贾艳涛，杨永敢

(1.河海大学力学与材料学院，南京 211100;2.东南大学材料科学与工程学院，南京 211189)



泡沫混凝土性能试验研究

贾艳涛1，杨永敢2

(1.河海大学力学与材料学院，南京 211100;2.东南大学材料科学与工程学院，南京 211189)

本文通过使用机械方法制备了不同种类的泡沫混凝土，并研究了不同容重(300～1200 kg/m3)、水胶比(0.3～0.6)、聚丙纤维、EPS颗粒对其力学性能的影响。采用了SEM分析了各配比的微观结构，进而解释其强度的变化。结果表明，容重是影响泡沫混凝土宏观及微观性能最重要的因素，通过容重的控制可以得到满足不同需要的产品，容重越大强度越高。此外，聚丙纤维的掺入在一定范围内可以增加强度；EPS颗粒的掺入可以降低容重，但也会带来强度的下降。

泡沫混凝土； 容重； 抗压强度； 微观机理

1 引 言

随着经济的发展，全球对能源的需求量日益增大，其中建筑能耗约占我国总能耗的25%～30%[1]，超过工业、交通、农业等其他产业，居各能耗之首。我国拥有全球最大的建筑市场，每年新增建筑面积约20亿m2，其中高能耗建筑占95%以上[2]。因此，若不采取节能措施，预计2020年建筑能耗将达到全国总能耗的50%以上[3]，这无疑将给国家经济带来巨大损失。除了能源问题，环境污染问题也日益严重。随着全球工业化进程的推进，各种有机含碳材料得到广泛应用，因此温室气体的浓度在不断的增长。比如目前二氧化碳的浓度已经超过0.0368% ，其是地球数十万年以来历史的最大值。据专家预测，目前全球每年排放二氧化碳约为470亿吨，假如不采取任何行动的话那么到2020年这个数字将达550亿吨以上[4]。因此无机保温材料取代有机保温材料符合发展的趋势。

然而，在无机保温材料中，泡沫陶瓷、泡沫玻璃的制备工艺要求很高，产量低而且价格很高，无法广泛应用；岩矿棉、玻璃棉等纤维保温材料的价格略低，但仍远高于泡沫混凝土，而且岩矿棉的能耗很高，不符合低碳经济节能减排的要求，并且会造成纤维粉尘污染，人体接触后容易引起皮肤过敏。因此，纤维保温材料不可能成为保温材料主体材料。玻璃微珠、膨胀珍珠岩等散粒保温材料的吸水率高，抗冻性差， 松散不易使用，也无法得到广泛使用[5]。相比以上无机保温材料，泡沫混凝土具有很多优势，其是使用机械方法将发泡剂水溶液制成泡沫，然后加入水泥浆或砂浆中，首先搅拌均匀，然后浇注硬化而成的一种内部含有大量密闭气孔的多孔性混凝土。密度等级一般在300～1200 kg/m3范围内，导热系数在0.08～0.3 W/(m·K)之间[6]。其价格低廉、节能环保、保温性好、隔热防火、隔音、抗水减震、抗冻、施工可泵性好，然而，泡沫混凝土也无可避免的具有一些缺点：强度低于普通混凝土、保温性不及有机保温材料。因此，如何控制发泡剂的用量既可以实现轻质、保温和隔音的工作性能,又能使混凝土强度达到预期目标是亟待解决的问题[7]。针对上述问题，通过使用机械方法制备了不同种类的泡沫混凝土，并研究了不同容重(300～1200 kg/m3)、水胶比(0.3～0.6)、聚丙纤维、EPS颗粒对其力学性能的影响。以期为高性能泡沫混凝土保温材料的配合比优化、原材料优选及性能改进提供理论依据。

2 实 验

2.1 原材料基本性能

本次实验的原材料有水泥、水、发泡剂、聚丙纤维、EPS颗粒。水泥采用江南小野田生产P·Ⅱ52.5普通硅酸盐水泥、粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰。其中表1和表2表示水泥、粉煤灰的化学成分。

表1 水泥熟料的化学成分Tab.1 Chemical compositions of clinker /%

表2 华能Ⅰ级粉煤灰的化学成分Tab.2 Chemical compositions of fly ash /%

图1 发泡剂与预制泡沫Fig.1 Foaming agent and preformed foam

本试验所用的发泡剂属于蛋白型发泡剂(第三带发泡剂)，采用金箔公司动物蛋白A型，采用1∶30与水混合发泡，泡沫密度为50 kg/m3。

聚丙烯纤维，又称为丙纶PP。其纤维的强度在350～700 MPa范围内、纤维的极限伸长为15%～25%、弹性模量在3～10 GPa之间。为保证高性能混凝土具有优良的工作性能，本实验中外加剂选用聚羧酸系列高效减水剂,固含量≥40%。

在上阶段的原材料试验基础上进行不同聚丙纤维掺量、不同EPS颗粒掺量试验，具体配合比如表3。

(1)B-1至B-5是控制湿容重在300 kg/m3，分析不同水胶比对泡沫混凝土各项性能的影响。

(2)试件C-1-C-2控制湿容重在800 kg/m3,分析水胶比对泡沫混凝土各项性能的影响。

(3)试件D-1-D-2控制湿容重在1200 kg/m3,分析水胶比对泡沫混凝土各项性能的影响。

(4)试件C-5，C-6主要是通过掺加不同量的聚丙纤维，分析聚丙纤维的掺量对泡沫混凝土各项性能的影响。

(5)试件C-7，C-8主要是掺加不同量的EPS颗粒，分析EPS颗粒对泡沫混凝土各项性能的影响。

表3 泡沫混凝土配合比Tab.3 Foam concrete mixture ratio

2.2 泡沫混凝土制备方法

本试验采用预发泡搅拌法，分为发泡和混泡搅拌两道工艺。具体制备流程如下：

(1)根据设定的配合比和泡沫混凝土的需求量计算原材料用量，然后按照用量称量水泥、外加剂、发泡剂、水等原材料。

(2)将发泡剂与水按一定比例混合均匀，并加入到发泡腔内。

(3)将预先称量好的浆体拌合用水(加入外加剂并混合均匀)和预先称量好的胶凝材料(水泥、粉煤灰等)加入到拌合仓内，然后启动搅拌机先低速搅拌，待材料全部加入后再加速搅拌(三分钟)，使得浆体均匀且有良好的工作性加入到拌合仓内。

(4)待浆体搅拌完成后，开动发泡机，将所制泡沫缓慢加入浆体中，并保持搅拌机的转动使得泡沫和浆体能混合均匀。

(5)继续加入泡沫并不断搅拌，直至浆体体积达到设定值。(并且在过程中测量容重使得湿密度在设计湿密度的±50 kg/m3范围内)，制得所需的泡沫混凝土浆体。

(6)注入试模成型，待混凝土终凝并具备一定强度后拆模，按相应标准进行养护、加工。

3 结果与讨论

3.1 容重对抗压强度影响

图2 干容重与抗压强度的关系Fig.2 Relationship between dry density and compressive strength

图2描述了不同干容重对泡沫混凝土28 d抗压强度的影响。从图中可以看出随着干容重的增加，泡沫混凝土的抗压强度呈快速上升趋势，变化范围为0.5～11.0 MPa。

泡沫混凝土的气孔-胞壁结构是决定其强度的关键，抗压强度主要受到孔隙的分布和大小影响，包括气孔/浆体比、空隙间隔、空隙数量的影响。由图3和图4两个容重分别为300 kg/m3和1000 kg/m3的试样微观结构图可以看出，随着泡沫混凝土容重的提高，基体中胞壁变得更厚，气孔孔径也更小。而包裹着气孔的胞壁是泡沫混凝土强度的主要提供者，随着孔隙率的降低，泡沫混凝土的密实度增大，强度亦随之提高。此外，容重越大胶凝材料比例越高，这也会在一定程度上限制了气泡在浆体中的的长大，形成的气孔更为细小致密，因此强度也随之增大。

图3 容重300 kg/m3试样Fig.3 Sample density for 300 kg/m3

图4 容重1000 kg/m3试样Fig.4 Sample density for 1000 kg/m3

3.2 水胶比对抗压强度影响

图5 水胶比与抗压强度的关系Fig.5 Relationship between dry density and compressive strength

图5表示的是设计容重为300 kg/m3的泡沫混凝土28 d抗压强度与水胶比的关系，从图中可以看出，随着水胶比的上升，抗压强度呈现先增大后减小的趋势，其中在水胶比为0.4时抗压强度达到最大，为0.68 MPa。

水是水化作用的直接参与者，水灰比偏低会降低水化产物的生成，降低强度。而且用水量较低时还会增大料浆的稠度，导致泡沫在料浆中不易混合均匀且容易破裂，从而降低强度。同样的，水灰比偏高也对泡沫混凝土强度发展不利。在硬化过程中多余的水分会因为蒸发作用从混凝土内跑出，那么连通孔增加，这些隙孔的存在大大降低了混凝土的密实度，使得强度降低。

3.3 聚丙纤维掺量对抗压强度影响

图6描绘的是聚丙烯纤维掺量对泡沫混凝土28 d抗压强度的影响，试验采用的粉煤灰掺量为40%，水胶比0.5。其中聚丙烯纤维掺量依次为0、12 g(0.1%)、24 g(0.2%)。从图中可以看出，聚丙烯纤维掺量的增加会导致泡沫混凝土的抗压强度逐渐提高，其中掺量为12 g(0.1%)时强度达到了1.97 MPa，而不掺纤维的试样抗压强度为1.66 MPa，提高了18.7%，当掺量为24 g(0.2%)时28 d抗压强度为2.06 MPa，提高了24.1%。

当向泡沫混凝土中加入聚丙烯纤维以后，其抗压强度会有所增长，究其原因是聚丙烯纤维对泡沫混凝土的增强作用。蔡娜等人研究得出，当聚丙烯纤维的掺量在1.2%～1.6%范围内时，泡沫混凝土的抗压强度值会有下降趋势，究其原因，聚丙烯纤维的掺量在1.2%～1.6%时会导致其掺量过多，在搅拌过程中会使其在料浆中分布不够彻底均匀，故很容易发生团聚现象，进而会导致试件抗压强度大大降低[8]。

在泡沫混凝土处于塑性状态时就产生了许多微细裂缝，这些微细裂缝在硬化过程中因失水干缩导致了裂缝的扩大并有新的裂缝产生，纤维加入泡沫混凝土中可阻止水泥基材中原有裂缝的扩展更能够延缓新裂缝的产生，从而使泡沫混凝土的抗冻、抗渗等性能具有明显的提高。纤维增强泡沫混凝土在受拉(弯)时，当基材中出现了大量的分散裂缝，但其仍可以继续承受一定的荷载并具有假延性，从而使复合材料的韧性与抗冲击性得以明显提高[9]。图7为掺入聚丙纤维的试样，可以看到，聚丙烯纤维从多个方向贯穿在泡沫混凝土中，可以增强泡沫混凝土多向的抗拉能力，能够降低裂纹出现的可能。

图6 聚丙烯纤维掺量与抗压强度的关系Fig.6 Relationship between polypropylene fiber content and compressive strength

图7 聚丙纤维泡沫混凝土Fig.7 Polypropylene fiber foam concrete

3.4 EPS掺量对抗压强度影响

图8描绘的是EPS掺量对泡沫混凝土28 d抗压强度的影响。试验采用的粉煤灰掺量为40%，水胶比0.5，其中纤维的掺量分别为30 g(5%)和60 g(10%)。从图中可以看出，随着EPS颗粒掺量的增加，试样的抗压强度逐渐下降。其中不掺EPS的试样抗压强度为1.66 MPa，而当EPS掺量为5%时，强度仅为0.91 MPa，下降了45.2%；而当EPS掺量为10%时，强度为0.78 MPa，下降了53.0%。可见EPS对泡沫混凝土抗压强度的减弱作用非常明显。

由于EPS颗粒本身强度很低，作为填充料掺入泡沫混凝土中基本不发生物理化学反应，EPS的掺入降低了单位体积水泥含量，使得强度下降。此外，EPS的掺入还会减弱泡沫混凝土的流动性，也会降低泡沫混凝土流动性。由图9可以看到，EPS颗粒和基体是相互分开的，EPS存在的位置强度必然偏低，这也导致整体强度降低。

图8 EPS掺量与抗压强度的关系Fig.8 Relationship between EPS content and compressive strength

图9 EPS泡沫混凝土试样Fig.9 EPS foam concrete

4 结 论

(1)泡沫混凝土受压时破坏机制不同于普通混凝土，受压时的破坏是延性破坏，而不是瞬时的脆断。并且随着容重的减小，破坏时的延性显著增加;

(2)容重的影响：随着泡沫混凝土干容重的增大，抗压强度增大。其中干容重306 kg/m3的试样28 d抗压强度为0.56 MPa，而当干容重增大到1173 kg/m3时，强度提高到了10.65 MPa。随着容重的增加，超声波传播速度也增大，其中容重1000 kg/m3的试样传播速度最终值超过了2000 m/s，比容重300 kg/m3提高了接近100%。不同容重到达各个阶段的时间不一样，低容重的试样更早达到声速转折点;

(3)水胶比的影响：泡沫混凝土的设计容重一定时，随着水胶比的上升，抗压强度呈现先增大后减小的趋势，其中在水胶比为0.4时抗压强度达到最大，为0.68 MPa;

(4)聚丙纤维的掺入在一定范围内有利于泡沫混凝土的抗压强度逐渐提高;

(5)EPS颗粒的的掺入可以明显降低泡沫混凝土容重，但也会降低其强度。

[1] 陆 宁，林冠宏，俞允凯，等.王源青 2003～2007年中国城镇建筑能耗的分类分析[J].建筑经济,2009,(12):95-97.

[2] 苑 静.建筑节能保温材料的发展及前景[J].消费导刊,2010,(2):207.

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[7] 陈惠霞.泡沫混凝土强度的影响因素及质量控制[J].山西建筑,2009,35(32):163-164.

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Experimental Research on Properties of Foamed Concrete

JIAYan-tao1,YANGYong-gan2

(1.College of Mechanics and Materials,Hohai University,Nanjing 211100,China;2.School of Materials Science and Engineering,Southeast University,Nanjing 211189,China)

The influence of the different densities (300-1200 kg/m3), water-binder ratio (0.3-0.6), the polypropylene fiber and the EPS particles were investigated. The microstructure of a variety of proportions was analyzed by SEM and then explain the change of the strength. The result shows that the density is the most important factors of foam concrete macroscopic and microscopic property. Through the density control,the different needs of products can be obtained. The higher the density is,the greater the strength will be. In addition, the polypropylene fiber mixed can increase the strength in a certain range. The addition of EPS particles can lower bulk density, but also can make strength decline.

foamed concrete;bulk density;compressive strength;microscopic mechanism

贾艳涛(1979-)，女，工程师.主要从事从事混凝土耐久性等研究.

TU528.2

A

1001-1625(2016)09-2804-06