陳紅娟

（建昌縣水利局，遼寧 葫蘆島 125300）

0 引言

泡沫混凝土是利用機械模式，把摻有泡沫劑的水溶液制作成泡沫，并將其摻入混凝土漿料里充分攪拌和澆筑成型，從而形成的一種多孔輕質(zhì)的混凝土[1]。早在20 世紀初期，歐洲一些國家就開始致力于泡沫混凝土的技術開發(fā)，并于20 世紀50 年代逐漸形成了工業(yè)化的技術體系。泡沫混凝土具有密度小、生產(chǎn)工藝簡單、保溫隔熱性能好和綠色節(jié)能等主要優(yōu)勢，因此，被廣泛應用于建筑、市政和公路建設領域[2]。近年來，隨著水利工程技術的不斷發(fā)展和進步，泡沫混凝土被逐漸應用于水工建設領域，特別是得益于其良好的保溫隔熱性能，在寒區(qū)水利工程中具有廣闊的應用前景[3]。

我國是產(chǎn)煤和燃煤大國，僅全國規(guī)模以上火電廠，每年排放的工業(yè)廢料粉煤灰就高達2.5 億t，但粉煤灰的資源化和綜合化利用程度不高。近年來，火電廠產(chǎn)生的粉煤灰大量占用良田與河道，給經(jīng)濟建設和生態(tài)環(huán)境造成巨大壓力。因此，將粉煤灰應用于混凝土制作具有重要的經(jīng)濟和生態(tài)價值[4]。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

水泥是混凝土制作過程中主要使用的膠凝材料，普通硅酸鹽水泥、硫鋁酸水泥、火山灰水泥等均可以用于泡沫混凝土的制作[5]。考慮水泥性能和成本，此次研選擇的是P·O42.5 普通硅酸鹽水泥，其初凝時間為25～35 min，終凝時間為70～80 min。

在混凝土摻加一定量的粉煤灰，可以有效改善混凝土的物理力學性能，同時降低混凝土制作成本。此次研究中使用的是電廠1 級粉煤灰，其需水量為98%，含水量為0.4%。

試驗中使用的骨料為普通河沙，其細度模數(shù)為2.0，為細沙。樣品的平均粒徑小于2 mm，含泥量小于3%，堆積密度為1 875 kg/m3。

試驗中使用的泡沫劑為西安理工大學粉體中心研制的F-3蛋白質(zhì)類高效復合泡沫劑，其泡沫倍數(shù)為 20，1 h 沁水量為 70 ml，1 h 沉陷距為 8 mm。試驗使用的復合摻加劑為具有減水和早強功能的C-3 復合摻加劑，試驗用水為普通自來水。

1.2 試件制備

為了研究粉煤灰對水工泡沫混凝土性能的影響，分別摻入泡沫混凝土干物料量的10%，20%，30%，40%和50%等5 種不同的比例替代水泥，并對不同齡期試件的指標進行測定。

試驗中按照水工泡沫混凝土的配合比設計計算各材料的用量并準確稱量。先將砂漿在專用混凝土攪拌機中拌合均勻，同時利用配制的泡沫劑進行泡沫的制備。在水泥砂漿漿體中加入適量的泡沫劑攪拌2 min，攪拌均勻后倒入模具，靜置24 h后拆模并編號，然后放入標準養(yǎng)護室養(yǎng)護至試驗規(guī)定齡期。

1.3 試驗方法

針對泡沫混凝土在水工領域中的應用實際，選擇導熱系數(shù)、抗壓強度和抗折強度作為物理力學性能測試的主要指標[6]，探究粉煤灰摻量對上述3 個系數(shù)影響規(guī)律。

導熱系數(shù)的測定使用的是尺寸為150 mm×150 mm×150 mm 的立方體試件。導熱系數(shù)測定前，先將試件放入105 ℃的烘干箱內(nèi)連續(xù)烘干至恒重，取出冷卻至室溫，然后利用ISOMET 型熱特性分析儀對其導熱系數(shù)進行測定。

抗壓強度試驗采用YAW-300 型全自動水泥壓力試驗機。使用100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件。試驗中按照2.4 kN/s 的加載速率進行試驗，并記錄斷裂破壞時的最大荷載，計算出試件的抗壓強度[7]。

抗折強度測試采用WTC-2000 型電動抗折試驗機。使用100 mm×100 mm×400 mm 的長方體試件，按照0.5 kN/s 的加載速率進行試驗，直至試件斷裂，根據(jù)記錄的抗折破壞荷載，計算出試件的抗折強度。

抗壓強度和抗折強度測試均選擇3 組試件，以試驗結(jié)果的均值作為最終試驗結(jié)果[8]。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 導熱性能

對不同粉煤灰摻量方案下泡沫混凝土試件的導熱性能進行測試，獲得3，7，28 d 齡期條件下泡沫混凝土的導熱系數(shù)，根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果繪制導熱系數(shù)隨粉煤灰摻量變化曲線，見圖1。由圖1 可以看出，隨著養(yǎng)護齡期的增加，導熱系數(shù)呈現(xiàn)出不斷減小的變化趨勢。從相同齡期的試驗結(jié)果來看：養(yǎng)護齡期為3，28 d 時，導熱系數(shù)會隨著粉煤灰摻量的增加呈現(xiàn)出先增加后降低再增加的變化特點，當粉煤灰摻量為30%時導熱系數(shù)值最小，其隔熱性能達到最佳；養(yǎng)護齡期為7 d 時，導熱系數(shù)的變化幅度相對較小，僅在粉煤灰摻量為40%左右時存在相對較大的波動。由此可見，從隔熱效果來看，粉煤灰的最佳摻量應該為30%左右。

圖1 導熱系數(shù)隨粉煤灰摻量變化曲線

2.2 抗壓強度

對不同粉煤灰摻量方案下泡沫混凝土試件的抗壓強度進行測試，獲得3，7，28 d 齡期條件下泡沫混凝土的抗壓強度值，根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果繪制抗壓強度隨粉煤灰摻量變化曲線，見圖2。由圖2 可以看出，泡沫混凝土的抗壓強度隨著齡期的增長而迅速增加。從相同齡期的試驗結(jié)果來看：3 d 齡期條件下，試件抗壓強度隨粉煤灰摻量的增加呈現(xiàn)出不斷下降的變化特征；7 d 齡期條件下，試件抗壓強度隨粉煤灰摻量的增加呈現(xiàn)出先小幅增大后小幅減小的變化特征；總體來看，在3 d 和7 d 齡期條件下，抗壓強度值的變化幅度極為有限，說明粉煤灰摻量的影響不大；28 d 齡期條件下，試件抗壓強度隨粉煤灰摻量的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的變化特征，且變化幅度較大，當粉煤灰摻量為30%時抗壓強度值最大。因此，在泡沫混凝土中摻入30%的粉煤灰，可以有效提升混凝土的抗壓強度。

圖2 抗壓強度隨粉煤灰摻量變化曲線

2.3 抗折強度

對不同粉煤灰摻量方案下泡沫混凝土試件的抗折強度進行測試，獲得3，7，28 d 齡期條件下泡沫混凝土的抗折強度值；根據(jù)數(shù)據(jù)繪制抗折強度隨粉煤灰摻量變化曲線，見圖3。由圖3 可以看出，試件的抗折強度隨著齡期的增長而呈現(xiàn)出不斷增加的變化特點。從不同齡期的試驗結(jié)果對比來看：3，7，28 d 齡期的變化規(guī)律基本一致，隨著粉煤灰摻量的增加，試件的抗折強度呈現(xiàn)出先下降后增長然后再下降的變化特點，當粉煤灰的摻量為30%時，試件的抗折強度值達到最大。由此可見，在泡沫混凝土中摻加一定量的粉煤灰可以提升抗折強度，且最佳摻量為30%。

圖3 抗折強度隨粉煤灰摻量變化曲線

3 結(jié)語

通過室內(nèi)試驗方式探討粉煤灰對水工泡沫混凝土性能的影響，可以得出：在水工泡沫混凝土中摻入粉煤灰能夠顯著改善其熱學和力學性能；粉煤灰摻量對3 d 和7 d 齡期泡沫混凝土導熱系數(shù)及抗壓和抗折強度的影響較小，對28 d 齡期泡沫混凝土導熱系數(shù)及抗壓和抗折強度的影響較大。根據(jù)試驗結(jié)果，建議在水工泡沫混凝土制作過程中摻入干料量30%的粉煤灰用于替代水泥材料。試驗結(jié)果為粉煤灰在水工泡沫混凝土領域的應用提供了支持和借鑒。