【摘要】絕干密度和抗壓強度是泡沫混凝土應用時最重要的兩個技術指標。研究表明，在組成、配比和制備工藝相同時，泡沫混凝土抗壓強度與絕干密度之間具有良好的相關性。通過控制泡沫混凝土濕密度，進而控制絕干密度，可達到控制抗壓強度的目的。本文在大量試驗基礎上，通過回歸得到了絕干密度在400kg/m³-1100kg/m³之間泡沫混凝土抗壓強度與絕干密度的乘冪方程式，相關系數R²均大于0.95，相關性很好。在水泥-粉煤灰-泡沫-水原料體系中，摻加適量粉煤灰將有助于提高泡沫混凝土抗壓強度，提高抗裂性，同時可降低生產成本。
【關鍵詞】泡沫混凝土；粉煤灰；絕干密度；抗壓強度；乘冪方程式；相關系數
0 前 言
泡沫混凝土是用物理方法將泡沫劑水溶液制成泡沫，再將泡沫加入到由水泥、骨料、摻合料、外加劑和水等制成的料漿中，經混合攪拌、澆注成型、自然或蒸汽養護制成的多孔混凝土。其中含有大量封閉孔隙，因而表現出良好的物理力學性能和使用功能，如輕質、保溫、隔熱、防潮、隔聲等。泡沫混凝土在墻體屋面保溫隔熱工程、輕質混凝土構件與制品、建筑物地暖系統、大型隧道、高等級公路和地鐵回填工程、建筑物輕質墊層、吸隔聲屏障等具有巨大的市場需求和廣闊的推廣應用前景^[1-4]。
現階段我國泡沫混凝土的設計與施工尚缺乏標準和技術規范，只能靠經驗或通過大量試驗來實施泡沫混凝土應用，不利于泡沫混凝土質量控制和技術發展。研究原料組成對泡沫混凝土性能的影響，探討泡沫混凝土絕干密度與抗壓強度相關性，建立絕干密度與抗壓強度經驗公式，不但能正確指導泡沫混凝土組成優化和配比設計，而且可節省財力，簡化試驗試配和質量控制工作，加快泡沫混凝土的推廣應用。本文探討了主要組分對泡沫混凝土強度的影響，建立了最基本的泡沫混凝土配合比設計方法，并以最常用的水泥-粉煤灰-泡沫-水原料體系泡沫混凝土為研究對象，研究絕干密度在400kg/m³-1100kg/m³之間的泡沫混凝土絕干密度與抗壓強度的相關性。
1 組成對泡沫混凝土強度的影響
泡沫混凝土主要組組分包括水泥、泡沫劑、骨料、粉煤灰、外加劑和水。必要時，可根據使用要求增加其它組成，如短切纖維、有機高分子聚合物。
1.1 水泥
水泥是泡沫混凝土強度的主要來源，也是首要影響因素。為達到強度最大化，每個設計絕干密度的泡沫混凝土均有一個最佳水泥用量。原材料體系不同，水泥用量對泡沫混凝土強度的影響規律并不一致。在非凈漿體系中，泡沫混凝土強度先隨水泥用量增加而提高，當超過最佳水泥用量后，強度則隨水泥用量繼續增加而降低。在凈漿體系中，水泥用量則相對固定，只有水泥強度等級仍對泡沫混凝土強度產生影響。
硅酸鹽系列水泥來源廣泛、質量穩定、經濟、耐久性好，因而被泡沫混凝土行業廣泛使用。硫(鐵)鋁酸鹽第三系列水泥在泡沫混凝土漿體形成、結構穩定性、早期強度發展等方面具有特色，應用逐年增加，在一些特殊重點工程中的應用相繼取得成功。
1.2 泡沫劑
能產生泡沫的物質很多，但并非所有能產生泡沫的物質都能作為泡沫劑使用。只有產生的泡沫在與砂(凈)漿混合時不破裂，具有足夠穩定性，且不影響膠凝材料凝結和硬化的物質才能用于制備泡沫劑。通過改變泡沫添加量，可制成不同漿體密度和絕干密度的泡沫混凝土，泡沫混凝土強度也將因泡沫引入量不同而不同。優選泡沫劑品種和確定最佳摻量是制備高性能泡沫混凝土的必要條件。
1.3 骨料
制備泡沫混凝土骨料通常分為普通集料、輕骨料和超輕骨料三類。根據泡沫混凝土密度和強度要求，決定是否采用骨料和采用哪類骨料。骨料品種和表觀密度對泡沫混凝土強度影響明顯。為保證泡沫混凝土密度，用輕骨料比用普通骨料可使水泥漿體形成的結構更致密。泡沫混凝土抗壓強度通常較低，抗壓破壞通常發生在含有大量氣孔的水泥基基體中。與普通混凝土相比，使用密度較低的骨料將明顯提高泡沫混凝土抗壓強度。
1.4 粉煤灰
鑒于粉煤灰來源廣泛、價格低廉，并具有一定活性，成為泡沫混凝土的首選摻合料。粉煤灰能顯著提高泡沫混凝土的后期強度，改善成型效果。
1.5 外加劑
泡沫混凝土常用外加劑包括分散劑、早強劑、速凝劑、防水劑、憎水劑。早強劑和速凝劑可加速泡沫混凝土結構的形成過程和強度發展，提高漿體結構穩定性。
2 配合比設計研究
泡沫混凝土配合比設計依據固定原材料重量法和固體混合料體積法進行。通過檢測泡沫混凝土濕密度，進而控制泡沫混凝土絕干密度和均勻性，達到控制泡沫混凝土抗壓強度目的。
2.1 固定原材料重量法
以水泥-粉煤灰-泡沫-水原料體系泡沫混凝土為研究對象。設計參數：
泡沫混凝土設計絕干密度為r_干，單位為kg/m³；
基本用水量為y_w，單位為kg/m³。
基本水料比為w，取值見表1。視粉煤灰摻量和泡沫劑質量作適當調整；
水泥用量為y_C，單位為kg/m³。水泥水化修正系數k₁，經驗值取k₁=0.10；
粉煤灰用量為y_f，單位為kg/m³；粉煤灰水化修正系數k₂，經驗值取k₁=0.02；
粉煤灰摻量為h，單位為％；
表1 w經驗值

泡沫混凝土設計絕干密度為r干(kg/m3)	400	500	600	700	800	900	1000
w	0.69	0.64	0.60	0.56	0.54	0.52	0.50

配合比設計關系式見式(1)和式(2)：
k₁y_C+ k₂y_f=r_干 (1)
y_f/(y_f +y_C)=h (2)
水泥、粉煤灰和水用量按式(3)、式(4)和式(5)計算：
y_f=hr_干/((1-h)k₁+hk₂) (3)
y_C=(1-h)r_干/( (1-h)k₁+hk₂) (4)
y_w=w(y_C+y_f) (5)
2.2 固定混合料體積法
1m³泡沫混凝土中，由水泥、粉煤灰和水組成的漿體總體積為V₁，泡沫添加量V₂按式(6)計算。即配制單位體積泡沫混凝土，由水泥、粉煤灰和水組成漿體體積不足部分由泡沫填充。
V₂= k₃(1-V₁) (6)
式中：V₂¾¾泡沫添加量，單位為m³；
V₁¾¾加入泡沫前，水泥、粉煤灰和水組成的漿體總體積，單位為m³；
k₃¾¾富余填充系數，k₃通常大于1，視泡沫劑質量和制泡時間而定。主要考慮泡沫加入到漿體中再混合時的損失。
2.3 泡沫混凝土漿體密度
泡沫混凝土漿體密度r_濕按式(7)計算：
r_濕= (1+w)r_干/(hk₂+(1-h)k₁) +V₂/F_v (7)
式中：r_濕¾¾泡沫混凝土漿體密度，單位為kg/m³；
F_v¾¾泡沫劑水溶液發泡量，單位為m³/kg。
3．泡沫混凝土絕干密度與抗壓強度相關性
3.1 試驗研究
3.1.1 原材料
水泥：北京琉璃河水泥廠產42.5普通硅酸鹽水泥。
粉煤灰：北京石景山發電廠產Ⅲ級干排粉煤灰。
混凝土泡沫劑：白色粉末，CCW-2008型，中國建筑材料科學研究總院研制。具有起泡、穩泡、增粘、防水功能。
3.1.2 試樣制備
首先使用高速攪拌機(轉速700轉/min)將設定比例的泡沫劑水溶液制成泡沫，攪拌時間以泡沫達到均勻、細小、穩定為準。再按設定比例計量水泥、粉煤灰和水，使用砂漿攪拌機將其攪拌成均勻漿體，攪拌時間控制在180s。然后在漿體中加入一定體積的泡沫，繼續攪拌至均勻為止，預計時間在180s左右。采用固定混合料體積法和原材料重量法來控制泡沫混凝土混合料密度，進而控制泡沫混凝土密度。成型好的試件在室內放置，用塑料布覆蓋。2d-5d(時間長短視CFC密度而定)后脫模，在室內密封條件下養護至試驗齡期。
3.1.3 性能測試
測試試件28d齡期的抗壓強度、絕干密度和吸水率，試驗方法參照JC/T 1062-2007《泡沫混凝土砌塊》進行。試件尺寸為100mm´100mm´100mm。
3.2 試驗結果
泡沫混凝土設計絕干密度r_干取400kg/m³、500kg/m³、600kg/m³、700kg/m³、800kg/m³、900kg/m³和1000kg/m³，對應的基本水料比w分別取0.69、0.64、0.60、0.56、0.54、0.52和0.50，粉煤灰摻量h取0、10％、20％、30％和40％。測試28d齡期泡沫混凝土的抗壓強度和絕干密度。粉煤灰摻量為0、10％、20％、30％和40％時，泡沫混凝土絕干密度與抗壓強度相關性回歸曲線見圖1、圖2、圖3、圖4和圖5?；貧w結果列于表2。
顯然，不論是否摻加粉煤灰，還是粉煤灰摻量有所變化，泡沫混凝土抗壓強度與絕干密度之間具有良好的相關性。即在組成、配比和制備工藝相同的前提下，泡沫混凝土抗壓強度與絕干密度基本是一一對應。而粉煤灰摻量則對泡沫混凝土抗壓強度值產生影響。
圖1 粉煤灰摻量為0時泡沫混凝土密度與抗壓強度相關性
圖2 粉煤灰摻量為10％時泡沫混凝土密度與抗壓強度相關性
圖3 粉煤灰摻量為20％時泡沫混凝土密度與抗壓強度相關性
圖4 粉煤灰摻量為30％時泡沫混凝土密度與抗壓強度相關性
圖5 粉煤灰摻量為40％時泡沫混凝土密度與抗壓強度相關性
表2 泡沫混凝土抗壓強度與絕干密度的乘冪方程式

序號	粉煤灰摻量(％)	乘冪方程式	R2	絕干密度范圍(kg/m3)	備注
1	0	R壓=3´10-8r干2.8661	0.9862	420-1070	R壓為泡沫混凝土28d抗壓強度
2	10	R壓=3´10-8r干2.8432	0.9935	420-1040
3	20	R壓=4´10-9r干3.1678	0.9948	420-1080
4	30	R壓=9´10-10r干3.3786	0.9853	540-1030
5	40	R壓=5´10-10r干3.4503	0.9605	690-1010

4 粉煤灰摻量對泡沫混凝土性能的影響
泡沫混凝土設計絕干密度r_干取700kg/m³、800kg/m³、900kg/m³和1000kg/m³，對應的基本水料比w分別取0.56、0.54、0.52和0.50，粉煤灰摻量h取0、10％、20％、30％和40％。含有不同摻量粉煤灰的泡沫混凝土，其28d抗壓強度計算結果列于圖6。結果表明，在水泥-粉煤灰-泡沫-水原料體系泡沫混凝土中，粉煤灰占有適當比例，將有助于提高泡沫混凝土強度，而且可降低成本，降低收縮率，提高抗裂性(見圖7)。
粉煤灰中含有70％以上的玻璃體，主要成分是SiO₂和Al₂O₃。在強堿激發作用下將顯現膠凝活性。在泡沫混凝土中，水泥因水化不斷放出強堿Ca(OH)₂，與粉煤灰產生化學反應，生成具有膠凝性能的水化硅酸鈣、低硫型和高硫型水化硫鋁酸鈣，促進泡沫混凝土強度增長。
在早期，粉煤灰幾乎不發生火山灰反應，因此隨粉煤灰摻量增加，混凝土抗壓強度降低。表現為摻加粉煤灰的泡沫混凝土試塊脫模時間長，低絕干密度泡沫混凝土表現極為明顯。隨著泡沫混凝土養護齡期增加，粉煤灰火山灰作用和水泥水化反應的促進作用，以及粉煤灰微集料效應，摻加適量粉煤灰的泡沫混凝土抗壓強度可以達到和超過純水泥泡沫混凝土(也稱泡沫水泥)。在本研究中，粉煤灰適宜摻量為20％。
5 結 論
(1) 組成是影響泡沫混凝土強度的首要因素，主要包括水泥品種和強度等級、骨料種類與絕干密度、粉煤灰品質、外加劑品種和發泡倍數等。
(2) 泡沫混凝土配合比設計可依據固定原材料重量法和固體混合料體積法進行。即控制單位體積泡沫混凝土漿體中固體組分量和固體組分比例優化。
(3) 在組成、配比和制備工藝相同的前提下，泡沫混凝土抗壓強度與絕干密度之間具有良好的相關性。通過檢測泡沫混凝土濕密度，進而控制泡沫混凝土絕干密度，從而達到控制泡沫混凝土抗壓強度的目的。
(4) 在水泥-粉煤灰-泡沫-水原料體系泡沫混凝土中，摻加適量粉煤灰將有助于提高泡沫混凝土抗壓強度，提高抗裂性，同時可降低生產成本。