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泡沫混凝土墙体和楼板研究
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泡沫混凝土整体现浇墙体工程应用研究
四川省非金属复合与功能材料重点实验室－省部共建国家重点实验室培育基地 牛云辉 卢忠远 严云 何顺爱
泡沫混凝土具有质轻、保温隔声等优异性能，但易开裂、强度低和易塌模等问题制约了其在现浇承重墙体上的应用。......
摘要：泡沫混凝土具有质轻、保温隔声等优异性能，但易开裂、强度低和易塌模等问题制约了其在现浇承重墙体上的应用。以P·O32.5R水泥、Ⅲ级粉煤灰为主要原料，制备出用于现浇承重保温为一体的免蒸压泡沫混凝土；采用单因素试验研究了外加剂对泡沫混凝土性能的影响，并结合工程应用实例，对泡沫混凝土整浇墙易出现的问题进行分析并提出解决建议。制备的泡沫混凝土能有效地解决泡沫混凝土现浇承重墙体时容易出现的塌模、开裂等问题。
关键词：泡沫混凝土；现浇；外加剂；工程应用
泡沫混凝土具有轻质、保温、隔热、隔声等优异性能，而且生产投资少、可大量利用工业废渣，它的应用对建筑节能及环保都有重要意义。有研究表明[1-4]，随着粉煤灰掺量的增加和水泥用量减少，混凝土的抗压强度大幅下降。但粉煤灰具有火山灰活性，在碱性环境下，随着混凝土龄期的增长，高掺量粉煤灰泡沫混凝土的抗压强度会明显增大。
近年来，泡沫混凝土在国内应用有了很快的发展，但现浇泡沫混凝土保温墙体仍存在一系列问题，诸如泡沫混凝土强度较低，不适宜作为承重墙材；预制砌块增加了工序和工程成本；泡沫混凝土干缩以及因干湿循环和结构疏松引起的开裂，由于受到浇注高度影响出现的塌模、易碳化等问题。严重制约了泡沫混凝土的广泛应用本文以普通硅酸盐水泥、粉煤灰和自制复合发泡剂为主要原料，通过单因素试验研究了外加剂对泡沫混凝土强度、保温性能以及工作性等方面的影响，制备出用于现浇整体板房的免蒸压泡沫混凝土，并将其应用于整体现浇工程。通过大掺量粉煤灰和外加剂之间耦合作用，解决了泡沫混凝土在现浇墙体中出现的易塌模、开裂等问题。结合工程实例，对泡沫混凝土整体现浇集承重保温一体的墙体所存在问题进行分析，并总结提出相应的解决建议。
1配合比设计
水泥：拉法基P·O32.5R水泥；粉煤灰（FA）：Ⅲ级粉煤灰；外加剂A：聚羧酸系减水剂；外加剂B：PP纤维；外加剂C：速凝剂（主要成分为铝酸钠）；外加剂D：稳泡剂（主要成分为纤维素醚）；自制复合发泡剂（主要成分为十二烷基磺酸钠）；钢丝网，规格为10mm×10mm。
1.2试验方法
1.2.1密度设计
由于泡沫混凝土主要通过改变泡沫添加量来控制密度，试验中采用固定混合料体积法来计算泡沫添加量，添加泡沫体积按式（1）计算：
V2=K1×（1-V1/V） & & & & &&（1）
式中：V———单方泡沫混凝土总体积，m3；
V1———加入泡沫前，单方泡沫混凝土所用料浆体积，m3；
V2———单方泡沫混凝土泡沫添加量，m3；
K1———富余填充系数，本实验所用的经验值为1.2。
对于设计干密度固定的泡沫混凝土按照式（2）来计算混凝土的干密度。
& & & & & &&（2）
式中：V1———单方泡沫混凝土泡沫添加量，m3；
V2———加入泡沫前，单方泡沫混凝土所用料浆体积，m3；
k2———体积损失系数，取决于发泡剂和基体材料，本实验经验值为0.91；
k3———水胶比；
m1———单方泡沫混凝土泡沫添加量，kg；
m2———单方泡沫混凝土基体材料用量，kg；
ξ———经验常数，不同密度水分挥发和水化速率不同，取决于湿密度大小、泡沫分布。取值范围：0.1～0.5，本实验取0.25。
1.2.2浇注高度试验
实验方法：以55％水泥、45％粉煤灰为胶凝材料，外加剂A、B、C、D掺量分别为胶凝材料质量的0.5%、0.3%、0.4%、0.03%，水胶比为0.3，m（发泡剂）∶m（水）=1∶50，设计密度1100kg/m3制备泡沫混凝土。采用d=0.20m、h=4.5m的PVC管材为模具，现浇高为4.5m泡沫混凝土圆柱，自然养护3d，分别对柱体顶端和底部取样进行测试。测试内容：干密度、强度、测量塌模高度、SEM扫描。
取样方法：切割规格为100mm×100mm×100mm的试块，参照JC/T《泡沫混凝土砌块》进行强度测试，强度测试后将试样置于105℃烘干24h后测质量，计算干密度。
分别研究了A、B、C、D四种外加剂对泡沫混凝土的影响，凝结时间参照GB《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》进行测试；流动度参照GB/T2419《水泥胶砂流动度测定方法》进行测试。保持基准配比不变，改变4种外加剂掺量，进行单因素试验。
2.1浇注高度试验结果（见表1）
由表1可以看出，底部干密度比顶部增大了2.2%；3d抗压强度增大了0.234%，未出现塌模迹象。分析认为，密度的差
异是由于受浇注高度影响，底部泡沫消泡后浆体微微下沉所致，沉降高度为0.01m，强度差异不大。分别对底部和顶部的泡沫混凝土进行SEM扫描分析，结果如图1所示。
由图1可以看出，泡沫混凝土柱体顶部和底部的孔径约为0.1～0.3mm，气孔大小相间，均匀排布，底部大孔稍多。分析认为：柱体底部气孔受到来自水泥浆体各向作用力相互抵消，孔径越小，气孔受到的浮力越小，气泡不会上浮。但浆体中粉煤灰颗粒受重力作用会微沉降，底部浆体中部分小泡破裂，聚合成为大泡，也就导致了底部小泡较少，干密度稍大。
2.2外加剂单因素试验结果
2.2.1减水剂掺量对泡沫混凝土抗压强度的影响
由图2可见，随着聚羧酸系减水剂掺量的增加，泡沫混凝土的抗压强度缓慢增大；当减水剂掺量超过0.5%时，减水剂对泡沫混凝土强度影响变大；当减水剂掺量为2.5%时，3d抗压强度最大（7.72MPa）。这说明聚羧酸系减水剂存在最适宜的掺量范围，超过这个范围反而会对泡沫混凝土强度产生不利影响。试验发现，当聚羧酸系减水剂掺量过多，泡沫混凝土的凝结时间变长，容易导致塌模。
2.2.2 速凝剂掺量对泡沫混凝土凝结时间的影响（见图3）
由图3可见，加入速凝剂后，浆体的凝结时间均缩短。泡沫混凝土要求水泥的初凝最好不超过45min，终凝不超过2h。由于凝结的快慢直接影响到泡沫气孔的分布和损失率，尤其对于现浇工程，在有一定高度要求时初凝时间最好在25～45min。
2.2.3 PP纤维掺量对泡沫混凝土抗折强度的影响（见图4）
掺入PP纤维能显著提高泡沫混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度。对泡沫混凝土抗压强度提高幅度随泡沫掺量的不同而有较大差异，陈兵和刘睫[5]研究了PP纤维对泡沫混凝土强度的影响。随着泡沫掺量的增大，PP纤维对泡沫混凝土抗压强度提高幅度增大，最大可以提高45.0%；对泡沫混凝土的干缩有显著的改善作用。而大掺量PP纤维会使得纤维分散不好形成网状浆体不利于泡沫与浆体搅拌均匀。由图4可以看出，随着PP纤维掺量增加，泡沫混凝土的抗折强度提高，掺量为0.8%时，泡沫混凝土3d抗折强度达4.01MPa。
2.2.4&稳泡剂掺量对泡沫混凝土流动度和保水性的影响（见表2）
表2&稳泡剂掺量对泡沫混凝土流动度和保水性的影响
由表2可知，当稳泡剂掺量为0.06%时，泡沫混凝土浆体的泌水现象消失、流动度降低、减少了表面泡沫破裂，表明稳泡剂具有良好的保水性；而当稳泡剂掺量继续增加至0.09%时，浆体黏稠，导致一些有害的大气泡无法排出。
2.3泡沫混凝土的配合比
耦合是物理学概念，它是指2个（或2个以上）体系或运动形式之间，通过各种相互作用而彼此影响的现象。外加剂耦合则是借用物理学的概念。由于研究单一外加剂时发现，每种外加剂有各自比较适用的范围，但并非4种外加剂选取最佳掺量就可以得到性能较好的泡沫混凝土。
外加剂耦合作用可理解为：当减水剂掺量选择2.5%时，减水效果明显，但凝结时间却增加，严重的缓凝会导致整浇墙塌模。速凝剂的增加可以缩短凝结时间，但在最佳掺量减水剂的配合比下，通过速凝剂调节凝结时间后，大掺量的速凝剂又会影响浆体的流动性和后期强度。
经过浇注高度试验和外加剂单因素试验，通过减水剂调节其工作性，稳泡剂凭借保水性能很好地为泡沫提供稳泡环境，抑制整浇墙的塌模。大掺量粉煤灰代替水泥，减少水泥水化引起的收缩，外掺纤维和稳泡剂相互耦合能够很好的抑制微膨胀收缩引起的开裂现象。模具中间的钢丝网和纤维共同作用，使得泡沫混凝土整体现浇墙体能很好的承重同时起到一定保温效果。对初步的配合比做了调整，最终配合比为：以55%水泥、45%粉煤灰为胶凝材料，外加剂A、B、C、D掺量分别为胶凝材料质量的1.1%、0.3%、0.4%、0.07%，水胶比为0.3，m（发泡剂）∶m（水）=1∶50，钢丝网4.8m2/m3，按此配比进行最终工程施工。
3 工程应用
3.1工程简介
工程名称：泡沫混凝土整体现浇样板房中试工程。施工时间：日。施工地点：成都郫县工业园区北区。工程内容：工程采用P·O32.5R水泥和Ⅲ级粉煤灰为主要原料，结合自制复合发泡剂等外加剂，整体现浇高4m、墙体厚度0.12m的泡沫混凝土样板房，总浇注量为15m3。浇注模板采用木模（见图5）。
方永浩等[6]研究表明，当用粉煤灰等质量取代水泥时，实际上增加了泡沫混凝土拌合物的固体与气泡体积比，降低了最终泡沫混凝土的气孔体积分数，使混凝土抗压强度提高。前期研究表明，当泡沫混凝土的干表观密度大于1000kg/m3时，其28d抗压强度可以远大于10MPa，符合JC/T的A7.5等级砌块要求。工程采用设计密度为1100kg/m3的泡沫混凝土尝试现浇集承重和保温填充墙于一体的保温节能样板房。
3.2施工流程（见图6）
（1）施工准备：按照施工的设计进行配料计算，购买原材料和外加剂，准备仪器设备，检查设备运行情况是否良好，同时对施工过程中所需人员协调分配，确保施工能井然有序。（2）基层清理：在木模安装前，对基层上的浮浆、松散的混凝土块、包括其它建筑杂物等进行清理，做到基层表面平整，并洒水湿润。（3）木模安装：应按图纸要求弹出墙体轴线、墙边线、门窗洞口线和标高控制线，安装木模。（4）钢丝网安装：安装好木模后在木模内安置钢丝网，并保证平整分布在木模中间。将木模和钢丝网固定牢固。（5）模具校准：安装后反复检查木模的平整度，尤其是模具接触的缝隙。清除安装过程中残留在模具内部的垃圾，填补可能漏浆的孔洞，仔细核对图纸与模具安装的结果。（6）泡沫混凝土的制备：将水泥、粉煤灰、PP纤维放入料斗，倒入搅拌机干混，1min后开始加水及减水剂、速凝剂等其它外加剂。开启发泡设备，将所制的泡沫加入搅拌机中，混泡。（7）现浇墙体：将制备好的泡沫混凝土倒入泵车，直接泵送到安装好的木模内。（8）屋面浇注：将预制的混凝土梁吊装至屋顶，以钢筋作为骨架，再以普通混凝土直接现浇屋面。（9）养护：待样板房整体浇注完成后，拆模，并在自然环境下养护。（10）墙体处理：抹灰前检查泡沫混凝土墙体，对浇注时由于模板接缝、不平整导致的灰浆不饱满的拼缝及粱、板下的顶头缝，用专用灰浆填塞密实。将露出墙面的舌头灰刮净，墙面的凸出部位剔凿平整。用托线板检查墙体的垂直偏差及平整度，将抹灰基层处理完好，再粘贴瓷砖。
通过此次泡沫混凝土现浇高为4m的整浇墙技术得到检验，利用大掺量粉煤灰和4种外加剂之优化的配合比，能很好的解决泡沫混凝土在现浇墙体中存在的塌模、开裂等问题。结合工程实例，对泡沫混凝土整体现浇墙体易出现的问题进行分析总结并提出解决建议。
4.1存在问题
（1）模板问题：本次施工采用木模，但作为现浇整体板房，木模需大量的人力、物力资源，并在拆装上需要耗费较长时间，增加工程成本和工序。此外，大面积使用木模而导致的现浇整体墙面不平整也增加了后期工程量。
（2）强度问题：整浇墙在具有一定保温节能特性的同时还有承重作用，对泡沫混凝土的强度有一定要求。强度过低作为承重墙体会存在导致工程事故的风险。
（3）干缩开裂：浇筑后，泡沫混凝土的干缩、开裂，以及由于结构疏松多孔引起的易碳化、易盐析等问题会严重影响泡沫混凝土的工程应用。
（4）设备工艺：泡沫混凝土不同于普通混凝土，要注意到保泡效应，整浇墙需要泡沫混凝土具有足够好的流动性，但往往流动度大就会增加消泡几率。制备工艺和经时损失均会影响浇筑后泡沫混凝土的后期性能。
4.2 解决建议
结合施工过程的体会，笔者对上述问题提出了相关解决方法，希望能为泡沫混凝土整浇墙技术的同行们提供参考。
（1）针对泡沫混凝土开发设计专用的廉价、可以重复利用的快速拆卸模板，拼装的模具要求整体表面平整、运输轻便。方便快捷的组装拆卸即可以加快工程进度，又能保证工程质量。
（2）按照建筑质量要求进行施工预算，得出满足建筑要求的最低强度。建议低层承重墙体的强度设计不小于7MPa。本次施工采用的1100kg/m3泡沫混凝土28d强度为10MPa。在满足强度指标的前提下还需同时考虑墙体的保温节能作用。
（3）大掺量采用粉煤灰代替水泥，不仅减小了水泥浆体的收缩量，火山灰活性有利于泡沫混凝土后期强度发展。集合外加剂的保水稳泡效应、纤维局部抗裂和钢丝网的宏观拉应力作用，能很好保证整浇墙不开裂不塌模。
（4）泡沫引入砂浆后就会开始破裂，尽可能的缩短搅拌地点和施工地点的距离。运输过程需要持续搅拌，但搅拌时间不宜过长，搅拌速率控制在8～12r/min。浇注采用的泵车尽量采用活塞泵，以减小泡沫混凝土中泡沫的损失。
通过此次泡沫混凝土现浇整体样板房的的工艺得到了检验，并对实验室泡沫混凝土的研究结果在工程上得到了较好的应用，大胆采用较高密度的泡沫混凝土，进行集承重和保温墙材一体的现浇工程。工程完工至今，样板房未见任何质量问题。
参考文献：
[1]KearsleyEPWainrightPJ.Theeffectofporosityonthestrengthoffoamededconcrete[J].CementandConcreteResearch，3-239
2]宋少民，李红辉，邢峰.大掺量粉煤灰混凝土抵抗碳化和钢筋锈蚀研究[J].武汉理工大学学报，）：38-42.
[3]赵铁军，高倩，王兆利.大掺量粉煤灰对泡沫混凝土抗压强度的影响[J].粉煤灰，2002（6）：7-10.
[4]KearsleyEP，WainrightPJ.Porosityandpermeabilityoffoa-mededconcrete[J].CementandConcreteResearch，5-812.
[5]陈兵，刘睫.纤维增强泡沫混凝土性能试验研究[J].建筑材料学报，）：286-340.
[6]方永浩，王锐，庞二波，等.水泥-粉煤灰泡沫混凝土抗压强度与气孔结构的关系[J].硅酸盐学报，）：624-625
(责任编辑：王欣欣）
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