3個試件為1組。試件在標準養(yǎng)護箱中養(yǎng)護7，28，56 d，采用YE-200型液壓式壓力試驗機和DYE-300型水泥壓力試驗機檢測試件的抗壓強度。讀取試驗機上同組3個試件的抗壓強度數值，取其平均值為該組試件的抗壓強度。

1.4.3 導熱系數

按1.3 方法制備試件，尺寸為Φ100 mm×50 mm，3 塊為1 組。試件在標準養(yǎng)護箱中養(yǎng)護28 d 后，使用YBF-3型導熱系數測定儀測量試件的導熱系數。讀取儀器上同組3個試件的導熱系數數值，取其平均值為該組試件的導熱系數。

1.4.4 吸水率

按1.3方法制備試件，尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，3塊為1組，試件在標準養(yǎng)護箱中養(yǎng)護28 d。如1.4.1方法烘干試件，記錄試件最終平均質量。待試件冷卻至常溫，放入溫度為(20±5)℃的恒溫水中，然后分別加水淹沒試件的1/3，2/3，直至高于試件30 mm。淹沒浸泡24 h后，擦去表面水分，稱量同組3個試件質量，取其平均值。試件吸水率計算公式為

式中：W為吸水率；m為試件干燥情況下質量，g；m1為試件水飽和情況下質量，g；V為試件體積，mm3；ρw為水的密度，1 000 kg/m3。

1.4.5 軟化系數

式中：K為軟化系數；p1為試件水飽和狀態(tài)下抗壓強度，MPa；p2為正常養(yǎng)護狀態(tài)下抗壓強度，MPa。

2 實驗結果及分析

2.1 水灰質量比與發(fā)泡時間對預拌現澆泡沫混凝土性能的影響

2.1.1 干密度

水灰質量比和發(fā)泡時間對預拌現澆泡沫混凝土干密度的影響如圖4。從圖4可看出，預拌現澆泡沫混凝土干密度隨發(fā)泡時間和水灰質量比的增加而下降。這是由于發(fā)泡時間增加使泡沫體積和數量顯著增加，氣泡數量變多，導致混合漿體的體積增加，故單位體積內混合漿體質量減少。水灰質量比較低時，漿體水分較少，水泥顆粒缺水潤滑，易成團，混泡過程中泡沫難以進入水泥顆粒中間導致生產失??；水灰質量較高時，漿體流動性較大，易產生分層和塌模現象。當水灰質量比為0.35、發(fā)泡時間為3 min,4 min時，干密度等級為A05，適合生產。

2.1.2 抗壓強度

水灰質量比和發(fā)泡時間對預拌現澆泡沫混凝土28 d抗壓強度的影響如圖5。由圖5可看出，預拌現澆泡沫混凝土28 d抗壓強度隨發(fā)泡時間和水灰質量比的增加呈下降趨勢。這是因為隨著發(fā)泡時間的增加，泡沫數量增加，泡沫的增加取代了水泥，直接導致產品抗壓強度減少；水灰質量比增加，單位體積內水泥顆粒含量減少，泡沫和水含量增加，抗壓強度隨之減少。當水灰質量比為0.35、發(fā)泡時間為3 min時，預拌現澆泡沫混凝土抗壓強度最優(yōu)。

2.1.3 導熱系數

圖5 水灰質量比和發(fā)泡時間對預拌現澆泡沫混凝土抗壓強度的影響Fig.5 Influence of water cement mass ratio and foaming time on compressive strength of ready mixed castin-place foam concrete

水灰質量比和發(fā)泡時間對預拌現澆泡沫混凝土導熱系數的影響如圖6。由圖6可看出：隨漿體水灰質量比增加預拌現澆泡沫混凝土導熱系數降低，水灰質量比為0.30 時，導熱系數隨著發(fā)泡時間的增加而降低；水灰質量比為0.35時，導熱系數隨著發(fā)泡時間的增加先降低后升高；水灰質量比為0.40時，導熱系數隨著發(fā)泡時間的增加而升高。因為當發(fā)泡時間增加，混入漿體的泡沫數量增加，大量泡沫在內部連通成孔時使孔徑變大、熱反射面增加，內部穩(wěn)定且封閉氣孔也阻礙了空氣流動，使熱傳導媒介減少。因此，混泡澆筑后，試件內部氣孔直觀增加，氣孔導熱性能變差，使整體導熱系數減小。但是隨著發(fā)泡時間增加混入泡沫量持續(xù)增加，內部孔隙率處在一個較高水平時，泡沫量對形成內部封閉氣孔的影響減少，出現導熱系數變緩的趨勢。當水灰質量比為0.35、發(fā)泡時間為4 min 時，預拌現澆泡沫混凝土的導熱系數最低。

會議時間：2018年11月21日-25日(周三-周日) 報到及住宿地點：南京曙光國際大酒店 (南京市龍蟠路107號) 住宿預訂截止時間：2018 年 11 月 12 日 會議收費：900元(含資料費、會議餐費)，住宿及交通費用自理。

2.1.4 吸水率

水灰質量比和發(fā)泡時間對預拌現澆泡沫混凝土吸水率的影響如圖7。由圖7可看出，隨發(fā)泡時間和水灰質量比的增加，預拌現澆泡沫混凝土吸水率均呈上升趨勢。因為隨著水灰質量比增加，水泥顆粒間水分增加，顆粒間的潤滑度和分離直徑也增加，使泡沫更易進入水泥漿體的內部更好地與膠凝材料結合，現澆成的制品內部孔隙率也增加，導致吸水率的增加；發(fā)泡時間增加，泡沫體積與氣泡數目得到了顯著增加，導致內部氣孔增加，吸水率也隨之增加。當水灰質量比為0.35、發(fā)泡時間為5 min時，預拌現澆泡沫混凝土的吸水率最高。

2.1.5 軟化系數

水灰質量比和發(fā)泡時間對預拌現澆泡沫混凝土軟化系數的影響如圖8。由圖8可看出：當水灰質量比增加時，預拌現澆泡沫混凝土的軟化系數呈增大趨勢；隨著發(fā)泡時間的增加，試件軟化系數呈先增加后減小的趨勢，軟化系數均處于一個較優(yōu)范圍，可用于潮濕較輕或非主要結構中。

綜上，當水灰質量比為0.35、發(fā)泡時間為4 min時，預拌現澆泡沫混凝土各項性能與對照組的性能(表7)相當。因此，后續(xù)選用此配合比的預拌現澆泡沫混凝土進行實驗。

2.2 礦物摻合料對預拌現澆泡沫混凝土性能的影響

2.2.1 鋼渣粉

鋼渣粉摻量對預拌現澆泡沫混凝土性能的影響如圖9。由圖9可看出：適量的鋼渣粉可提升泡沫混凝土的抗壓強度，但摻量不宜超過20%(質量分數，下同)；導熱系數隨著鋼渣粉摻量的增加而增大，因為鋼渣相較水泥的導熱系數高；吸水率隨鋼渣粉摻量的增加而增大，這是因為鋼渣粉的膠凝性比水泥低，導致試件空隙變大。

圖6 水灰質量比和發(fā)泡時間對預拌現澆泡沫混凝土導熱系數的影響Fig.6 Influence of water cement mass ratio and foaming time on thermal conductivity of ready mixed castin-place foam concrete

圖7 水灰質量比和發(fā)泡時間對預拌現澆泡沫混凝土吸水率的影響Fig.7 nfluence of water cement mass ratio and foaming time on water absorption of ready mixed cast-inplace foam concrete

圖8 水灰質量比和發(fā)泡時間對預拌現澆泡沫混凝土軟化系數的影響Fig.8 Influence of water cement mass ratio and foaming time on softening coefficient of ready mixed castin-place foam concrete

上述分析表明，采用質量分數為10%，15%，20%，25%的鋼渣粉取代水泥制備干密度等級為A05的預拌現澆泡沫混凝土，當鋼渣粉質量分數為20%，其28 d 抗壓強度最高，為1.35 MPa；導熱系數較大，為0.165 W/(m·K)；吸水率較大，為32.46%，導熱系數和吸水率處于較優(yōu)的水平范圍。故用適量鋼渣粉取代水泥制備現澆泡沫混凝土可最大化實現固廢利用，節(jié)約資源。

圖9 鋼渣粉摻量對預拌現澆泡沫混凝土性能的影響Fig.9 Influence of steel slag powder on properties of ready mixed cast-in-place foam concrete

2.2.2 粉煤灰

粉煤灰摻量對預拌現澆泡沫混凝土性能的影響如圖10。由圖10可看出：當粉煤灰摻量為20%(質量分數，下同)時，抗壓強度優(yōu)于其他摻量；導熱系數隨粉煤灰摻量增加而降低，因為粉煤灰表面積較大，且孔隙率在較大的范圍可形成多孔型的整體結構，阻礙熱傳導速度；粉煤灰摻量為20%時，吸水率低。

圖10 粉煤灰摻量對預拌現澆泡沫混凝土性能的影響Fig.10 Influence of pulverized coal ash on properties of ready mixed cast-in-place foam concrete

上述分析表明，采用質量分數為10%，15%，20%，25%粉煤灰取代水泥制備干密度等級為A05預拌現澆泡沫混凝土，當粉煤灰質量分數為20%時，其28 d抗壓強度最高，為1.32 MPa；導熱系數較小，為0.146 W/(m·K)；吸水率較低，為22.17%，此時澆泡沫混凝土的性能優(yōu)于同干密度等級的、不摻礦物摻合料的預拌現澆泡沫混凝土。因此，用質量分數為20%的粉煤灰取代水泥制備現澆泡沫混凝土不僅可提升混凝土的性能，且可固廢利用、節(jié)約資源。

3 結 論

采用預制水泥漿體后再和泡沫混合的方法制備預拌現澆泡沫混凝土，研究不同水灰質量比和發(fā)泡時間下預拌現澆泡沫混凝土的性能，探討礦物摻合料對預拌現澆泡沫混凝土性能的影響，得出以下主要結論。

1)水灰質量比為0.35、發(fā)泡時間為3 min時，預拌現澆泡沫混凝土密度等級為A05，最適合生產；發(fā)泡時間為3 min時，預拌現澆泡沫混凝土28 d抗壓強度最佳；發(fā)泡時間為4 min時，預拌現澆泡沫混凝土導熱系數最低。水灰質量比為0.35、發(fā)泡時間為4 min時，預拌現澆泡沫混凝土的性能與普通方法制備泡沫混凝土的性能相當。

2)采用質量分數為20%的鋼渣粉取代水泥制備預拌現澆泡沫混凝土，預拌現澆泡沫混凝土的抗壓強度性能最優(yōu)，導熱系數和吸水率較高，但仍處于較優(yōu)的水平范圍。

3)采用質量分數為20%的粉煤灰取代水泥制備預拌現澆泡沫混凝土，預拌現澆泡沫混凝土的抗壓強度、導熱系數、吸水率等性能較不摻粉煤灰時均有提高。用適宜的粉煤灰取代水泥制備現澆泡沫混凝土不僅可提升混凝土的性能，且可固廢利用、節(jié)約資源。