陶粒泡沫混凝土同时具备陶粒混凝土和泡沫混凝土的特点, 使之成为表观密度小、强度高、热工及耐久性能好的新型墙体材料而被广泛推广使用。然而, 过去的研究多数集中于结构性能测试和配合比设计方法研究等方面, 而最关键参数的变化对其性能的影响研究则几乎没有。本文在大量试验基础上研究了水胶比、发泡剂掺量、粉煤灰掺量等关键参数改变对陶粒泡沫混凝土性能的影响, 力求为这种材料实际的工程应用推广提供理论依据。

本试验采用的水泥主要为32.5级复合硅酸盐水泥, 物理力学性能如表1所示;粉煤灰采用Ⅱ级粉煤灰, 其性能指标如表2所示, 陶粒采用轻质页岩陶粒, 主要以天然岩石———页岩为原料, 经高温、焙烧精制而成, 某公司产发泡剂, 试验用水为日常饮用水。

本试验研究的陶粒泡沫混凝土是以水泥、粉煤灰为胶凝材料, 页岩陶粒为粗骨料, 陶砂为细骨料。以水胶比、发泡剂掺量、粉煤灰掺量为变量, 通过参照GB/T11969—2008《蒸压加气混凝土性能试验方法》、JC/T1062—2007《泡沫混凝土砌块》、GB/T50081—2002《普通混凝土性能试验方法标准》, 成型不同干密度等级的试块, 测定其抗压强度、干密度、吸水率等性能, 研究各参数对陶粒泡沫混凝土性能的影响, 并建立强度、吸水率与各参数之间的数学关系。

本组试验设计了7组不同泡沫体积掺量的陶粒泡沫混凝土配合比 (见表3) , 配合比中固定水胶比为0.5, 实际泡沫体积分量为0, 12%, 20%, 23%, 30%, 41%, 45%。

不同泡沫体积掺量的陶粒泡沫混凝土28d抗压强度、干密度和吸水率测试结果如表4所示, 从表4试验结果可以看出, 当泡沫体积掺量从0增加到45%, 干密度从1 388kg/m³逐步降低到760kg/m³, 28d抗压强度随泡沫掺量增加而降低;吸水率随泡沫掺量增加而增大。由表4可以看出, 随着陶粒泡沫混凝土泡沫体积的增加, 其抗压强度逐渐降低, 吸水率逐渐增大, 混凝土干密度逐渐减小。

本组试验以A-5的配合比为基础, 固定泡沫掺量为30%, 水胶比分别为0.35, 0.4, 0.45, 0.5, 0.55, 0.6, 0.65, 不同水胶比的陶粒泡沫混凝土配合比如表5所示。

不同水胶比的陶粒泡沫混凝土28d抗压强度、软化系数和吸水率测试结果如表6所示。随着水胶比从0.35增加到0.65, 陶粒泡沫混凝土28d抗压强度呈抛物线变化, 先增大后减小, 最优水胶比为0.5;其28d吸水率随水胶比的增加而增大。

由表6分析, 当水胶比较小时, 料浆过稠, 混凝土内部的游离水也较少, 在水泥浆硬化过程中, 会吸收泡沫中的一部分水分而使泡沫发生破裂, 水泥浆体进行填充, 从而使泡沫混凝土内部孔隙率减小, 抗压强度增加。而水胶比过大时, 虽然泡沫混凝土流动性好, 但混凝土内部的游离水分过多, 在混凝土硬化过程中会不断蒸发, 从而形成较多的连通孔, 致使混凝土吸水率大大增加, 对混凝土的强度、耐久性能均不利。

本组试验以B-4的配合比为基础, 固定水胶比为0.5, 粉煤灰取代水泥的量分别为10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 40%, 45%, 配合比如表7所示。

不同粉煤灰取代量的陶粒泡沫混凝土28d抗压强度和吸水率测试结果如表8所示。从表8试验结果可以看出, 随着粉煤灰取代量从10%增加到45%, 陶粒泡沫混凝土28d抗压强度先增大后减小, 呈抛物线形式变化;28d吸水率随粉煤灰取代量增大而增大。

由表8可以看出, 当粉煤灰掺量在40%以内时, 混凝土强度随粉煤灰掺量增加而增大, 这主要是由于粉煤灰中大量活性Si O₂和Al₂O₃与水泥水化析出的Ca (OH) ₂发生反应, 生成类水化硅酸钙、水化铝酸钙等胶凝物质, 因而提高了水泥的强度。粉煤灰的加入使混凝土吸水率有所增大, 但整体来说增加不多。这可能是由于粉煤灰加入有助于浆体中孔隙的细化和填充, 改善了水泥石孔壁的微观结构。

为更直观反应陶粒泡沫混凝土不同变量与性能之间的关系, 对不同变量与性能之间的试验结果进行拟合得出关系式。

泡沫体积掺量对泡沫混凝土抗压强度有较大的影响, 为建立泡沫体积与抗压强度的关系, 根据试验结果建立了如图1、图2所示的抗压强度、吸水率与泡沫体积关系。通过拟合得到: (1) 28d抗压强度 (y) 与泡沫体积 (x) 的关系基本符合y=0.011 8x²-1.039 7x+23.113, 拟合度R²=0.996 3; (2) 28d吸水率 (y) 与泡沫体积 (x) 的关系基本符合y=0.000 4x²+0.311 8x+4.823 3, 拟合度R²=0.973 9。

水胶比是泡沫混凝土制备过程中一项重要因素, 对泡沫混凝土抗压强度有较大的影响, 为建立水胶比与抗压强度的关系, 根据试验结果建立了如图3、图4所示的抗压强度、吸水率与水胶比关系。通过拟合得到: (1) 28d强度 (y) 与水胶比 (x) 的关系基本符合y=-32.381x²+20.524x+7.857 1, 拟合度R²=0.913 2; (2) 28d吸水率 (y) 与水胶比 (x) 的关系基本符合y=75.857x²-60.807x+17.886, 拟合度R²=0.918。

粉煤灰取代量对泡沫混凝土抗压强度有较大的影响, 为建立粉煤灰取代量与抗压强度关系, 根据试验结果建立了如图5、图6所示的抗压强度、吸水率与粉煤灰关系。通过拟合得到: (1) 28d强度 (y) 与粉煤灰取代量 (x) 的关系基本符合y=-0.007 8x²+0.606 5x+1.565 9, 拟合度R²=0.825 7; (2) 28d吸水率 (y) 与粉煤灰取代量 (x) 的关系基本符合y=0.005 8x²-0.287 4x+11.364, 拟合度R²=0.719 6。

1) 陶粒泡沫混凝土随泡沫体积的增加, 其抗压强度逐渐降低, 吸水率逐渐增大, 混凝土干密度逐渐减小, 故在工程应用中在满足其保温性能要求下, 要尽量降低其发泡剂的掺量。

2) 随着水胶比从0.35增加到0.65, 陶粒泡沫混凝土28d抗压强度呈抛物线变化, 先增大后减小, 最优水胶比为0.5;其28d吸水率随水胶比的增加而增大。

3) 当粉煤灰掺量在40%以内时, 陶粒泡沫混凝土强度随粉煤灰掺量增加而增大, 粉煤灰的加入使混凝土吸水率有所增大, 但整体来说增加不多, 故其配合比设计时尽量控制粉煤灰掺量在40%左右为最佳。