樊傳剛，吳　瑞，黃興田，陳　賀，孟方方，李家茂

(1. 安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243002；2. 馬鞍山市墻體材料改革辦公室，安徽 馬鞍山 243000；3. 馬鞍山17冶工程科技有限公司，安徽 馬鞍山 243000)

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H2O2原位發(fā)泡輕混凝土的制備與性能表征

樊傳剛1，吳瑞1，黃興田2，陳賀3，孟方方1，李家茂1

(1. 安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243002；2. 馬鞍山市墻體材料改革辦公室，安徽 馬鞍山 243000；3. 馬鞍山17冶工程科技有限公司，安徽 馬鞍山 243000)

以H2O2溶液(質(zhì)量濃度30%)為發(fā)泡劑，粗、細(xì)膨脹珍珠巖顆粒為輕集料和發(fā)泡劑載體，明膠為穩(wěn)泡劑，采用將加載發(fā)泡劑的載體拌入輕集料混凝土的水泥漿中原位化學(xué)發(fā)泡的方法，制備出了系列輕混凝土試樣，并對其性能進(jìn)行了系統(tǒng)表征。結(jié)果表明，原位發(fā)泡輕混凝土中外加1.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))膠凝材料量的穩(wěn)泡劑后，對氣泡有較為理想的穩(wěn)泡作用，可獲得均勻分布的細(xì)小氣泡(氣泡直徑0.5～1 mm)。原位發(fā)泡輕混凝土的體積密度隨發(fā)泡劑量增加而降低，隨穩(wěn)泡劑量的增加而增大。當(dāng)穩(wěn)泡劑為膠凝材料量的1.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，原位發(fā)泡輕混凝土試樣的抗壓強度和導(dǎo)熱系數(shù)均隨著發(fā)泡劑量的增加而降低。其中，發(fā)泡劑量為膠凝材料量1.4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))試樣的28 d抗壓強度為21 MPa，體積密度為940 kg/m3，比不發(fā)泡試樣的強質(zhì)比提高了14%，導(dǎo)熱系數(shù)降低了13%。

輕混凝土；原位化學(xué)發(fā)泡；發(fā)泡劑載體

0　引　言

普通混凝土基材料變輕的途徑之一是使用輕集料取代普通集料[1-5]；途徑之二是使用物理和化學(xué)發(fā)泡的方法在混凝土結(jié)構(gòu)中的膠結(jié)部分引入封閉氣孔[6-9]。但是，上述方法使材料變輕的同時其力學(xué)性能也隨之減弱。因此如何解決上述矛盾問題是擺在建材研究者面前極富挑戰(zhàn)性的問題。目前輕集料混凝土仍然是使高層建筑、大跨度橋梁等混凝土構(gòu)件強質(zhì)比提高的主要手段。雖然國內(nèi)外在采用纖維和活性粉末增強等手段基礎(chǔ)上，發(fā)展出了一系列高性能輕集料混凝土并投入使用，由于其中的輕集料膠結(jié)部分為致密結(jié)構(gòu)，所以該類混凝土的容重大多超過1 500 kg/m3[4-5]。文獻(xiàn)[8]在采用引氣劑的基礎(chǔ)上，嘗試將物理發(fā)泡劑和化學(xué)發(fā)泡劑加入輕集料混凝土的拌和物中，制備出更輕的用于建筑結(jié)構(gòu)的輕集料混凝土。在輕集料混凝土引入封閉氣孔的過程中，無論是將物理發(fā)泡劑“預(yù)發(fā)泡”后拌入混凝土(或砂漿)，還是將化學(xué)發(fā)泡劑拌入混凝土后再發(fā)泡，拌合物中較粗集料的干擾明顯成為了泡沫或發(fā)泡劑均勻高效進(jìn)入目標(biāo)位置(即輕集料堆積間隙中的水泥灰漿或砂漿)的主要障礙，使輕集料混凝土無法有效變輕[8]。為此筆者采用一種H2O2原位發(fā)泡的輕混凝土制備方法嘗試去克服上述問題，即將發(fā)泡劑預(yù)加載到多孔載體中，然后通過攪拌將其投送到拌好混凝土的輕集料間水泥漿中均勻發(fā)泡，在發(fā)泡反應(yīng)過程得到控制的條件下，獲得了一系列性能較為理想的輕混凝土試樣[10]。本文將系統(tǒng)介紹原位發(fā)泡輕混凝土試樣的制備與性能表征。

1 實驗

1.1原料與配合比設(shè)計

1.1.1原料

(1)42.5號普硅水泥(OP)，海螺牌，馬鞍山海螺水泥有限公司；(2) Ⅰ級粉煤灰，馬鞍山第二發(fā)電廠；(3) 膨脹珍珠巖：集料，粒度2～5 mm；載體，粒度<1 mm，產(chǎn)自河南信陽；(4) 其它外加成分：穩(wěn)泡劑，明膠(工業(yè)級)；發(fā)泡劑，H2O2溶液，質(zhì)量濃度30%(分析純)；減水劑，聚羧酸高效減水劑，馬鞍山中海集團(tuán)產(chǎn)；催化劑，實驗室自制，含有某種過渡金屬離子；木質(zhì)素纖維，長度5～10 mm，實驗室自制。

1.1.2輕混凝土配合比設(shè)計

基準(zhǔn)混凝土配合比設(shè)計為水灰比0.3(質(zhì)量比)；采用粉煤灰等量取代水泥法加入I級粉煤灰，取代率為20%；配料中外加木質(zhì)素纖維占膠凝材料量的0.26%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，采用2～5 mm粒度的粗膨脹珍珠巖為輕集料，輕集料(堆積體積，單位：L)與膠凝材料(質(zhì)量，單位：kg)的比例為1∶2，粗膨脹珍珠巖加入膠凝材料漿體之前預(yù)濕，減水劑選用聚羧酸減水劑(為膠凝材料量的1.33%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)))，發(fā)泡劑H2O2的外加量分別為膠凝材料量0，1.4%，2.8%，4.2%和5.6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))(以下記作“發(fā)泡劑量0，1.4%，2.8%，4.2%和5.6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))”)，采用小于1 mm的細(xì)膨脹珍珠巖顆粒為發(fā)泡劑載體，采用明膠為穩(wěn)泡劑，其加入量分別為膠凝材料量的1%，1.5%和2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))(以下記作“穩(wěn)泡劑量1%，1.5%，2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))”)。

1.2樣品制備與性能表征

按設(shè)計配合比稱取一定量的水泥、粉煤灰、木質(zhì)素纖維、發(fā)泡劑、穩(wěn)泡劑溶液、水、減水劑、催化劑溶液和膨脹珍珠巖。原位發(fā)泡載體的制備流程為：將發(fā)泡劑直接加入細(xì)膨脹珍珠巖中，然后緩慢攪拌30 s，使細(xì)膨脹珍珠巖成為加載發(fā)泡劑的載體，載體用量以飽和吸入發(fā)泡劑時的用量為準(zhǔn)，飽和時載體用量(堆積體積，單位：mL)與發(fā)泡劑量(質(zhì)量，單位：g)比為1∶2。將所稱取水泥、粉煤灰和木質(zhì)素纖維喂入攪拌機(jī)中，先干拌30 s，再加入水、減水劑、穩(wěn)泡劑和催化劑溶液，并依次慢攪30 s和快攪90 s，攪拌均勻后，向水泥漿中加入預(yù)濕粗膨脹珍珠巖并慢攪60 s，再向料漿中加入發(fā)泡劑載體并慢攪120 s，使發(fā)泡劑載體在輕集料混凝土的水泥漿中均勻混合后開始發(fā)泡。待發(fā)泡過程結(jié)束后，將發(fā)泡混凝土澆入10 cm×10 cm×10 cm和10 cm×10 cm×51.5 cm的混凝土標(biāo)準(zhǔn)試模中，并進(jìn)行振動以脫出攪拌過程引入的大氣泡，靜養(yǎng)1d后脫模，脫模試樣在(20±2)℃水中養(yǎng)護(hù)至28 d齡期，從水中取出擦干，然后進(jìn)行系列性能測試。

輕混凝土試樣的抗壓強度按GB/T500081-2002中的要求進(jìn)行測試(WE-1000A型液壓式萬能試驗機(jī)，濟(jì)南試金集團(tuán)有限公司產(chǎn))；絕干密度按照GB/T11970-1997《加氣混凝土體積密度、含水率和吸水率的試驗方法》中要求進(jìn)行測試；干縮率按照GB/50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》中要求進(jìn)行測試。其中抗壓強度和絕干密度測試試樣的尺寸均為10 cm×10 cm×10 cm；抗折強度、干縮率測試試樣的尺寸為10 cm×10 cm×51.5 cm的四方柱形。采用穩(wěn)態(tài)法測定試樣的導(dǎo)熱系數(shù)(thermal conducting coefficient, TCC)(YBF-3型導(dǎo)熱系數(shù)測定儀，杭州大華儀器制造有限公司產(chǎn))，試樣尺寸為?13.5 cm×4 cm。

2　結(jié)果與討論

2.1樣品形貌

采用H2O2制備泡沫輕混凝土的發(fā)泡反應(yīng)如下

在無粗集料的普通化學(xué)發(fā)泡中，因膠凝材料和細(xì)集料的粒度較小，攪拌中對漿體產(chǎn)生的紊流粘滯作用小，高速攪拌可保證H2O2均勻分布到漿體的各個部位后均勻發(fā)泡[6,9]。當(dāng)泡沫混凝土中需要粗(輕)集料進(jìn)行增強和其它改性時，由于粗集料在攪拌中對漿體的紊流粘滯作用大，在同樣的攪拌條件下，無法保證H2O2均勻分布到漿體的各個部位(集料間隙)進(jìn)行發(fā)泡。本文提出的原位發(fā)泡是將H2O2預(yù)先加載到膨脹珍珠巖顆粒(載體)中，再將其攪入已拌勻輕集料混凝土的水泥漿，當(dāng)載體到達(dá)預(yù)定發(fā)泡位置后，H2O2緩慢從載體中釋放到集料堆積間隙的水泥漿中再發(fā)泡，該反應(yīng)的滯后特征使發(fā)泡劑可通過載體與輕集料之間的相對剪切與對流運動，隨載體短時間均勻分布到集料的堆積間隙中進(jìn)行原位發(fā)泡，該發(fā)泡過程中存在的可控機(jī)制為泡沫混凝土結(jié)構(gòu)的強化和微區(qū)組織精細(xì)調(diào)控提供了可能。圖1所示為不同穩(wěn)泡劑的原位發(fā)泡輕混凝土試樣的斷面照片，樣品的發(fā)泡劑加入量為2.8%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。

圖1發(fā)泡劑含量2.8%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時不同穩(wěn)泡劑量的輕混凝土試樣斷面形貌

Fig 1 Cross-section morphology of resulting specimens of LC with different content of foam stabilizer and with 2.8wt% foaming agent content

從圖1可以看出，當(dāng)穩(wěn)泡劑量為1.5%和2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，原位發(fā)泡的膠結(jié)部位除了個別較大氣泡外，其余氣泡直徑≤1 mm(通過對圖1中膠結(jié)部位氣泡大小和分布范圍進(jìn)行測量和統(tǒng)計后確定)，大小分布均勻；當(dāng)穩(wěn)泡劑量為1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，原位發(fā)泡的膠結(jié)部位氣泡尺寸超過3 mm，大小分布不均勻?？梢钥闯龇€(wěn)泡劑對于原位發(fā)泡過程所形成氣泡尺寸大小有著較為明顯的影響，隨著穩(wěn)泡劑量的增加，氣泡的直徑減小(穩(wěn)泡劑變化范圍1%～1.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)))。原位發(fā)泡獲得的輕集料膠結(jié)部位的上述空洞形貌將有利于輕混凝土力學(xué)性能的改善[9]。

2.2體積密度

圖2所示為不同穩(wěn)泡劑含量輕混凝土試樣28 d體積密度(絕干)隨發(fā)泡劑量的變化關(guān)系。從圖中可以看出，在穩(wěn)泡劑摻量相同時，試樣的體積密度隨著發(fā)泡劑量的增加而降低，這可歸結(jié)為輕混凝土中的氣孔量隨著發(fā)泡劑量增加而增加所致。對于穩(wěn)泡劑量為1.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的試樣，不加發(fā)泡劑時，試樣的體積密度為1 080 kg/m3，當(dāng)發(fā)泡劑量為2.8%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，其體積密度為800 kg/m3，當(dāng)發(fā)泡劑量為5.6%時，試樣的體積密度降低到680 kg/m3。

圖2發(fā)泡劑量變化對不同穩(wěn)泡劑摻量輕混凝土試樣28 d體積密度的影響

Fig 2 Influence of the foaming agent content on the 28 d bulk density of resulting specimens of LC with different content of foam stabilizer

從圖2中還可以看出，對于發(fā)泡劑量相同的輕混凝土試樣，其28 d體積密度隨穩(wěn)泡劑量增加而增大。這是因為穩(wěn)泡劑明膠加入水泥漿后，使其內(nèi)摩擦阻力增大，導(dǎo)致發(fā)泡劑原位發(fā)泡的單個氣體單位膨脹的界面阻力增大，從而使氣泡變小。結(jié)合圖1和圖2可以看出，穩(wěn)泡劑量1.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的穩(wěn)泡作用較為理想。

2.3力學(xué)性能

圖3所示為1.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))穩(wěn)泡劑的輕混凝土試樣28 d抗壓強度隨發(fā)泡劑量變化的關(guān)系。從圖中可以看出試樣的抗壓強度隨發(fā)泡劑量的增加呈現(xiàn)降低的趨勢：發(fā)泡劑量高于2.8%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，試樣抗壓強度隨發(fā)泡劑量增加而降低的幅度較大；發(fā)泡劑量<1.4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，其降低幅度可忽略不計。其中，發(fā)泡劑量為1.4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，輕混凝土試樣的28 d抗壓強度高達(dá)21 MPa；發(fā)泡劑量為2.8%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，其抗壓強度下降到了15 MPa。

圖3發(fā)泡劑量變化對含1.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))穩(wěn)泡劑輕混凝土試樣的28 d抗壓強度影響

Fig 3 Influence of the foaming agent content on the 28 d compressive strength of resulting specimens of LC with 1.5wt% foam stabilizer

圖4所示為1.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))穩(wěn)泡劑的輕混凝土試樣28 d強質(zhì)比與發(fā)泡劑量之間的關(guān)系。從圖中可以看出試樣28 d強質(zhì)比隨發(fā)泡劑量的增加先增加后降低，當(dāng)發(fā)泡劑量為1.4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，試樣的強質(zhì)比出現(xiàn)極大值。這說明穩(wěn)泡劑量為1.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))和發(fā)泡劑量為1.4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，所獲得輕混凝土試樣具有明顯的輕質(zhì)高強特征。

圖4發(fā)泡劑量變化對含1.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))穩(wěn)泡劑的輕混凝土試樣28 d強質(zhì)比的影響

Fig 4 Influence of the foaming agent content on the 28 d specific strength (SS) of resulting specimens of LC with 1.5wt% foam stabilizer

2.4導(dǎo)熱系數(shù)

圖5所示為1.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))穩(wěn)泡劑輕混凝土試樣的導(dǎo)熱系數(shù)隨發(fā)泡劑量變化的關(guān)系。從圖中可看出試樣的導(dǎo)熱系數(shù)隨發(fā)泡劑量的增加而顯著降低，這主要是由于隨著發(fā)泡劑量增加，混凝土試樣中的≤1 mm直徑孔洞量增大(見圖1)，使樣品的膠結(jié)部分熱阻增大，再加上所含骨料本身具有較低的導(dǎo)熱系數(shù)，從而使輕混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)降低[9]。

圖5發(fā)泡劑量變化對含1.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))穩(wěn)泡劑的輕混凝土試樣導(dǎo)熱系數(shù)影響

Fig 5 Influence of foaming agent content on the TCC of resulting specimens of LC with 1.5wt% foam stabilizer

3　結(jié)　論

以膨脹珍珠巖為輕集料和發(fā)泡劑載體， H2O2溶液為化學(xué)發(fā)泡劑，明膠為穩(wěn)泡劑，通過原位發(fā)泡法制備出了系列輕混凝土試樣，對其性能進(jìn)行系統(tǒng)表征后，得出的結(jié)論如下。

(1)原位發(fā)泡輕混凝土試樣的體積密度隨發(fā)泡劑量的增加而降低；隨穩(wěn)泡劑量的增加而增加。試樣中外加膠凝材料量1.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的明膠后，對氣泡有較為理想的穩(wěn)泡作用，發(fā)泡劑量為膠凝材料的2.8%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時可獲得體積密度為800 kg/m3的輕混凝土。

(2)穩(wěn)泡劑量為膠凝材料的1.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，原位發(fā)泡輕混凝土試樣的抗壓強度隨發(fā)泡劑量的增加而降低，其中發(fā)泡劑量為膠凝材料的2.8%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))試樣的28 d抗壓強度為15 MPa，發(fā)泡劑量為膠凝材料的1.4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))試樣的28 d抗壓強度為21 MPa。

(3)穩(wěn)泡劑量為膠凝材料的1.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的原位發(fā)泡輕混凝土，其膠結(jié)部位具有較小的氣泡直徑，再加上所膠結(jié)輕集料本身較低的導(dǎo)熱系數(shù)，使其熱阻增大，從而使輕混凝土試樣的導(dǎo)熱系數(shù)隨著發(fā)泡劑量的增加而降低。當(dāng)穩(wěn)泡劑量和發(fā)泡劑量分別為膠凝材料的1.5%和2.8%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，該試樣的導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.16 W/(m·K)。

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Preparation and characterization of the lightweight concrete produced by H2O2chemical foaming in situ

FAN Chuangang1, WU Rui1, HUANG Xingtian2, CHEN He3, MENG Fangfang1, LI Jiamao1

(1.School of Materials Science and Engineering,Anhui University of Technology,Ma’anshan 243002,China;2. Ma’anshan Wall Material Reform Office, Ma’anshan 243000, China;3. Ma’anshan MCC17 Engineering Science and Technology Co. Ltd., Ma’anshan 243000, China)

The lightweight concrete (LC) specimens were prepared using the method of chemical foaming in situ. In the foaming process, the H2O2was used as foaming agent, the coarser and fine expanded perlites were used as lightweight aggregate and as carrier for H2O2respectively, and the gelatin was used as foam stabilizer. The foaming reaction of H2O2was taken place after it was being charged into carriers and the charged carriers were mixed into the mortar previously. The mortar was enclosed by the lightweight aggregates in fresh concrete. The properties of the resulting LC specimens were characterized systemically. It was found that the adding amount of 1.5wt% foam stabilizer had the promising stabilization for the foam formed in situ, which resulted in the bubbles with 0.5-1 mm diameter in homogeneous distribution. The bulk densities (BD) of resulting LC specimens were decreased with the increasing of the adding amount of foaming agent, and increased with the adding amount of foam stabilizer. For the resulting LC specimens with foam stabilizer amount of 1.5wt%, their 28 d compressive strengths (CS) and thermal conducting coefficients (TCC) were decreased with the increase of the amount of foaming agent. Among them, the resulting LC specimen with foaming agent of 1.4wt% had the 28 d CS of 21 MPa and the BD of 940 kg/m3. As compared with that of the resulting LC specimen without foaming agent, its specific strength value was improved by 14% and its TCC was decreased by 13%, respectively.

lightweight concrete; chemical foaming in situ; carrier of foaming agent

1001-9731(2016)05-05129-04

安徽省科技攻關(guān)資助項目(1301042105)

2015-05-10

2016-01-10 通訊作者：樊傳剛，E-mail: chgfan@ahut.edu.cn

樊傳剛(1967-), 男, 安徽淮南人，博士，教授，研究方向為綠色、低碳無機(jī)非金屬材料制備。

TU528.2

A

10.3969/j.issn.1001-9731.2016.05.024