大掺量粉煤灰超轻泡沫混凝土的试验研究

大掺量粉煤灰超轻泡沫混凝土的试验研究
邱军付，罗淑湘，鲁虹，孙桂芳，王永魁
（北京建筑技术发展有限责任公司，北京，100045）
摘要：通过化学方法制备大掺量粉煤灰超轻泡沫混凝土，分析了其结构形成机理，研究了粉煤灰掺量、激活剂、水灰比和发泡剂等因素对性能的影响。

结果表明，采用激活剂的情况下，粉煤灰掺量达到45%（质量百分数）可以制得干表观密度低于200kg/m³，7天抗压强度大于0.2MPa的泡沫混凝土。

关键词：泡沫混凝土；粉煤灰；激活剂；水灰比；发泡剂
Study on ultra-light foamed concrete with high volume fly ash
Qiu Junfu, Luo Shuxiang, Lu Hong, Sun Guifang, Wang Yongkui
(Beijing Building Technology Development Co., LTD, Beijing, 100045) Abstract：Chemical method was used to prepare ultra-light foamed concrete with high volume fly ash and the structure formation mechanism was analyzed. The influences of fly ash content, activator, water-cement ration and foaming agent on properties of foam concrete were studied. The results show that when the use factor of fly ash is 45％(mass percent) and the activator was used，the dry apparent density of the produced foam concrete was less than 200kg/m³, 7 d compressive strength was above 0.2 MPa.
Key words: Foam concrete; fly ash; activator; water-cement ration; foaming agent 泡沫混凝土由于含有大量均匀分布的封闭气孔，因而具有轻质、防潮、防火、隔音以及良好的保温隔热功能，是一种新型的节能环保型建筑材料，尤其适合用于建筑的外墙外保温工程[1-2]。

然而，作为生产泡沫混凝土的主要原材料之一的水泥却是一种高能耗、高环境污染的建筑材料，因此，这种以传统工艺制备的泡沫混凝土制品有悖于绿色建筑材料的发展模式，而通过在水泥中掺入一定量的粉煤灰、矿渣等工业废弃物不仅能降低水泥制品的生产成本，还是有效解决此类工业废弃物对环境影响的一条出路；同时，大量掺合粉煤灰的水泥制品也符合绿色建材的发展思路。

水泥制品中掺入粉煤灰的研究已有较多的文献报道，然而在超轻泡沫混凝土制品中掺入大量粉煤灰的研究却少有报道。

李娟等[3]研究大掺量粉煤灰泡沫混凝土时，粉煤灰的掺入量最高可达60%，但是其制备的泡沫混凝土制品的干表观密度却高达1000kg/m³；郑念念等[4]通过优化原料的配合比后也制备出了粉煤灰掺量超过40%的泡沫混凝土，但其制品的干表观密度仍大于600kg/m³；徐文等[5]虽然制备了干表观密度最低为200kg/m³的泡沫混凝土，但其粉煤灰的利用率却仅有20%。

因此，研发一种产品性能满足外墙外保温实际工程应用且符合绿色建材标准的大掺量粉煤灰泡沫混凝土的制备方法无疑具有极高的经济价值和社会价值。

1 原料与试验方法
1.1 试验设备
高速搅拌机：自制，转速0~1200r/min；水泥标准稠度及凝结时间测定仪（维卡仪）；水泥砂浆稠度漏斗：河北光华伟业建筑仪器厂生产，容量1725ml； OL-103 型电热鼓风干燥箱：北京电炉厂产； WDW-10电子万能试验机，上海松顿机械设备有限公司； DZDR-S 型导热系数测定仪：南京大展机电。

恒温恒湿养护箱：北京华创北方实验仪器有限公司。

1.2 试验原材料
基金项目：“十二五”国家科技支撑计划（2012BAJ06B07）
作者简介：邱军付（1977-），男，博士，E-Mail：jfqiu2011@
实验所用快硬硫铝酸盐水泥（河北唐山北极熊，42.5）；II级粉煤灰（北京市电力粉煤灰工业公司）；发泡剂（市售35%浓度的工业纯双氧水）；催化剂（MnO2粉末）；高效聚羧酸减水剂（北京市建筑工程研究院产）；稳泡剂（自制，白色粉末）；粉煤灰激活剂（自制，白色粉末）。

1.3 泡沫混凝土的制备
将水泥、粉煤灰、减水剂、催化剂、稳泡剂和粉煤灰激活剂等除发泡剂以外的其它材料加水搅拌均匀，并控制料浆温度低于45℃，这一过程一般持续10min 左右；随后在高速搅拌的同时，迅速加入发泡剂，并持续搅拌约30s；最终将搅拌均匀的料浆倾倒入模具内静停发泡，制品在2小时候后拆模，并放入恒温恒湿养护箱中养护即可。

2 实验结果与分析
2.1 粉煤灰及粉煤灰激活剂掺量的影响
泡沫混凝土的强度与胶凝材料所占的比例有直接的关系，胶凝材料中水泥所占比例越大，制品强度越高。

在水泥-粉煤灰体系中，粉煤灰的大量引入会导致混凝土早期强度的显著降低，而这种早期强度降低的现象在水泥-粉煤灰基超轻泡沫混凝土中表现的尤为突出，因此超轻泡沫混凝土制品中粉煤灰的掺入量受到极大的限制。

而合适的粉煤灰激发剂能有效提高制品的早期强度[6]，有利于缩短产品脱模时间，提高生产效率。

试验中，当固定2.5%粉煤灰激活剂的添加量时，干表观密度为290kg/m³的泡沫混凝土
制品中，内掺粉煤灰的掺入量与制品7天强度的关系如图1所示。

随着粉煤灰掺入量的增大，制品强度呈下降趋势，当粉煤灰的掺入量大于45%时，制品强度下降趋势加剧，55%粉煤灰掺入量的制品强度为0.12MPa，仅相当于45%掺入量时的1/4左右。

因此，从实用性角度出发，本体系中粉煤灰的适宜掺入量可以≥45%。

图1. 粉煤灰掺量的与强度关系
泡沫混凝土的强度除了与胶凝材料中水泥所占的比例有直接的关系外，掺合料的早期强度激发的越好，制品的早期强度也越高。

试验中，以内掺45%粉煤灰，干容重为290kg/m3的试样的7天强度为例，其强度与自制的粉煤灰激活剂添加量的关系如图2所示。

随着粉煤灰激活剂添加量的增加，板材的强度明显增加，当粉煤灰激活剂的添加量大于2.5%时，泡沫混凝土的强度增长趋于平缓，即粉煤灰激活剂的添加量有一个最佳值。

粉煤灰的活性从水泥化学角度看，主要是指粉煤灰与石灰之间的水化反应能力，在该系统中石灰对粉煤灰活性激发最终起作用的是Ca(OH)2，Ca(OH)2既能提供打开Si-O、Al-O键的OH-，同时又提供粉煤灰水化生成水硬性胶凝材料所需要的Ca2+，即便如此，也必需在适量的硫酸盐的共同作用下，粉煤灰的活性在常温常压下才能较为快速、充分、经济地得以激发；因此自制的粉煤
灰的激活剂中Ca2+与SO 的比例是激活粉煤灰早期强度的关键[7]。

图2. 粉煤灰激活剂的掺量与板材抗压强度的关系
2.2 水灰比的影响
水灰比（w/b）是影响泡沫混凝土性能的另一个重要因素。

化学发泡制备泡沫混凝土时，由于料浆发泡和静停养护是同步进行的，因此，料浆的稠化速度和发气速度必须高度匹配。

在泡沫混凝土的制备过程中，水灰比对整个制作工艺都有很大影响：当用水灰比过低，浆体太稠，不利于发泡剂的充分分散，容易导致局部发泡剧烈、气孔偏大；此外，低水灰比时浆体初凝时间较短，发泡剂发泡过程尚未结束而浆体已经初凝，容易导致制品内部应力过大，产生裂纹；当水灰比过大时，浆体稠度太低，浆体凝结硬化滞后于发泡剂的发泡，容易导致后期塌模。

图3 水灰比对泡沫混凝土干表观密度和抗压强度的影响
图3列出了 w/b=0.4、0.45、0.5的试样的干表观密度和强度随水灰比变化的情况。

当水灰比在0.4～0.5范围内变化时，随着水灰比的增大，泡沫混凝土的干表观密度呈下降趋势，而试样的抗压却先升后降。

这是因为：当水灰比增大时，料浆稠度变小，在静停发泡过程中，发泡剂发气充分，料浆体积持续膨胀，因而试样的干表观密度呈降低趋势；但是，试样的干表观密度也不是随水灰比增大能无限降低的，试验中，当水灰比大于0.5时，由于料浆初凝时间延长，试样频繁塌模；因此，泡沫混凝土试样的干表观密度只能在一定范围的水灰比范围内发生变化。

泡沫混凝土试样的抗压强度先升后降的原因是因为，当水灰比由0.4增大到
0.45时，料浆稠度适中，气体在料浆内分布均匀，发泡剂充分发泡，料浆体积稳定增大，同时，由于浆体的初凝速率与发泡剂的发泡速率基本一致，气孔结构被很好的固定下来，因此试样的抗压强度较高；当水灰比由0.45增大到0.5时，料浆稠度太低，气体极易冲出试样表面而在试样中留下裂缝及贯通孔，导致试样强度偏低，此外，由于水灰比过大，凝结时间比发泡剂的发泡时间长，在发泡的后期阶段，部分气孔发生合并，导致试样中的孔结构均匀性差变差、强度损失较大。

因此，试验中，水灰比的最佳值为0.45，当采用此水灰比时，制备出的泡沫混凝土不仅容重较低，而且具有相对较高的强度值。

2.3 发泡剂掺量的影响
发泡剂是制备泡沫混凝土的基本原材料之一。

发泡剂在搅拌均匀的料浆中发生化学反应，生成大量气体，这些气体分布在料浆内部，并随着料浆凝结而逐渐固定在硬化后的混凝土内部，形成均匀、稳定的多孔结构。

因此，很大程度上，发泡剂对泡沫混凝土的密度、强度和孔结构也有很大的影响。

图4. 不同发泡剂掺量对试样干表观密度及7天抗压强度的影响图4为不同发泡剂掺量对试样干表观密度及7天抗压强度的影响。

由图4可知，随着发泡剂掺量增加，试样的干表观密度和抗压强度均呈明显下降趋势。

这是因为：随着发泡剂掺量的增加，泡沫混凝土内部的气孔数量增多，因此，试样的干表观密度下降。

试样强度下降是因为，随着发泡剂掺量增大，试样内气孔数量增多，气孔的孔壁变薄，导致强度降低。

不同发泡剂掺量制备的试样的气孔结构如图5所示：
图5 不同发泡剂掺量的泡沫混凝土孔结构图，其中：
（a）H2O2=3% ，（b）H2O2=3.5%，（c）H2O2=4%，（d）H2O2=4.75% 由图5可知，试样的孔壁厚度、强度与发泡剂H2O2的掺量有直接的关系，H2O2=3%的试样的孔壁最厚，基本没有连通孔，因此试样的抗压强度最大、干表观密度也大，H2O2=4.75%的试样的气孔壁最薄，连通孔也相对较多，因此，其强度也最低，干表观密度也最小；发泡剂H2O2=3.5%的试样的孔壁厚度和气孔结构较为适中，其强度也满足外墙外保温的需要；因此，本试验中发泡剂的最佳掺量为H2O2=3.5%。

3结论
（1）粉煤灰的掺入会降低泡沫混凝土的早期强度，通过选择合理的粉煤灰激活剂和掺入量可以显著提高制品的早期强度，通过调整粉煤灰激活剂可以制备粉煤灰掺量大于45%，干表观密度低达200kg/m³的泡沫混凝土制品，产品性能基本满足外墙外保温制品的要求。

（2）水灰比对泡沫混凝土的强度和干表观密度均有显著的影响，水灰比过低，制品易开裂；水灰比过大，易形成贯通孔结构，严重的甚至发生塌模。

（3）发泡剂的掺入量对泡沫混凝土的强度、干表观密度和气孔结构均有较大的影响，适量的发泡剂用量可以制备出孔壁厚度适中、气孔分布均匀、强度较高的泡沫混凝土制品。

（4）化学发泡制备泡沫混凝土的过程是一个动态平衡过程，实验设计过程中只有在综合考虑料浆稠度、发泡速率、料浆凝结速率、发泡剂的添加量等影响因素的前提下才可能制得性能较高的制品。

（5）化学发泡泡沫混凝土结构形成的关键是使发泡剂发泡的速率与料浆凝结硬化速率相一致。

参考文献：
[1]刘子全，王波，李兆海，等.泡沫混凝土的研究开发进展[J].混凝土，2008（12）：24-26.
[2]徐文,钱冠龙,化子龙. 用化学方法制备泡沫混凝土的试验研究[J]. 混凝土与水泥制品.
2011(12)：1-4.
[3]李娟，王武祥.大掺量粉煤灰泡沫混凝土的性能研究[J].粉煤灰综合利用，2003（3）：34-35.
[4]郑念念，何真，孙海燕，等.大掺量粉煤灰泡沫混凝土的性能研究[J].武汉理工大学学报，
2009（7）：96-99.
[5]徐文,钱冠龙,化子龙. 外墙外保温用化学法泡泡沫混凝土保温板的试验研究[J]. 混凝
土. 2012(3)：131-134.
[6] C. Shi, Pozzolanic reaction and microstructure development of activatedlime–fly ash pastes,
ACI Mater. 95 (5) (1998) 537– 545 (September–October).
[7]Qian Jueshi, Shi Caijun, Wang Zhi. Activation of Blended Cements Containing Fly
Ash[J].Cement and Concrete Research,2001,31:1121～1127.。