王滌非,王路明

(1. 安徽理工大学 材料科学与工程学院，安徽 淮南 232000; 2. 盐城工学院 材料与工程学院，江苏 盐城224051)



水泥泡沫混凝土的改性研究*

王滌非1,2,王路明2

(1. 安徽理工大学 材料科学与工程学院，安徽 淮南 232000; 2. 盐城工学院 材料与工程学院，江苏 盐城224051)

摘要：采用丁苯乳液、苯丙乳液、硅灰、粉煤灰和橡胶粉等外加剂分别对物理发泡水泥混凝土的性能进行单一和复合改进试验。结果表明，复掺硅灰和丁苯乳液可显著提高泡沫混凝土早期强度，并降低吸水率，改善混凝土性能，当硅灰掺量4%，丁苯乳液掺量12%时，混凝土吸水率降低17%，7 d抗压强度增加0.5 MPa；丁苯乳液对降低泡沫混凝土吸水率有一定促进作用；苯丙乳液对混凝土强度影响较大；硅灰与粉煤灰降低吸水率效果不佳；橡胶粉不能作为混凝土外加改性材料。

关键词：水泥泡沫混凝土；改性；乳液；硅灰；粉煤灰；橡胶粉

0引言

普通硅酸盐水泥泡沫混凝土其内部分布着大量微小气孔，引入的气孔带来大量缺陷，物理发泡所用的有机发泡剂延缓水泥凝结硬化[1]，强度发展缓慢，导致泡沫混凝土强度的大幅降低，硬化表面开裂甚至出现粉化现象[2]。泡沫混凝土基体材料主要以水泥等细颗粒粉粒为主，由于自身强度较低易开裂，性能上表现出较高的吸水率[3]，严重影响泡沫混凝土的使用效果，使用寿命大大降低。在提高水泥泡沫混凝土抗压强度的同时，须采取有效措施减小混凝土吸水率，改善整体性能。

本文采用丁苯乳液(SBR)、苯丙乳液(SAE)、硅灰、粉煤灰和橡胶粉等外加剂对密度等级500的泡沫混凝土的吸水性能，早期抗压强度进行改性试验，研究并探寻提高泡沫混凝土整体性能的途径和方法。

1原材料和试验方法

1.1原材料及仪器

原材料及试剂：普通425硅酸盐水泥、蛋白发泡剂、减水剂、氯化钙、丁苯乳液、苯丙乳液、硅灰、粉煤灰、橡胶粉。

仪器设备：bl-8型发泡机、SJD-30型混凝土搅拌机、SHBY-40A型水泥标准养护箱、101A-3B型电热鼓风干燥箱、电子天平、YAW-300B型压力试验机、QANTA-200型扫描电子显微镜。

1.2试验方法

将普通硅酸盐水泥、减水剂和各外加剂按照一定的配合比计量后倒入混凝土搅拌机中搅拌均匀，加入定量水搅拌形成浆体，采用空气压缩机将定量蛋白发泡剂制成的泡沫注入搅拌机中，慢速搅拌规定时间后，倒入100 mm×100 mm×100 mm模具中成型，在水泥标准养护箱中养护，脱模，继续养护7 d后，测试其吸水率和抗压强度，抗压后的试样用于SEM分析。泡沫混凝土吸水率和抗压强度试验参照JG/T 266-2011《泡沫混凝土标准》进行。

2实验结果与讨论

2.1丁苯乳液对水泥泡沫混凝土性能影响

分别掺入4%，8%，12%，16%和20%(丁苯乳液与水泥的百分比)的丁苯乳液于水泥泡沫混凝土中，测定混凝土吸水率和抗压强度，结果如表1所示。

表1　丁苯乳液对水泥泡沫混凝土性能影响

由表1可以看出，随着丁苯乳液掺量的增加，泡沫混凝土的吸水率大幅减小，抗压强度波动变化，当丁苯乳液掺量12%时，7 d抗压强度达到1.5 MPa，超过未掺丁苯乳液样品0.1 MPa，28 d抗压强度达到1.8 MPa，此时吸水率降低15%，有一定性能提高。

图1和2为掺量12%丁苯乳液的水泥泡沫混凝土的SEM图。

图1　掺丁苯乳液水泥泡沫混凝土的SEM图

图1可以看到混凝土孔壁圆滑，没有出现明显裂纹，图2中水泥颗粒间相互粘结，孔壁内部孔隙较少，表明丁苯乳液在水泥颗粒表面成膜。团状结构的丁苯乳液粘附在水泥水化产物与水泥石结合的界面上，填充了孔隙，形成空间网状结构的聚合物薄膜，提高混凝土水泥硬化体的致密性[4]，有效阻止水分进入泡沫混凝土内部，大大降低水泥泡沫混凝土吸水率。

图2　掺丁苯乳液水泥泡沫混凝土的SEM图

2.2苯丙乳液对水泥泡沫混凝土性能影响

分别掺入4%，8%，12%，16%和20%(苯丙乳液与水泥的百分比)的苯丙乳液于水泥泡沫混凝土中，测定混凝土吸水率和抗压强度，结果如表2所示。

表2　苯丙乳液对水泥泡沫混凝土性能影响

由表2可以看出，随着苯丙乳液掺量的增加，泡沫混凝土的吸水率和抗压强度逐渐减小，当苯丙乳液掺量12%时，7 d抗压强度达到1.1 MPa，比未掺苯丙乳液样品降低0.3 MPa，28 d抗压强度1.4 MPa，吸水率降低10%，未表现出明显改性效果。

图3和4为掺量12%苯丙乳液的水泥泡沫混凝土的SEM图。

图3　掺苯丙乳液水泥泡沫混凝土的SEM图

图3可以看到孔壁光滑密实，没有出现明显泡孔开裂和穿孔现象，图4中水化颗粒之间孔隙较少。苯丙乳液附在水泥凝胶体或颗粒表面形成完整、连续、密实的膜结构，提高了泡壁的封闭性[5]；但过多的苯丙乳液形成聚合物富集区[6]，水泥硬化时间延长，具有的引气作用带入更多气孔，导致强度持续下降[7]。

图4　掺苯丙乳液水泥泡沫混凝土的SEM图

2.3硅灰对水泥泡沫混凝土性能影响

分别掺入2%，4%，6%，8%和10%(硅灰占硅灰占水泥和硅灰总量的百分比)的硅灰于水泥泡沫混凝土中，测定混凝土吸水率和抗压强度，结果如表3所示。

表3　硅灰对水泥泡沫混凝土性能影响

由表3可以看出，随着硅灰掺量的增加，泡沫混凝土的吸水率不断增大，7 d抗压强度波动变化，当硅灰掺量6%时，抗压强度达到2.3 MPa，超过未掺硅灰样品0.9 MPa，28 d抗压强度为2.7 MPa，吸水率减小2%，总体改性效果不明显。

图5和6是为掺量6%硅灰的水泥泡沫混凝土的SEM图。

图5　掺硅灰水泥泡沫混凝土的SEM图

图5可以看到泡沫混凝土出现裂纹和穿孔现象，图6中水泥水化产物疏松，凝胶空隙较大。硅灰中较多的活性SiO2与水泥水化产生的氢氧化钙反应，增加水泥石中CSH凝胶体积，降低孔隙率，改善孔结构，提高水泥石的强度[8]。但硅灰的比表面积较大，使得其表现出较高的需水量[9]，过多的毛细结构也阻碍了混凝土吸水率降低[10]。

图6　掺硅灰水泥泡沫混凝土的SEM图

2.4粉煤灰对水泥泡沫混凝土性能影响

分别掺入5%，10%，15%，20%和25%(粉煤灰占水泥和粉煤灰总量的百分比)的粉煤灰于水泥泡沫混凝土中，测定混凝土吸水率和抗压强度，结果如表4所示。

表4　粉煤灰对水泥泡沫混凝土性能影响

由表4可以看出，随着粉煤灰掺量的增加，泡沫混凝土的吸水率有增大趋势，抗压强度波动减小，当粉煤灰掺量15%时，7 d抗压强度达到1.3 MPa，比未掺粉煤灰样品降低0.1 MPa，28 d抗压强度达到1.8 MPa，吸水率降低5%，改性效果一般。

图7和8是掺量15%粉煤灰的水泥泡沫混凝土的SEM图，图7可以看到泡孔结构相对完整，有一定的连通孔现象，图8泡壁中存在孔隙和大量未水化的粉煤灰玻璃体结构。粉煤灰掺量增加，水泥用量减少，粉煤灰在短期内不能发挥活性，形成硬化石结构疏松，造成吸水率上升[11]，水泥水化生成的氢氧化钙数量有限，与粉煤灰二次水化数量减少，导致生成的水化硅酸钙数量减少，混凝土强度降低。

2.5丁苯乳液和硅灰复掺对水泥泡沫混凝土性能影响

在掺入4%硅灰的基础上，分别复掺4%，8%，12%，16%和20%(丁苯乳液与水泥和硅灰总量的百分比)的丁苯乳液于水泥泡沫混凝土中，测定混凝土吸水率和抗压强度，结果如表5所示。

图7　掺粉煤灰水泥泡沫混凝土的SEM图

图8　掺粉煤灰水泥泡沫混凝土的SEM图

编号水泥/%丁苯乳液/%硅灰/%W/C减水剂/%发泡剂/%氯化钙/%吸水率/%7d抗压强度/MPa28d抗压强度/MPa196040.50.213651.41.7296440.460.213731.82.2396840.420.213602.12.54961240.380.213481.92.25961640.340.213421.72.06962040.300.213351.51.9

由表5可以看出，在掺入4%硅灰的基础上再掺入丁苯乳液，随着丁苯乳液掺量的增加，泡沫混凝土的吸水率逐渐降低，7 d抗压强度波动变化，当丁苯乳液掺量12%时，抗压强度达到1.9 MPa，超过未复掺样品0.5 MPa，28 d抗压强度达到2.2 MPa，吸水率降低17%，改性效果显著。

图9和10是掺量4%硅灰和12%丁苯乳液的水泥泡沫混凝土的SEM图。

图9　掺丁苯乳液和硅灰水泥泡沫混凝土的SEM图

Fig 9 SEM of SBR and silica fum modified foam concrete

图9可以看到孔壁上有少量裂纹和穿孔现象，图10中水泥和硅灰水化产物之间孔隙较少，表明丁苯乳液填充到水化产物之间，改善了孔结构，在硅灰提高混凝土强度的同时，形成的丁苯乳液薄膜有效包裹在水化颗粒表面，降低了混凝土吸水率，有较好的复合效果。

图10　掺丁苯乳液和硅灰水泥泡沫混凝土的SEM图

Fig 10 SEM of SBR and silica fum modified foam concrete

2.6橡胶对水泥混凝土性能影响

分别掺入50%，60%，70%，80%和90%(橡胶粉占水泥和橡胶总体积百分比)的橡胶于混凝土中测定混凝土吸水率和抗压强度，结果如表6所示。

表6　橡胶粉对水泥混凝土性能影响

由表6可以看出，随着橡胶粉掺量不断增加，混凝土干密度和7 d强度逐渐降低，吸水率逐渐增加，当橡胶粉掺量80%时，混凝土干密度928 kg/m3，吸水率6.9%，7 d抗压强度4.3 MPa，再增加橡胶粉掺量，混凝土不具有凝结性能。

图11为掺80%橡胶粉水泥混凝土的SEM图，可以看出掺入橡胶粉的泡沫混凝土基体出现大量缝隙，说明橡胶粉与水泥石之间粘结性能较差。橡胶粉作为一种弹性体，自身强度比水泥小，与混凝土结合，橡胶粉界面成为薄落点，整体承载能力下降[12]；橡胶粉也不与水泥反应，界面粘结力下降，强度降低；橡胶粉受外力产生形变，水泥形变能力较小，混凝土受力作用产生较大形变时出现裂缝，吸水率提升[13]。

图11　掺橡胶粉水泥混凝土的SEM图

Fig 11 SEM of rubber powder modified foam concrete

3结论

(1)复掺丁苯乳液和硅灰改善水泥泡沫混凝土性能显著，当丁苯乳液掺量12%，硅灰掺量4%时，混凝土吸水率48%，较未掺样降低17%，7 d抗压强度达1.9 MPa，28 d抗压强度达2.2 MPa，超过未掺样0.5 MPa。

(2)单掺丁苯乳液和硅灰对水泥泡沫混凝土改性有一定促进作用，但远不及复掺效果明显；苯丙乳液和粉煤灰总体改性效果不佳。

(3)橡胶粉掺入基体材料可将密度降低至928 kg/m3，不能作为泡沫混凝土的外加改性材料。

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Research on the modification of foam concrete

WANG Difei1,2, WANG Luming2

(1. College of Materials Science and Engineering, Anhui University of Science & Technology,Huainan 232000,China;2. College of Materials Engineering, Yancheng Institute of Technology, Yancheng 224051,China)

Abstract:Made experiment to promote the performance of foam concrete by adding SBR, SAE, silica fume, fly ash, and rubber powder to the foam concrete respectively and simultaneously. The results show that, add silica fume and SBR to foam concrete simultaneously can improve early strength significantly and reduce water absorption, while adding 4wt% silica fume and 12wt% SBR to foam concrete, the water absorption of concrete reduced by 17%, 7 day strength increased 0.5 MPa. SBR had a limited role in promoting the early strength of foam concrete, SAE had difference on the strength of concrete,silica fume and fly ash increased water absorption,crumb rubber could not be used as the modified material of concrete.

Key words:foam concrete; modification; latex; silica fume; fly ash; rubber powder

文章编号：1001-9731(2016)06-06200-05

作者简介：王滌非(1990-)，男，江苏盐城人，在读硕士，师承王路明教授，从事环境功能材料研究。

中图分类号：TU528.2

文献标识码：A

DOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2016.06.037

收到初稿日期：2015-10-10 收到修改稿日期：2016-05-20 通讯作者：王路明，E-mail: wlm@ycit.cn