絕干密度和抗壓強度是泡沫混凝土應用時最重要的兩個技術指標。研究表明，在組成、配比和制備工藝相同時，泡沫混凝土抗壓強度與絕干密度之間具有良好的相關性。通過控制泡沫混凝土濕密度，進而控制絕干密度，可達到控制抗壓強度的目的。本文在大量試驗基礎上，通過回歸得到了絕干密度在
400kg/m³-1100kg/m³之間泡沫混凝土抗壓強度與絕干密度的乘冪方程式，相關系數(shù)R2均大于0.95，相關性很好。在水泥-粉煤灰-泡沫-水原料體系中，摻加適量粉煤灰將有助于提高泡沫混凝土抗壓強度，提高抗裂性，同時可降低生產(chǎn)成本。
【關鍵詞】泡沫混凝土；粉煤灰；絕干密度；抗壓強度；乘冪方程式；相關系數(shù)
0 前 言
泡沫混凝土是用物理方法將泡沫劑水溶液制成泡沫，再將泡沫加入到由水泥、骨料、摻合料、外加劑和水等制成的料漿中，經(jīng)混合攪拌、澆注成型、自然或蒸汽養(yǎng)護制成的多孔混凝土。其中含有大量封閉孔隙，因而表現(xiàn)出良好的物理力學性能和使用功能，如輕質(zhì)、保溫、隔熱、防潮、隔聲等。泡沫混凝土在墻
體屋面保溫隔熱工程、輕質(zhì)混凝土構件與制品、建筑物地暖系統(tǒng)、大型隧道、高等級公路和地鐵回填工程、建筑物輕質(zhì)墊層、吸隔聲屏障等具有巨大的市場需求和廣闊的推廣應用前景[1-4]。
現(xiàn)階段我國泡沫混凝土的設計與施工尚缺乏標準和技術規(guī)范，只能靠經(jīng)驗或通過大量試驗來實施泡沫混凝土應用，不利于泡沫混凝土質(zhì)量控制和技術發(fā)展。研究原料組成對泡沫混凝土性能的影響，探討泡沫混凝土絕干密度與抗壓強度相關性，建立絕干密度與抗壓強度經(jīng)驗公式，不但能正確指導泡沫混凝土組成
優(yōu)化和配比設計，而且可節(jié)省財力，簡化試驗試配和質(zhì)量控制工作，加快泡沫混凝土的推廣應用。本文探討了主要組分對泡沫混凝土強度的影響，建立了最基本的泡沫混凝土配合比設計方法，并以最常用的水泥-粉煤灰-泡沫-水原料體系泡沫混凝土為研究對象，研究絕干密度在400kg/m³-1100kg/m³之間的泡沫
混凝土絕干密度與抗壓強度的相關性。
1 組成對泡沫混凝土強度的影響
泡沫混凝土主要組組分包括水泥、泡沫劑、骨料、粉煤灰、外加劑和水。必要時，可根據(jù)使用要求增加其它組成，如短切纖維、有機高分子聚合物。
1.1 水泥
水泥是泡沫混凝土強度的主要來源，也是首要影響因素。為達到強度最大化，每個設計絕干密度的泡沫混凝土均有一個最佳水泥用量。原材料體系不同，水泥用量對泡沫混凝土強度的影響規(guī)律并不一致。在非凈漿體系中，泡沫混凝土強度先隨水泥用量增加而提高，當超過最佳水泥用量后，強度則隨水泥用量繼
續(xù)增加而降低。在凈漿體系中，水泥用量則相對固定，只有水泥強度等級仍對泡沫混凝土強度產(chǎn)生影響。
硅酸鹽系列水泥來源廣泛、質(zhì)量穩(wěn)定、經(jīng)濟、耐久性好，因而被泡沫混凝土行業(yè)廣泛使用。硫(鐵)鋁酸鹽第三系列水泥在泡沫混凝土漿體形成、結構穩(wěn)定性、早期強度發(fā)展等方面具有特色，應用逐年增加，在一些特殊重點工程中的應用相繼取得成功。
1.2 泡沫劑
能產(chǎn)生泡沫的物質(zhì)很多，但并非所有能產(chǎn)生泡沫的物質(zhì)都能作為泡沫劑使用。只有產(chǎn)生的泡沫在與砂(凈)漿混合時不破裂，具有足夠穩(wěn)定性，且不影響膠凝材料凝結和硬化的物質(zhì)才能用于制備泡沫劑。通過改變泡沫添加量，可制成不同漿體密度和絕干密度的泡沫混凝土，泡沫混凝土強度也將因泡沫引入量不同
而不同。優(yōu)選泡沫劑品種和確定最佳摻量是制備高性能泡沫混凝土的必要條件。
1.3 骨料
制備泡沫混凝土骨料通常分為普通集料、輕骨料和超輕骨料三類。根據(jù)泡沫混凝土密度和強度要求，決定是否采用骨料和采用哪類骨料。骨料品種和表觀密度對泡沫混凝土強度影響明顯。為保證泡沫混凝土密度，用輕骨料比用普通骨料可使水泥漿體形成的結構更致密。泡沫混凝土抗壓強度通常較低，抗壓破壞
通常發(fā)生在含有大量氣孔的水泥基基體中。與普通混凝土相比，使用密度較低的骨料將明顯提高泡沫混凝土抗壓強度。
1.4 粉煤灰
鑒于粉煤灰來源廣泛、價格低廉，并具有一定活性，成為泡沫混凝土的首選摻合料。粉煤灰能顯著提高泡沫混凝土的后期強度，改善成型效果。
1.5 外加劑
泡沫混凝土常用外加劑包括分散劑、早強劑、速凝劑、防水劑、憎水劑。早強劑和速凝劑可加速泡沫混凝土結構的形成過程和強度發(fā)展，提高漿體結構穩(wěn)定性。
2 配合比設計研究
泡沫混凝土配合比設計依據(jù)固定原材料重量法和固體混合料體積法進行。通過檢測泡沫混凝土濕密度，進而控制泡沫混凝土絕干密度和均勻性，達到控制泡沫混凝土抗壓強度目的。
2.1 固定原材料重量法
以水泥-粉煤灰-泡沫-水原料體系泡沫混凝土為研究對象。設計參數(shù)：
泡沫混凝土設計絕干密度為r干，單位為kg/m³；
基本用水量為yw，單位為kg/m³。
基本水料比為ω，取值見表1。視粉煤灰摻量和泡沫劑質(zhì)量作適當調(diào)整；
水泥用量為yC，單位為kg/m³。水泥水化修正系數(shù)k1，經(jīng)驗值取k1=0.10；
粉煤灰用量為yf，單位為kg/m³；粉煤灰水化修正系數(shù)k2，經(jīng)驗值取k1=0.02；
粉煤灰摻量為η，單位為%；
配合比設計關系式見式(1)和式(2)：
k1yC+ k2yf=ρ干 (1)
yf/(yf +yC)=h (2)
水泥、粉煤灰和水用量按式(3)、式(4)和式(5)計算：
yf=ηρ干/((1-η)k1+ηk2) (3)
yC=(1-η)ρ干/( (1-η)k1+ηk2) (4)
yw=w(yC+yf) (5)
2.2 固定混合料體積法
1m³泡沫混凝土中，由水泥、粉煤灰和水組成的漿體總體積為V1，泡沫添加量V2按式(6)計算。即配制單位體積泡沫混凝土，由水泥、粉煤灰和水組成漿體體積不足部分由泡沫填充。
V2= k3(1-V1) (6)
式中：V2——泡沫添加量，單位為m³；
V1——加入泡沫前，水泥、粉煤灰和水組成的漿體總體積，單位為m³；
k3——富余填充系數(shù)，k3通常大于1，視泡沫劑質(zhì)量和制泡時間而定。主要考慮泡沫加入到漿體中再混合時的損失。
2.3 泡沫混凝土漿體密度
泡沫混凝土漿體密度ρ濕按式(7)計算：
ρ濕= (1+ω)ρ干/(ηk2+(1-η)k1) +V2/Fv (7)
式中：ρ濕——泡沫混凝土漿體密度，單位為kg/m³；
Fv——泡沫劑水溶液發(fā)泡量，單位為m³/kg。
3．泡沫混凝土絕干密度與抗壓強度相關性
3.1 試驗研究
3.1.1 原材料
水泥：北京琉璃河水泥廠產(chǎn)42.5普通硅酸鹽水泥。
粉煤灰：北京石景山發(fā)電廠產(chǎn)Ⅲ級干排粉煤灰。
混凝土泡沫劑：白色粉末，CCW-2008型，中國建筑材料科學研究總院研制。具有起泡、穩(wěn)泡、增粘、防水功能。
3.1.2 試樣制備
首先使用高速攪拌機(轉速700轉/min)將設定比例的泡沫劑水溶液制成泡沫，攪拌時間以泡沫達到均勻、細小、穩(wěn)定為準。再按設定比例計量水泥、粉煤灰和水，使用砂漿攪拌機將其攪拌成均勻漿體，攪拌時間控制在180s。然后在漿體中加入一定體積的泡沫，繼續(xù)攪拌至均勻為止，預計時間在180s左右。采用
固定混合料體積法和原材料重量法來控制泡沫混凝土混合料密度，進而控制泡沫混凝土密度。成型好的試件在室內(nèi)放置，用塑料布覆蓋。2d-5d(時間長短視CFC密度而定)后脫模，在室內(nèi)密封條件下養(yǎng)護至試驗齡期。
3.1.3 性能測試
測試試件28d齡期的抗壓強度、絕干密度和吸水率，試驗方法參照JC/T 1062-2007《泡沫混凝土砌塊》進行。試件尺寸為100mm×100mm×100mm。
3.2 試驗結果
泡沫混凝土設計絕干密度ρ干取400kg/m³、500kg/m³、600kg/m³、700kg/m³、800kg/m³、900kg/m³和1000kg/m³，對應的基本水料比w分別取0.69、0.64、0.60、0.56、0.54、0.52和0.50，粉煤灰摻量η取0、10%、20%、30%和40%。測試28d齡期泡沫混凝土的抗壓強度和絕干密度。粉煤灰摻量為0、
10%、20%、30%和40%時，泡沫混凝土絕干密度與抗壓強度相關性回歸曲線。回歸結果列于表2。
顯然，不論是否摻加粉煤灰，還是粉煤灰摻量有所變化，泡沫混凝土抗壓強度與絕干密度之間具有良好的相關性。即在組成、配比和制備工藝相同的前提下，泡沫混凝土抗壓強度與絕干密度基本是一一對應。而粉煤灰摻量則對泡沫混凝土抗壓強度值產(chǎn)生影響。
4 粉煤灰摻量對泡沫混凝土性能的影響
泡沫混凝土設計絕干密度ρ干取700kg/m³、800kg/m³、900kg/m³和1000kg/m³，對應的基本水料比ω分別取0.56、0.54、0.52和0.50，粉煤灰摻量η取0、10%、20%、30%和40%。含有不同摻量粉煤灰的泡沫混凝土，其28d抗壓強度計算結果列于圖6。結果表明，在水泥-粉煤灰-泡沫-水原料體系泡沫混凝土
中，粉煤灰占有適當比例，將有助于提高泡沫混凝土強度，而且可降低成本，降低收縮率，提高抗裂性（見圖7）。
粉煤灰中含有70%以上的玻璃體，主要成分是SiO2和Al2O3。在強堿激發(fā)作用下將顯現(xiàn)膠凝活性。在泡沫混凝土中，水泥因水化不斷放出強堿Ca(OH)2，與粉煤灰產(chǎn)生化學反應，生成具有膠凝性能的水化硅酸鈣、低硫型和高硫型水化硫鋁酸鈣，促進泡沫混凝土強度增長。
在早期，粉煤灰?guī)缀醪话l(fā)生火山灰反應，因此隨粉煤灰摻量增加，混凝土抗壓強度降低。表現(xiàn)為摻加粉煤灰的泡沫混凝土試塊脫模時間長，低絕干密度泡沫混凝土表現(xiàn)極為明顯。隨著泡沫混凝土養(yǎng)護齡期增加，粉煤灰火山灰作用和水泥水化反應的促進作用，以及粉煤灰微集料效應，摻加適量粉煤灰的泡沫混凝
土抗壓強度可以達到和超過純水泥泡沫混凝土(也稱泡沫水泥)。在本研究中，粉煤灰適宜摻量為20%。
5 結 論
(1) 組成是影響泡沫混凝土強度的首要因素，主要包括水泥品種和強度等級、骨料種類與絕干密度、粉煤灰品質(zhì)、外加劑品種和發(fā)泡倍數(shù)等。
(2) 泡沫混凝土配合比設計可依據(jù)固定原材料重量法和固體混合料體積法進行。即控制單位體積泡沫混凝土漿體中固體組分量和固體組分比例優(yōu)化。
(3) 在組成、配比和制備工藝相同的前提下，泡沫混凝土抗壓強度與絕干密度之間具有良好的相關性。通過檢測泡沫混凝土濕密度，進而控制泡沫混凝土絕干密度，從而達到控制泡沫混凝土抗壓強度的目的。
(4) 在水泥-粉煤灰-泡沫-水原料體系泡沫混凝土中，摻加適量粉煤灰將有助于提高泡沫混凝土抗壓強度，提高抗裂性，同時可降低生產(chǎn)成本。
參考文獻：
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