空心玻璃微珠对泡沫混凝土性能的影响.pdf

2 0 1 4 年 第 2期 (总 第 2 9 2 期 ) Nu mb e r 2 i n 2 0 1 4 ( T o t a l No 2 9 2 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 原材料及辅助物料 M ATERI AI AND ADM I NI CL E d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 4 0 2 0 1 9 空心玻璃微珠对泡沫混凝土性能的影响 王晴 ，吴陶俊 。邱琳格 。姚琦 ( 沈阳建筑大学 材料科学与工程学院，辽宁 沈阳 1 1 0 1 6 8 ) 摘要 ： 泡沫混凝土的干密度和抗压强度是相互矛盾的 ， 它们之间存在负相关关系。 空心玻璃微珠是一种质量轻 、 强度高 、 导热 系数低 、 热稳定性好的新型轻质材料。 通过掺加空心玻璃微珠研究其对泡沫混凝土性能的影响， 从而制备轻质保温的泡沫混凝土。 结果表明 ： 泡沫混凝土的导热系数随着空心玻璃微珠掺量 的增加而降低 ， 当泡沫混凝土 的干密度在 1 2 0 2 0 0 k g m a 时 ， 导热系数 最小为 O 0 4 4 W ( m K) 。 空心玻璃微珠的适宜掺量为 5 1 5 。 关键词 ： 泡沫混凝土 ；空心玻璃微珠 ；干密度；抗压强度 ；导热系数 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 4 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 4 ) 0 2 0 0 7 1 0 4 E ffe c t o f h o l l o w g l a s s mi c r o s ph e r e o n p e r f o r ma n c e o f f o a m c o n c r e t e WA N GQ i n g ， 删T a o fl m， Q I UL i n g e ， Y AO ( S c h o o l o f Ma t e ri a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e ri n g ， S h e n y a n g J i a n z h u U n i v e r s i t y ， S h e n y a n g 1 1 0 1 6 8 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： Dr y d e n s i ty and c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f f o a m c o n c r e a r e c o n fl i c t i n g ， t h e r e i s a n e g a t i v e r e l a t i o n s h i p b e t we e n t h e m Ho l l o w g l a s s mi c r o s p h e r e i s a n e w l i g h t w e i g h t ma t e ri a l w h i c h i s l i ghtwe i ght ， h i gh s t r e n g t h ， l o w t h e r ma l c o n d u c t i v i ty and g o o d the rm a l s t a b i l i ty I n o r d e r t o p r e p a r e l i ghtwe i ght f o a m c o n c r e and t o a c h i e v e t h e r e q u i r e d s tr e n g t h r e s e a r c h e d t h e e ff e c t s o f d i f f e r e n t d o s a g e o n p r o p e r t i e s o f f o am c o n c r e t h r o u gh a d d i n g h o l l o w g l a s s mi c r o s p h e r e s T h e r e s u l t s s h o we d tha t t h e the r ma l c o n d u a i v i ty o f foam c o n c r e t e i n c r e a s e d a s the h o l l o w g l a s s mi e r o s p h e r e i n c r e a s e d ， an d the d r y d e n s i t i e s o f f o am c o n c r e t e we r e b e tw e e n 1 2 0 ,- 2 0 0 k g m3 , the mi n i mu m t h e rm a l c o n - d u c t i v i tywa s 0 0 4 4W ( m。 K) T b ea p p r o p ria t ed o s a g e o f h o l l o wg l a s s mi c r o s p h e r ewa s 5 - 1 5 K e ywo r d s ： foam c o n c r e t e ； h o l l o wg l a s s mi c r o s p h e r e ； d r yd e n s i t y ； c o mp r e s s i v e s t r e n g t h； the r ma l c o n d u c t i vity 0 引言 泡沫混凝土作为新型的无机防火保温材料， 普遍存在密 度大， 强度低以及保温性不及有机材料等方面的缺陷， 但是 综合相比， 它仍然是有机易燃材料的最佳取代品。 目前， 泡沫 混凝土在各个领域的应用并没有被广泛推广使用， 主要是由 于其干密度大和抗压强度低等问题D 匐 。 因为泡沫混凝土的干 密度和抗压强度指标是相互对立的， 是矛盾的统一体。 而国内 主要的研究是重点解决在降低泡沫混凝土干密度的前提条件 下， 如何提高其抗压强度 ， 以及平衡泡沫混凝土的其他性能。 空心玻璃微珠是一种 中空 的圆球粉末状超轻质无机 非金属材料 ， 是近年来发展起来 的一种用途广泛 、 性能优 异的新型材料。 高性能空心玻璃微珠具有质量轻、 抗压强度 高 、 导热系数低及 流动性好等特点 。 在加工 复合材料中 ， 不 仅能减少制品的缺陷， 而且使生产效率提高 1 5 - - 2 0 ， 空 心玻璃微珠作为惰性减轻剂 ， 只需要使用小掺量就能替代 较重的材料， 可以添加不同比例的空心玻璃微珠来降低产 品的干密度。 国内外主要的应用领域在涂料 、 固井水泥浆 、 腻子、 浮体材料、 陶瓷材料和复合材料等 3 - 5 1 。 而使用空心玻 璃微珠 替代部分水泥基胶凝材料制备轻质高强的泡沫混 凝土在 国内鲜有应用。 综上所述 ， 泡沫混凝 土要得到广泛应用的前提是必须 解决干密度和抗压强度这 两个普遍存 在的问题。 本课题制 备一种轻质并达到强度要求的泡沫混凝土， 采用快硬硫铝 酸盐水泥为胶凝材料， 通过掺入不同比例的空心玻璃微珠 替代部分水泥， 研究其在不同掺量下对泡沫混凝土干密度 和抗压强度的影响 。 1试 验 1 1 试验原材料 水泥 ： 河北唐 山北极 熊有限公 司生产的 4 2 5 级快硬硫 铝酸盐水泥； 发泡剂： 透明无色无味， 韩国信宇机械有限公 司生产高性能复合发泡剂； 空心玻璃微珠： 中钢集团马鞍 山矿山研究院和中科院合作开发 H 4 6 型， 主要成分是碱石 灰一 硼硅酸盐旧 。 表 1 4 2 5级快硬硫铝酸盐水泥化学组分 收稿 日期 ：2 0 1 3 - 0 8 - 0 3 基金项目：住房与城乡建设部科学研究项 目( 2 0 1 1 - k 1 2 1 ) ； 沈阳市城乡建设委员会科学研究项 目( s j w 2 0 1 2 - 1 ) 71 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 2 空心玻璃微珠的物理性能 外观 密度 粒径分布 抗压强度 熔点 ( g c m 3 )1 0 5 0 9 0 MP a C 漂 p H值 白色 粉末0 4 6 2 0 4 5 6 5 4 1 3 4 6 2 5 9 5 8 9 5 1 2试验 方 法 1 2 1 基准试验 以 1 k g 快硬硫铝酸盐水泥为胶凝材料 ， 采用 0 4 5 、 0 5 0 、 0 5 5 、 0 6 0 、 0 6 5 五个水胶 比， 泡 沫掺量 2 0 0 0 、 3 0 0 0 、 4 0 0 0 、 5 0 0 0 、 6 0 0 0 m L 。 研究水胶 比和泡沫掺量对泡沫混凝 土性能 的影响。 选择干密度低于3 0 0 k g m 3 ， 抗压强度大于 0 5 MP a 泡沫混凝土试块 ， 以比强度作为考核指标， 选择最大的比 强度作为基准试验配合 比。 试块尺寸： 1 0 0 m mx l O 0 m l i l x 1 0 0 m m立方体试块 1 组 3 块 。 1 2 2 正交优化设计试验 选用泡沫混凝土基准配合 比， 掺人 5 、 1 0 ,4 、 1 5 、 2 O 、 2 5 五种不同比例空心玻璃微珠替代部分水泥 ， 通 过得到 干密度和抗压强度指标 ， 选择三个合适的掺量范围。 以比强 度和导热系数 为考核指标 ， 选择水胶 比、 泡沫掺量 、 空心玻 璃微珠 掺量三个影响因素 ， 选择相应 的水平 ， 进行 三因素 三水平的优化设计试验， 确定泡沫混凝土的最佳配合比。 2 结果与分析 2 1 泡沫掺量对基准泡沫混凝土性能的影响 在 同一泡沫掺量下 ， 水胶 比对泡沫混凝土干密度和抗 压强度 的影响 ， 如图 1 所示 。 目 邑 魁 糖 u _ 要 醴 撂 卜 0 4 5 0 5 O 0 5 5 06 0 0 6 5 水胶 比 ( a ) 0 4 5 0 5 O 0 5 5 0 6 0 0 6 5 水 胶 比 ( b ) 圈 1 不同水胶 比对泡沫混凝土性能的影响 从图 l 中可以看出水胶比在 0 4 5 0 6 5 之间 ， 水胶 比越 大 ， 泡沫混凝土的干密度和抗压强度也越大。 当低水胶 比时， 泡沫混凝土试块的水 泥浆体并没有完全水化 ， 泡沫混凝土 形成大孑 L 径的气孑 L 结构 ， 而且密实性差 ， 使得整体的胶凝 体系并没有形成完整的混凝土骨架， 导致干密度和抗压强 度 降低 。 72 在五种不 同的水胶 比下 ， 泡沫掺量对泡沫混凝 土干密 度和抗压强度的影响 ， 如 图 2 所示。 吕 ：兰 獭 H _ 芝 魑 幽 卜 2 000 3 000 4OOL I 5 OOO 6 O OO 泡 沫掺量 mL f b ) 图2 在不同泡沫掺量下水胶比对泡沫混凝土性能的影响 由图 2可知 ， 随着泡沫掺量的增 加 ， 泡沫混凝土 的干 密度越来越小 ， 7 d 抗压强度也逐渐变小 ； 泡沫掺量增多 ， 泡 沫混凝土内部的气孔数量也会逐渐增多 ， 其干密度和 7 d 抗 压强度则呈现变小 的趋势。 当泡沫掺量从 4 0 0 0 6 0 0 0 m L 时 ， 试块的干密度平稳下降， 趋势平缓， 下降幅度仅仅在 6 8 左右浮动 。 而抗压强度下降趋势 明显 ， 在 3 0 5 0 之 间。 因此 ， 选择 比强度最大的泡沫混凝土试块 ， 即水胶 1： f- , o 6 5 、 泡沫掺量 4 0 0 0 m L作为基准泡沫混凝土的配合比。 2 2 空心玻璃微殊的掺量对泡沫混凝土性能的影响 2 2 1 掺量范围的确定 掺入空心玻璃微珠后泡沫混凝土性能的变化 见图 3 。 从 图 3 可以得出， 当空心玻璃微珠的掺量从 0 1 5 时 ， 泡沫 混凝土的干密度随着掺量 的增加而减小 ； 掺量从 1 5 2 5 时， 干密度逐渐有增大的趋势， 当空心玻璃微珠掺量为2 5 时 ， 泡沫混凝 土试块难 以成 型 ， 易坍塌 ， 外形不规整 。 而随 着空心玻璃微珠掺量的增大 ， 其抗压强度呈现 出减小的趋 势。 因此 ， 选择 5 、 1 0 、 1 5 -个空心玻璃微珠掺量进行泡 沫混凝土正交优化设计试验。 2 2 2 正交优化设计试验结果 泡沫混凝土正交优化设计试验结果如表 3 所示。 与基准泡沫混凝土相比， 空心玻璃微珠的掺人能大幅 度降低泡沫混凝土的干密度， 而抗压强度降幅较小。 水胶比 越大导热系数也越大 ， 而空心玻璃微珠掺量的增多， 导热 系数呈现出逐步降低的趋势 。 比强度作为考核指标 的直观分 析见表 4 。 可以看 出泡 沫掺量对 比强度的影响最为显著 ， 空心玻璃微珠次之 。 因为 水泥用量的减少和空心玻璃微珠掺量的增多， 空心玻璃微珠 的密度又远远小于水泥的密度 ， 使得泡沫混凝土的胶凝体系 更加轻质。 随着泡沫掺量增多， 泡沫混凝土的孔隙率会逐渐 姗 瑚 枷 如 o 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 翻 空心玻璃微珠掺量 ， ( a ) 图 3 憩 卜 空心玻璃微珠掺量， ( b ) 空心玻璃微珠掺量对泡沫混凝土性能的影响 表 3 正交优化设计试验方案与结果 G 昌 鳗 空心玻璃微珠掺量， ( b ) 水灰比 ( c ) 图 4 各因素对泡沫混凝土比强度的影响 变大 ， 泡沫混凝土干密度和强度同时降低 ， 在使试块轻质的 表 4 比强度作为考核指标的直观分析 同时也降低其抗压强度； 而空心玻璃微珠的掺入则会稳定试 块内部的气孑 L 结构， 使气孔能够细小均匀的分布。 优化试验 各因素对比强度影响最大的最佳配合比为B 1 CI A 2 ， 即泡沫 掺量为 4 0 0 0 m L ， 空心玻璃微珠掺量为 5 ， 水胶比为 0 6 。 导热系数作为考核指标的直观分析见表 5 。 在各 因素 对泡沫混凝土导热系数影响中， 泡沫掺量对导热系数影响 最为显著 ， 空心玻璃微珠次之。 水胶 比越小 ， 泡沫混凝 土的 导热系数越低。 因为高水胶比的泡沫混凝土孔隙率大， 孑 L 径变得更加均匀 细小 ， 使得气孔与气孑 L 的距离缩短 ， 气孑 L 相互接触的可能性非常大 ， 甚至会存在相互连通的气孔。 而 气孔之间的相互作用会使热流方向形成热导链， 因此会增 大热流密度 ， 从而使导热系数逐渐升高。 表 5 导热系数作为考核指标的直观分析 73 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 唇 舔 曲 暑 1 臻 曲 目 参 谛 泡沫掺量 mL ( a ) 空 心玻璃微 珠掺 量 ， ( b ) 水 灰 比 ( c ) 图 5 各因素对泡沫混凝土导热系数的影响 3结论 量 的增加而不断减小 ， 泡沫量 的增多 ， 泡沫混凝土的孔隙 率变大， 使其干密度和 2 8 d 抗压强度逐渐变小。 在同一泡沫 掺量下 ， 随着水胶 比从 0 4 5 0 6 5的不断增大 ， 泡沫混凝土 的干密度和抗压强度也逐渐变大。 ( 2 ) 掺人空心玻璃微珠替代部分水泥 ， 随着空心玻璃 微珠的掺人 ， 泡沫混凝土 的干密度呈逐步减小的趋势 ， 而抗 压强度降幅较小。 当水胶比为O 5 5 - 4 ) 6 5 时， 空心玻璃微珠 的适宜掺量为 5 1 5 。 ( 3 ) 选择水胶比、 泡沫掺量和空心玻璃微珠掺量为三 个影 响因素进行正交优化试验 。 结果表 明， 水胶 比为 0 5 5 、 泡沫掺量 为 4 0 0 0 m L、 空心玻璃微珠掺量控制在 1 0 时 ， 泡沫混凝土的比强度达到最大 2 0 2 5 m 2 s 2 o 水胶 比为 0 5 5 、 泡沫掺量 为 5 0 0 0 m L、 空心玻璃微珠掺量控制在 1 5 时 ， 泡沫混凝土的导热 系数最小为 O 0 4 4 w ( m K) 。 参考文献 ： 1 孙春宝 ， 邢奕， 王锋 空心玻璃微珠填充聚合物合成深海 高强浮 力材料f J - E 京科技大学学报， 2 0 0 6 ( 6 ) 【 2 】胡传群 ， 曾黎明 ， 胡兵 空心玻璃微珠在复合材料中的应用研 究 化学建材， 2 0 0 8 ， 2 4 ( 3 ) ： 4 6 - 4 8 3 3 蔡娜 超轻泡沫混凝土保温材料的试验研究 D 】 重庆： 重庆大学， 2 0 09 f 4 B L A N C O F ， G A R C I A P ， M A T E O S P ， e t a 1 C h a r a c t e r i s t i c s a n d p m p e r t i e s o f l i g h t w e i g h t c o n c r e t e ma n u f a c t u r e d wi t h c e n o s p h e r e s J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 0 ( 3 0 ) 1 7 1 5 5 夏英， 蹇锡高， 韩英波， 等 空心玻璃微珠改性 A B S复合材料的 性能研究f J 1 工程塑料应用， 2 0 0 5 ( 4 ) ： l 3 作者简介 ： 联系地址： ( 1 ) 基准泡沫混凝土的干密度和抗压强度随着泡沫掺 联 话! 上接第 7 0页 ( 1 ) 在盐水浸渍试验 中 ， 仅采用钢筋锈蚀 指标 可用于 各类 阻锈剂 阻锈 性能 的初 步判定 ， J G J T 1 9 2 -2 0 0 9标准 规定 的方法较为适宜 。 ( 2 ) 在钢筋锈蚀快速试验( 硬化砂浆法) 中， J T T 5 3 7 2 0 0 4标准中采用的氯化钠掺量过低， 难以有效区分阻锈剂 性能 ， 建议提高氯化钠掺量至水泥的 3 ， 阻锈剂掺量取3 或推荐掺量 。 ( 3 ) 盐水浸渍法和钢筋锈蚀快速试验 ( 硬化砂浆法 ) 都 能在一定程度上区分各种阻锈剂 的阻锈性能 ， 其 中本研究 建议 的钢筋锈蚀快速试验 ( 硬化砂浆法 ) 更 为严格一些。 在 进行阻锈剂品种的初步选择时， 建议采用两种方法进行试验， 并选择两种方法均认为有较好阻锈效果的阻锈剂。 参考文献 ： 1 M E H T A P K D u r a b i l i t y c r i t i c a l i s s u e s f o r t h e f u t u r e 叨 C o n c r e t e I n t e r n a t i o n a l D e s i g n&C o n s t r u c t i o n ， 1 9 9 7 ， 1 9 ( 7 ) ： 2 7 3 3 2 莫海鸿， 梁松， 杨医博， 等 大掺量矿渣微粉抗海水腐蚀混凝土 的研究【 J 1 水利学报， 2 0 0 5 ， 3 6 ( 7 ) ： 8 7 6 8 8 5 【 3 C C E S 0 1 -2 0 0 4 ( 2 0 0 5 修订版) ， 混凝土结构耐久性设计与施工 指南【 s 】 7 4 王睛( 1 9 6 5 一 ) ， 女 ， 博士研究生 ， 教授 ， 硕士生导师 ， 主 要从事水泥基复合材料的研究。 辽宁省沈阳市浑南新区浑南东路 9 号 沈阳建筑大学 材料学院 ( 1 1 0 1 6 8 ) 0 2 4 2 4 6 9 03 0 9 4 1 张劲泉， 傅智， 张子华， 等 公路工程钢筋混凝土阻锈剂应用技 术 公路 ， 2 0 0 6 ( 4 ) ： 5 2 5 6 【 5 5 刘洋， 付玉彬， 李伟华 阻锈剂在钢筋混凝土结构中的研究与应 用fJ 1 混凝土 ， 2 0 1 1 ( 1 1 ) ： 1 2 6 1 2 8 6 】6孙启华钢筋混凝土阻锈剂的研究f D 】 北京： 北京工业大学， 2 0 1 0 【 7 】 杨磊 高分子钢筋阻锈剂阻锈效果的研究 D 1 广州 ： 华南理工大 学 ， 2 0 1 2 8 J T 厂 r 5 3 7 -2 0 0 4 ， 钢筋混凝土阻锈剂 s 【 9 】 Y B T 9 2 3 1 -2 0 0 9 ， 钢筋阻锈剂应用技术规程 s 】 I O J G J T 1 9 2 -2 0 0 9 ， 钢筋阻锈剂应用技术规程 s 1 1 J T J 2 7 5 2 o 0 O ， 海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范I s 1 【 1 2 G B 5 0 3 6 7 -2 0 0 6 ， 混凝土结构加固设计规范 s 【 1 3 张大利， 王元， 高颂凯， 等 阻锈剂的阻锈性能试验及评价方法 探讨 J 】 辽宁建材， 2 0 1 0 ( 1 ) ： 3 1 3 3 1 4 陈品龙， 杨医博， 黄威， 等 冈 筋阻锈剂阻锈性能评价方法研究 进展f J 1 _广东建材， 2 0 1 2 ( 1 ) ： 1 6 1 8 作者简介： 王恒昌 ( 1 9 8 4 一 ) ， 男 ， 助理实验师 ， 硕士 ， 主要从事土 木工程材料实验教学和科研工作。 联系地址： 广州市天河区五山路 3 8 1 号 华南理工大学土木与交 通学院( 5 1 0 6 4 0 ) 联系电话 ： 1 5 9 2 0 1 4 3 7 9 8 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m