陳建波，馬紅宵，穆 琰，任曉林，張志國(guó)，趙風(fēng)清

（1.河北省建筑材料工業(yè)設(shè)計(jì)研究院，石家莊 050051；2.河北科技大學(xué)化學(xué)與制藥工程學(xué)院，石家莊 050018）

水泥、發(fā)泡劑等作原材料經(jīng)發(fā)泡制成多孔性輕質(zhì)混凝土，稱為蜂窩混凝土（又稱泡沫混凝土）。該類產(chǎn)品由于質(zhì)量輕、有良好的保溫隔熱性能，同時(shí)又具有自流平的特點(diǎn)，可制成各種砌塊，也可泵送現(xiàn)場(chǎng)澆注施工，因而受到市場(chǎng)的青睞。

19世紀(jì)80年代，歐洲首先研制成功了泡沫混凝土。進(jìn)入20世紀(jì)，泡沫混凝土不僅可在工廠中生產(chǎn)泡沫混凝土制品，而且可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)澆注，保溫效果良好，施工操作簡(jiǎn)單、安全、成本低［1］。日本采用蛋白質(zhì)物添加適量的陰離子表面活性劑制備成混凝土發(fā)泡劑，現(xiàn)澆即可成型，導(dǎo)熱系數(shù)小，節(jié)能效果顯著。美國(guó)、意大利等國(guó)家的學(xué)者也對(duì)泡沫混凝土的性能進(jìn)行了大量的研究，并將它在建筑工程中的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，泡沫混凝土的使用加快了工程進(jìn)度，提高了工程質(zhì)量［2－5］。

近年來，我國(guó)發(fā)生多起高層建筑物的嚴(yán)重火災(zāi)事故，暴露出以聚苯板等有機(jī)材料為主的建筑外墻保溫材料存在嚴(yán)重的火災(zāi)安全隱患問題，業(yè)內(nèi)專家建議替換有機(jī)易燃保溫材料的呼聲日益高漲。在建筑節(jié)能中，使用無機(jī)保溫材料代替有機(jī)保溫材料已是大勢(shì)所趨［6，7］。無機(jī)保溫材料主要有巖棉、玻璃棉、加氣混凝土、泡沫混凝土、保溫砂漿及新型的玻化微珠材料等［8，9］。與有機(jī)保溫材料相比，輕質(zhì)蜂窩水泥混凝土（或泡沫混凝土）以其良好的防火、耐久、隔聲、綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，越來越引起人們的重視［10］。但由于受發(fā)泡工藝、發(fā)泡劑和材料本身性質(zhì)的影響，蜂窩混凝土的表觀密度比較大（化學(xué)發(fā)泡工藝的在200kg/m3以上，物理發(fā)泡工藝的在400kg/m3以上）、強(qiáng)度低、保溫性差，在建筑外墻保溫中的應(yīng)用受到限制。

課題組以物理發(fā)泡工藝的蜂窩混凝土為研究對(duì)象，通過對(duì)發(fā)泡劑和物料配比等的研究，優(yōu)化蜂窩混凝土制備工藝，制備出表觀密度小、保溫性能良好的蜂窩水泥混凝土保溫材料，并建立一套完整的生產(chǎn)工藝，為新型墻體材料的制備提供技術(shù)支持。

1 主要原材料

皂粉：白色粉末，干皂含量≥91%、乙醇不溶物≤0.9%；發(fā)泡劑：CF－W，自配，白色粉狀；界面劑N：非離子型表面活性劑，淡黃色液體；普通硅酸鹽水泥：P.O 42.5，3d抗壓強(qiáng)度23.4MPa，28d抗壓強(qiáng)度47.4 MPa；快硬硫鋁酸鹽水泥：42.5R，1d抗壓強(qiáng)度33.4MPa，28d抗壓強(qiáng)度46.8MPa；粉煤灰：二級(jí)粉煤灰；減水劑：萘系減水劑，棕黃色粉末；激發(fā)劑：CF激發(fā)劑，白色粉狀，為硅酸鹽、硫酸鹽混合物；纖維：耐堿玻璃纖維，長(zhǎng)度6mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 發(fā)泡劑的篩選

發(fā)泡劑對(duì)于泡沫混凝土的制備具有關(guān)鍵性的作用，泡沫與膠凝材料混合時(shí)應(yīng)穩(wěn)定性好、消泡量少，其穩(wěn)定期應(yīng)超過膠凝材料凝結(jié)硬化的時(shí)間，這樣才能保證發(fā)泡砌塊氣孔分布均勻且具有足夠的孔隙率，使保溫材料具有良好的保溫性能。

通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)和進(jìn)行探索性試驗(yàn)，試驗(yàn)選取皂粉、CF－W、界面劑N三種發(fā)泡劑，有機(jī)助劑作穩(wěn)泡劑，為確定各因素的影響主次關(guān)系和最佳配比，設(shè)計(jì)了L9（34）四因素三水平的正交試驗(yàn)。正交試驗(yàn)因素與水平見表1。

表1 正交試驗(yàn)因素與水平表

正交試驗(yàn)以發(fā)泡倍率、1h沉陷距和1h泌水量作為主要的評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，考察各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響的顯著性，分析結(jié)果見表2。

表2 正交試驗(yàn)方差分析表

從分析結(jié)果可以看出：CF－W發(fā)泡劑對(duì)發(fā)泡倍率有顯著性影響，皂粉對(duì)泌水量有顯著性影響，四個(gè)因素對(duì)沉陷距的影響均不具有顯著性。綜合極差和方差分析，以發(fā)泡倍率為目標(biāo)時(shí)最優(yōu)方案為A3B1C3D2，以沉陷距作為考察目標(biāo)時(shí)最優(yōu)方案為ABCD，以泌水量作為考察目標(biāo)時(shí)的最優(yōu)方案為ABCD。

對(duì)于不同的性能指標(biāo)進(jìn)行分析，得到不同的最優(yōu)方案，每種方案在一定范圍內(nèi)具有相對(duì)的優(yōu)勢(shì)。綜合考慮復(fù)合發(fā)泡劑的發(fā)泡倍率、穩(wěn)定性及成本問題，確定最終的優(yōu)化方案為A2B1C3D1。

2.2 泡沫用量

水泥作為膠凝材料，主要為泡沫混凝土提供結(jié)構(gòu)強(qiáng)度支撐；從某種意義上說，泡沫可看作填充物，填充于水泥漿體之間，使硬化材料具備了保溫性能。試驗(yàn)時(shí)控制水泥量300kg/m3、減水劑1kg/m3、水料比0.55，改變泡沫的摻量，試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

泡沫混凝土中，泡沫主要是作填充材料，其用量多少直接影響泡沫混凝土的孔隙率和材料結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響其綜合性能。試驗(yàn)表明，隨著泡沫摻量的增加，泡沫混凝土的氣孔量增加、表觀密度降低、抗壓強(qiáng)度下降。這是因?yàn)榧尤氲拇罅颗菽紦?jù)了水泥漿體的空間，使泡沫間壁變薄，硬化支撐作用降低。

2.3 水料比

泡沫混凝土的制備，一般認(rèn)為水灰比越大，漿體的流動(dòng)性越好，泡沫與漿體混合時(shí)越容易分散到漿體中，降低泡沫損失，從而得到性能較好的泡沫混凝土。但是當(dāng)水灰比超過一定數(shù)值時(shí)，泡沫混凝土的性能也會(huì)下降，尤其是強(qiáng)度降低更為顯著。因此，有必要將水料比控制在適宜的范圍。實(shí)驗(yàn)時(shí)的配比為水泥300kg/m3、減水劑1kg/m3、泡沫0.9m3/m3，水料比在0.40～0.70之間變化，試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

試驗(yàn)結(jié)果表明，水料比在0.40～0.70范圍變化時(shí)，試塊表觀密度基本保持不變，強(qiáng)度呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后下降的變化趨勢(shì)，當(dāng)水料比為0.50時(shí)強(qiáng)度達(dá)到最大值。水料比小時(shí)，水泥料漿稠度大、泡沫損失大，水泥組分易團(tuán)聚形成球形顆粒，導(dǎo)致泡沫間壁水泥量減少，從而造成試塊強(qiáng)度低。增大水料比，水泥分散均勻，顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象消失，料漿的整體均勻性得到改善，強(qiáng)度提高。水料比過大時(shí)，起支撐作用的孔壁微孔增加，造成強(qiáng)度下降，還會(huì)引起泡沫離析，甚至導(dǎo)致塌陷、試模滲水等情況，無法制得合格的泡沫混凝土［11］。因此，水料比是一個(gè)重要的影響因素，存在一個(gè)合理的數(shù)值。

2.4 水泥用量

表觀密度在300kg/m3以下的泡沫混凝土雖然保溫性好，但其強(qiáng)度較低，很難達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。水泥摻量對(duì)保溫材料的性能有很大影響，實(shí)驗(yàn)控制配比為：減水劑1kg/m3、泡沫0.9m3/m3、水料比0.50，調(diào)整水泥的用量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3。

水泥是泡沫混凝土強(qiáng)度的主要來源，對(duì)其力學(xué)性能起決定性作用。一般來說，在其它條件不變的情況下，水泥摻量與泡沫混凝土的表觀密度和強(qiáng)度呈正相關(guān)關(guān)系，即水泥摻量越大，泡沫混凝土的表觀密度越大、抗壓強(qiáng)度越高。在泡沫間壁中，水泥的水化產(chǎn)物支撐起泡沫混凝土的蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)，水泥摻量越大材料的強(qiáng)度越高。

2.5 粉煤灰代替量

用粉煤灰部分替代水泥，研究粉煤灰摻量對(duì)泡沫混凝土的影響。試驗(yàn)配比為：泡沫0.9m3/m3、減水劑1kg/m3、水料比0.50，粉煤灰和水泥的總量為300kg/m3，改變二者的摻量，激發(fā)劑量為粉煤灰量的0.4%，試驗(yàn)方案及結(jié)果見圖4。

粉煤灰替代30%以內(nèi)的水泥時(shí)，保溫材料的強(qiáng)度隨粉煤灰量的增加而稍有增長(zhǎng)；粉煤灰替代量達(dá)到40%時(shí)，強(qiáng)度下降42.8%，損失較大。分析原因，粉煤灰為火山灰性材料，有較高的水化活性，在激發(fā)劑的作用下，能發(fā)生火山灰反應(yīng)，生成水化硅酸鈣等產(chǎn)物［12］。適量使用可發(fā)揮其火山灰效應(yīng)、形態(tài)效應(yīng)和微集料效應(yīng)，改善拌和物性能，提高強(qiáng)度并降低生產(chǎn)成本。另外，粉煤灰與鈣質(zhì)成分發(fā)生“二次水化反應(yīng)”（或）生產(chǎn)水化產(chǎn)物需要較長(zhǎng)的時(shí)間［13］，對(duì)生產(chǎn)不利。

2.6 纖維摻加量

在輕質(zhì)保溫材料中加入纖維，能保持制品邊、角、面的完整性，提高制品的質(zhì)量，增強(qiáng)耐久性。在試驗(yàn)中加入不同量的耐堿玻璃纖維，研究纖維對(duì)輕質(zhì)保溫材料性能的影響，試驗(yàn)配比及結(jié)果見表3。

表3 纖維對(duì)泡沫混凝土性能的影響

由結(jié)果可以看出，在泡沫混凝土中摻入不同量的耐堿玻璃纖維，泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度及其干燥密度均無明顯的變化。在工程施工中，混凝土內(nèi)部存在的微裂縫對(duì)其抗折強(qiáng)度的影響遠(yuǎn)大于抗壓強(qiáng)度，微裂縫的存在會(huì)導(dǎo)致材料破損。加入玻璃纖維能使制品局部開裂的現(xiàn)象得到較好的控制，降低破損率，提高混凝土的耐久性。

3 工業(yè)化試驗(yàn)

在以上研究基礎(chǔ)上，建成一套年產(chǎn)10萬m3輕質(zhì)保溫混凝土砌塊生產(chǎn)裝置。設(shè)備包括發(fā)泡機(jī)、攪拌機(jī)、切割設(shè)備及養(yǎng)護(hù)窯等。發(fā)泡劑加入100倍的清潔水溶解后進(jìn)入發(fā)泡機(jī)制泡，其它物料例如水泥、粉煤灰、激發(fā)劑、減水劑、纖維等計(jì)量后加入到攪拌機(jī)中預(yù)混合，再加入適量的拌合水，攪拌制成混合料漿。發(fā)泡劑經(jīng)發(fā)泡機(jī)制成泡徑均勻的泡沫，將泡沫加入到混合料漿中，攪拌使泡沫均勻分散到料漿中。攪拌好的料漿澆注到模具中成型，坯體靜置養(yǎng)護(hù)形成一定強(qiáng)度后，拆模、切割、砌塊養(yǎng)護(hù)，得到輕質(zhì)蜂窩水泥混凝土砌塊產(chǎn)品。

經(jīng)檢測(cè)，工業(yè)化生產(chǎn)的蜂窩輕質(zhì)水泥混凝土達(dá)到JC/T 1062—2007《泡沫混凝土砌塊》規(guī)定的FCB A0.5B03等級(jí)的要求，各項(xiàng)性能指標(biāo)符合標(biāo)準(zhǔn)要求，檢測(cè)結(jié)果見表4。

表4 輕質(zhì)蜂窩輕質(zhì)水泥混凝土檢測(cè)結(jié)果

4 研究結(jié)論

通過對(duì)輕質(zhì)蜂窩水泥混凝土的影響因素開展系統(tǒng)研究，開發(fā)出一種穩(wěn)定性好的復(fù)合發(fā)泡劑，制備出A級(jí)輕質(zhì)保溫的蜂窩水泥混凝土。主要結(jié)論如下：

a.對(duì)不同發(fā)泡劑進(jìn)行比較及復(fù)合，開發(fā)出一種穩(wěn)定性良好的復(fù)合發(fā)泡劑，其組成以皂粉、CF－W發(fā)泡劑、界面劑N等為主，用于制輕質(zhì)蜂窩水泥混凝土，發(fā)泡效果良好。

b.通過對(duì)影響輕質(zhì)蜂窩水泥混凝土因素試驗(yàn)研究，包括泡沫、水料比、水泥、粉煤灰、纖維的用量等，優(yōu)化了物料配比，選擇了合適的生產(chǎn)工藝參數(shù)。通過調(diào)整膠凝材料等物料配比得到不同密度及強(qiáng)度等級(jí)的輕質(zhì)混凝土砌塊。

c.通過工業(yè)化試驗(yàn)，優(yōu)化生產(chǎn)工藝參數(shù)，得到A級(jí)輕質(zhì)蜂窩水泥混凝土的最優(yōu)配比：水泥210kg/m3、粉煤灰90kg/m3、CF激發(fā)劑0.36kg/m3、萘系減水劑1kg/m3、耐堿玻璃纖維1.5kg/m3、復(fù)合發(fā)泡劑0.6kg/m3、水料比0.5，制品經(jīng)檢測(cè)達(dá)到JC/T 1062—2007《泡沫混凝土砌塊》FCB A0.5B03產(chǎn)品等級(jí)，防火等級(jí)達(dá)到A級(jí)。

d.粉煤灰摻量達(dá)到30%，降低了水泥用量和生產(chǎn)成本，提高建筑的保溫性能，節(jié)約資源，具有良好的社會(huì)效益和環(huán)保效益。

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