泡沫混凝土配合比设计及性能研究

.@：2016届毕业论文泡沫混凝土配合比设计及性能研究院、部：材料与化学工程学院完成时间：2016年5月摘要本次试验对干密度为700kg/m3的泡沫混凝土配合比设计进行了研究。从泡沫混凝土的结构特征着手，结合国内外对泡沫混凝土的研究成果，对粉煤灰泡沫混凝土配合比进行了设计及相关性能检测。本次试验研究的是水泥—粉煤灰体系的泡沫混凝土配合比设计，原材料包括水泥、粉煤灰、生石灰、发泡剂、稳泡剂、水。本次试验固定了0.4的水料比，分别掺入0%，10%，20%的粉煤灰，0%，5%，10%的石灰以及1%，1.5%，2%的发泡剂。结合L9（33）正交法分析了粉煤灰、石灰和发泡剂对泡沫混凝土干密度、吸水率、抗压强度、抗折强度的主次影响，并确定了最佳配合比掺量。结论为：综合分析影响泡沫混凝土性能的主要因素是粉煤灰和发泡剂，石灰次之。粉煤灰掺量0%，发泡剂掺量2%时无论是干密度、吸水率或者抗压抗折都是最优的，从而确定了粉煤灰和发泡剂的掺量。其次，石灰掺量10%时抗压强度最高，吸水率最低。因此，此次A07级的泡沫混凝土最佳配合为粉煤灰掺量0%，石灰掺量10%，发泡剂掺量2%。关键词：粉煤灰；泡沫混凝土；配合比设计；发泡剂；力学性能ABSTRACTTheexperimentonthedrydensityof700kg/m3offoamconcretemixdesignisstudied.Startfromthestructuralcharacteristicsoffoamconcrete,onthebasisoffoamconcreteresearchresultsathomeandabroad,ontheflyashfoamedconcretemixtureratiodesignandrelatedperformancetests.Thestudyisasystemofcement,flyashfoamedconcretemixtureratiodesign,rawmaterialsincludingcement,flyash,lime,foamingagent,stabilizingagent,water.Thistestfixedmaterialthanthe0.4water,mixedwith0%,10%,20%offlyash,0%,5%,10%limeand1%,1.5%,2%ofthefoamingagent.CombinedwithL9(33)orthogonalmethodtoanalysistheflyash,limeandfoamingagentforfoamconcretedrydensity,waterabsorption,compressivestrength,flexuralstrengthoftheprimaryandsecondaryeffects,andtodeterminetheproportionofoptimaldosage.Theconclusionis:thecomprehensiveanalysisofthemainfactorsinfluencingthepropertiesoffoamconcreteistheflyashandfoamingagent,lime.0%dosageofflyash,dosageoffoamingagent2%whenbothdrydensity,waterabsorptionorcompressiveflexuralisoptimal,todeterminethecontentofflyashandfoamingagent.Second,limecontentis10%whenthehighestcompressivestrength,bibulousrateislow.So,A07leveloffoamconcreteinthebestfitfor0%dosageofflyash,limecontentis10%,thefoamingagentcontentis2%.Keywords：Theflyash；Foamconcrete；Designofmixproportion；Foamingagent；Mechanicalproperty目录1绪论 11.1泡沫混凝土的定义 11.2泡沫混凝土的结构特征 11.3泡沫混凝土的特点 11.3.1轻质性 11.3.2保温隔热 21.3.3良好的吸音效果 21.3.4优越的抗震性 21.3.5耐火、耐久性好 21.3.6养护、施工方便 21.4泡沫混凝土的分类和用途 21.4.1分类 21.4.2用途 31.5泡沫混凝土的研究现状 31.5.1国外研究现状 31.5.2国内研究现状 41.6泡沫混凝土存在的问题 52原材料检测 62.1水泥 62.1.1强度 62.1.2水泥细度 72.1.3水泥标准稠度 72.1.4水泥凝结时间 82.2粉煤灰 82.2.1粉煤灰掺入混凝土的标准 92.2.2粉煤灰细度 92.2.3粉煤灰烧失量 102.3发泡剂 102.3.1发泡倍数 112.3.2泡沫密度 112.3.3沉降距与泌水量 122.4稳泡剂 132.5石灰 132.6水 133泡沫混凝土配合比设计的方法和内容 143.1泡沫混凝土配合比设计的原则 143.1.1尺寸偏差 143.1.2密度等级分类及要求 143.1.3强度等级分类及要求 143.2泡沫混凝土配合比设计方法 153.3配合比试验方案 174泡沫混凝土制备及性能检测 194.1泡沫混凝土的制备 194.2泡沫混凝土的性能测试 204.2.1干密度实验 204.2.2吸水率实验 204.2.3抗压抗折实验 214.3数据处理及分析 225总结与存在问题 295.1总结 295.2存在问题 29参考文献 31致谢 331绪论1.1泡沫混凝土的定义泡沫混凝土也名发泡混凝土，是多孔混凝土的一个分支，与加气混凝土同属一类。泡沫混凝土是将发泡剂通过机械搅拌的方法进行充分发泡后，将泡沫与其他原材料均匀混合，通过自然养护使内部形成了大量微小气孔并存在相对强度的新型混凝土。随着建筑行业的快速发展，使建筑物高度、跨度的大数据不断更新，因此选取的建筑材料的重量引起了人们的重视。具备重量轻、密度小、保温隔热等优良特性的泡沫混凝土成为了建筑行业中首选的建筑材料，成为了其中一种可以代替粘土砖材料。1.2泡沫混凝土的结构特征通过观察泡沫混凝土的剖面可以发现泡沫混凝土内部结构中存在大量的微小气泡和微孔，这些气孔是由于向胶凝材料中加入发泡剂产生的，并在水泥硬化的过程中固定到混凝土内部的。随着泡沫混凝土密度的增加，孔隙率是逐渐减小的，孔隙不仅影响了泡沫混凝土的密度也改变了它的强度[1]，与此同时也提高了泡沫混凝土的保温隔热性能与抗冻融性能。1.3泡沫混凝土的特点1.3.1轻质性泡沫混凝土的表观密度较低，其干密度基本在200～700kg/m3，是普通混凝土干密度的10～20%[2]，人们为了有效的降低建筑物的自身重量，广泛的在建筑物的墙体屋面材料中使用，减小了建筑物对地基的压力，楼层高度得以增加，节约占地面积。1.3.2保温隔热相对普通混凝土而言，泡沫混凝土的一个独特之处就是内部存在着大量封闭的气泡和微孔，这些孔隙内含空气，有效的降低了制品的导热系数，提高了热阻，保证了泡沫混凝土杰出的热工性能，明显提高了保温隔热的效果。1.3.3良好的吸音效果泡沫混凝土不论表面还是内部结构中都存在很多均匀、细小的气孔，当声波传入到气孔时会引起气孔中的空气振动，使空气分子相互摩擦做功并受到粘滞阻力，将部分声能转化为热能，进而达到吸音的效果[3]。1.3.4优越的抗震性由于墙体材料的重量占总建筑重量的70%，而泡沫混凝土的自身重量最大不超过1000kg/m3，大大降低了建筑物的重量，降低了地基荷载，增加了建筑物抗震性能[4]。1.3.5耐火、耐久性好泡沫混凝土所用原材料属于无机材料，不易燃烧，因此具有较好的耐火性。又因泡沫混凝土中含有大量孔隙，有效的缓冲了酸盐的腐蚀及抗冻融的性能。1.3.6养护、施工方便相比与加气混凝，泡沫混凝土大多通过自然养护成型，而加气混凝土必须采用蒸压养护[5]，因此泡沫混凝土不仅能像加气混凝土一样生产墙板和轻质砌块，还能进行现场浇筑，施工可行性提高，被人们广泛使用。1.4泡沫混凝土的分类和用途1.4.1分类泡沫混凝土的种类繁多，分类方法更是不尽相同，以下是按照分类标准的不同进行分类的，列举其中的部分几类，分别为：（1）根据胶凝材料的添加种类不同可分为，水泥泡沫混凝土、火山灰质泡沫混凝土、石膏泡沫混凝土、菱镁泡沫混凝土[6]。（2）按照泡沫混凝土中所用的填充物料的种类不同可以分为，矿渣泡沫混凝土、秸秆泡沫混凝土、粉煤灰泡沫混凝土等[7]。（3）按照泡沫混凝土的密度等级可以分为八个等级，300kg/m3、400kg/m3、500kg/m3、600kg/m3、700kg/m3、800kg/m3、900kg/m3、1000kg/m3。（4）按照泡沫混凝土的使用功能可以分为，保温型泡沫混凝土、结构型泡沫混凝土、保温结构型泡沫混凝土三种。（5）按照养护方式的不同常用的可以分为三种分别为，自然养护泡沫混凝土、蒸压养护泡沫混凝土、蒸汽养护泡沫混凝土。（6）按照孔径的不同可以分为三类分别为，大孔泡沫混凝土（大于3毫米）、中孔泡沫混凝土（1-3毫米）、微孔泡沫混凝土（小于1毫米）。此外，泡沫混凝土的应用范围也极为广泛，如应用在屋内墙面、地面、地下采暖等制品的房建泡沫混凝土；应用在假山、园林、水上等装饰品材料的园林泡沫混凝土；应用于工业管道、炉窑、化工滤质等的工业泡沫混凝土，以及应用与地下工程的地基修补、抗冻等特性的工程泡沫混凝土。1.4.2用途目前泡沫混凝土最广泛的用途就是在建筑节能方面。再细致的划分可将其分为两类，一是制品类，二是现浇类。例如制品类的屋面保温隔热有泡沫色彩水泥瓦，现浇类的有现浇泡沫混凝土屋面保温隔热层。墙体保温隔热、墙面保温隔热、地面保温隔热这些也是如此。工程上的应用虽然起步比建筑节能晚，但应用量、应用范围上升的很快，是近年发展前景较好的领域[8]。例如地基工程、挡土墙等。园林建筑方面的应用虽然还不是十分广泛，但是发展势头可观，是一个新兴领域，像漂浮植物、漂浮假山、发泡仿木材料这些都是泡沫混凝土在园林建筑方面的应用。1.5泡沫混凝土的研究现状1.5.1国外研究现状国外早在十九世纪三十年代就开始对泡沫混凝土的组成结构、物理性能及应用领域进行研究探索，随着科技的不断进步欧美国家将泡沫混凝土的性能不断的延伸，赋予了泡沫混凝土新的定义，使它在建筑材料领域有了全新的发展。2010年AhmadMujahidAhmadZaidi等人在《美国工程和应用科学杂志》提出[9]，目前测量泡沫混凝土抗压强度的标准方法是使用无侧限抗压测试。但无侧限抗压试验没有真正抓住泡沫混凝土的性能,因此通过分析比较标准的抗压试验和承压抗压试验后，得出利用准静态压痕试验可以妥善的检测出泡沫混凝土的抗压强度。2016年奥克兰理工大学的AliA.Sayadi等人在《建筑材料结构》中发表了发泡聚苯乙烯颗粒的着火阻力、导热系数和泡沫混凝土的抗压强度[10]。以密度为800kg/m3的泡沫混凝土，0%的发泡聚苯乙烯体积设计为聚苯乙烯泡沫混凝土作为参考，得出每增加体积会显著降低热导率、火的耐力和混凝土的抗压强度。2016年泰国帕纳空皇家师范大学的NattMakul等人在《清洁生产日报》中对轻质泡沫混凝土的特性(LFC)进行了探讨[11]。将普通硅酸盐水泥(OPC)与被焚烧甘蔗滤饼(ISF)按重量(wt%)为0%,5%,10%,15%,和20%，LFC密度为900、1000和1100kg/m3，进行了水胶材料(OPC+ISF)比(W/B)0.5，进行了研究。结果表明在功能性质方面,随着ISF的比例增加,混合物的导热系数降低。然而,混合物中掺入10wt%ISF替代水泥LFC的强度最好。1.5.2国内研究现状在我国泡沫混凝土在经历了政策法规和行业产业的深度调整后，现以进入了快速转型的重要时期。通过大家不懈的努力，将泡沫混凝土推向了多元化进程，并创造出了新型泡沫混凝土制品。2011年西南科技大学的牛云辉等人研究了外加剂对泡沫混凝土的影响[12]，他们通过以P.O32.5水泥、Ⅲ级粉煤灰为原材料，探究了聚羧酸减水剂、速凝剂、PP纤维、稳泡剂四种外加剂对泡沫混凝土的性能影响，并确定了它们的最佳掺量。有效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。2012年西南科技大学的邓均等人自制蛋白类发泡剂对聚乙烯醇纤维泡沫混凝土进行了性能试验，制备出粉煤灰-水泥基泡沫混凝土。探究了不同长度、掺量的聚乙烯醇纤维对表观密度为700～800kg/m3的泡沫混凝土吸水率、抗压抗折强度、劈裂抗拉强度、收缩率的影响。结果表明,聚乙烯醇纤维有效地提高了泡沫混凝土的抗折强度,当纤维长度为12mm、体积率为0.23%时,28d抗折强度增大了43.24%；纤维体积率0.08%时,纤维长度为6mm的泡沫混凝土抗压抗折强度最高。烟建集团混凝土分公司的武斌等人在济南大学实验室通过采用普通硅酸盐水泥、快硬硫铝酸盐水泥、矿渣和粉煤灰等原材料,通过化学发泡方法制备高性能、环保、轻质泡沫混凝土。研究发现,当普通硅酸盐水泥:快硬硫铝酸盐水泥:矿渣:粉煤灰为5:2:2:1,水胶比为0.5时,可制得干密度为250～300kg/m3,导热系数为0.056W/(m.K)轻质泡沫混凝土。重庆大学材料科学与工程学院的杨长辉等人以碱矿渣水泥为胶凝材料、采用压缩空气发泡方式制备出一种新型泡沫混凝土,并对该泡沫混凝土基本性能进行了研究[13]。结果表明:当密度在250～600kg/m3,碱矿渣水泥泡沫混凝土导热系数在0.070～0.139W/(m.K),龄期为28d时抗压强度在0.6～3.5MPa。与普通水泥制备的泡沫混凝土相比,碱矿渣泡沫混凝土具有导热系数相近、抗压强度更高的特点。1.6泡沫混凝土存在的问题混凝土是廉价的建设材料，随着基础设施的不断完善，混凝土占据着越来越重要的位置。随着建筑业的快速发展，全球混凝土产业在2011年消耗了10亿吨的天然骨料，生产1吨硅酸盐水泥需要消耗大量的燃料以及电能，水泥熟料的生产量与其生产工程中释放的二氧化碳的量几乎是1比1，而二氧化碳又是使得全球变暖的罪魁祸首，除此之外，水泥工业还向大气中排放了很多污染物，随着我国环境保护意识的加强，硅酸盐水泥工业已被认定为高污染、高耗能的产业。因此，水泥工艺的改革、寻找新的发展道路成为了混凝土的必经之路。泡沫混凝土不但面临工艺上的挑战，技术上也不成熟。由于配比、施工方法和养护等方面的因素,使配制的泡沫混凝土特别在使用性能上往往使人大失所望,如干密度为800kg/m3～850kg/m3的泡沫混凝土的抗压强度严重偏低,一般低于2.0MPa,有的甚至不足1.0MPa；由于外在因素，在泡沫混凝土硬化过程中会出现表面开裂的现象,使得空气中的水分进入到泡沫混凝土的内部等这些都加大了探究泡沫混凝土潜在性能的难度。2原材料检测普通的混凝土是由粗、细集料作为填充材料，水泥净浆作为胶凝材料构成的。而泡沫混凝土在此基础上又进行了更加细致的划分，第一部分为最基础的材料——胶凝材料，有水泥、水、发泡剂；第二部分为改善材料——填充材料，有粉煤灰、石膏、窑灰等；第三部分为弥补材料——外加剂，稳泡剂、增稠剂、促凝剂等。泡沫混凝土的种类繁多，可根据不同的需求添加不同的掺和料以达到理想效果，本次试验选用水泥—粉煤灰型，原材料包括水泥、粉煤灰、石灰、发泡剂、稳泡剂、水。2.1水泥我国是水泥生产大国，作为应用最广泛的水硬性胶凝材料，种类也成千上万，可以按照不同的分类条件划分成不同的种类。比如按照矿物组成可分为硅酸盐水泥、铝酸盐水泥以及少熟料或无熟料水泥；按用途和性能可分为通用水泥、专用水泥和特种水泥。不同种类的水泥掺入的熟料与混合材的品种也不同，因为硅酸盐水泥及普通硅酸盐水泥的熟料含量大，混合材掺入量小，相对于其他水泥浆体稠化快，浇注时有较强的稳定性，比较适合掺入到泡沫混凝土中。即使选择在泡沫混凝土中掺入硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，但是由于泡沫混凝土特殊的内部结构，使得应用的水泥除了要符合国家的标准外，还需要适应泡沫混凝土的生产需要，尤其是需要缩短凝结时间、增强强度要求，这些因素使得对水泥的要求有别于一般的泡沫混凝土。本次试验选用的是衡阳金雷水泥厂生产的P.O42.5的普通硅酸盐水泥。2.1.1强度泡沫混凝土内部存在着大量的气孔，使得气孔率非常高，而这些气孔的存在大大降低了泡沫混凝土的强度，承重能力也大大减弱，为了克服这一缺点现阶段最有效的解决措施就是尽量选用高强度的水泥。一般要求水泥的三天抗压强度要高于国家标准的3～6MPa，表1为普通硅酸盐水泥在不同强度等级及龄期下的强度，由此可以得出普通硅酸盐水泥的抗压强度应至少大于42.5MPa。表1普通硅酸盐水泥在不同强度等级及龄期下的强度强度等级抗压强度(MPa)抗折强度(MPa)3d28d3d28d42.5≥17≥42.5≥3.5≥6.542.5R≥22≥4.052.5≥23≥52.5≥4.0≥7.052.5R≥27≥5.02.1.2水泥细度本次试验选45μm筛进行负压筛析法对进行了水泥细度的试验。试验前先将试验筛清洗干净并擦干后，放入筛座上。然后用精确度为0.01g的电子天平称10g待测水泥后放入筛中，盖上筛盖，开动负压筛连续筛两分钟，期间可轻轻敲打筛盖防止水泥粘在上面，试验结束后用天平称量筛余物，试验结果见表二。计算公式如下：F=RS式中：F-RW-表2水泥细度水泥重量（g）筛余物重量（g）水泥细度（%）100.5水泥标准稠度本试验采用不变水量方法。恒定水的用量为142.5ml，加入适量的水泥，将仪器调制自动搅拌。搅拌结束后，立刻将水泥净浆放入置于玻璃板上的模具内，用直边刀轻拍高出试模的浆体，然后刮掉多余浆体。刮平后迅速将其挪动到维卡仪上，将试针对准模具中心，使试杆固定在与净浆表面接触位置，然后拧开螺丝使试杆做自由落体，记录标尺的读数。试验结果见表3。计算公式如下：P=33.4-0.185S式中：P-标准稠度用水量，（%）S-试锥下沉深度，（mm）表3水泥标准稠度下沉高度（mm）标准稠度用水量（%）27282.1.4水泥凝结时间为了稳固泡沫混凝土中的泡沫，使得水泥的凝结速度要快于一般情况，具体参数见表4。表4不同混凝土对不同水泥的凝结时间的规定初凝时间终凝时间硅酸盐水泥普通硅酸盐水泥硅酸盐水泥普通硅酸盐水泥普通混凝土≤45min≤45min≥6.5h≥10h泡沫混凝土≥1h≥4h按照测定的水泥标准稠度用水量的标准制备好净浆，按照2.1.3的装模步骤装好后，放入湿气养护箱内，30分钟后进行第一次测定，将换成初凝所用试针，测定方法与2.1.3的方法一致。快要达到初凝状态时，每隔5分钟进行一次测试，当试针据玻璃板4±1mm时，水泥达到初凝。完成初凝测试后，将模具小端朝下放置，继续放入到养护箱中养护。快要达到终凝时每隔15min测定一次，当试锥不能再试块表面产生标记时终凝完成。表5为此试验结果：表5水泥凝结时间初凝时间（min）终凝时间(min)1213192.2粉煤灰粉煤灰叫飞灰，是一种能在空气中流动的细粉状颗粒，是指煤炉排出的烟气通过收尘装置收集到的粉尘，是排放量最大的工业废料。我国的粉煤灰的年产量居高不下，今年预计达到6.2亿吨，巨量堆放的粉煤灰不仅污染环境，而且造成资源浪费。合理的使用和推广粉煤灰不仅节约土地和能源，还有利于改善环境。粉煤灰作为一种人工火山灰质材料，在混凝土中作为矿物掺合料，代替了部分水泥作为胶凝材料，减少了水泥的掺量，降低了生产的成本。高速将煤粉喷入到温度为1000～1500℃的燃烧炉中，使得煤粉燃烧，在高温下煤粉将发生一系列的物理化学变化，煤粉达到熔融状态后在表面张力的作用下是煤粉颗粒的棱角收缩为球形，充分燃烧后会迅速移动到温度较低的区域形成细小的颗粒物，称为煤粉。煤粉与CO、CO2、SO2及水蒸气发生二次反应后在排除烟道的过程中被收尘装置收集。图1粉煤灰的产生过程2.2.1粉煤灰掺入混凝土的标准不同种类的混凝土对粉煤灰的等级、掺量有着不同的标准，本次实验选用的是Ⅱ级粉煤灰，此粉煤灰符合GB/T1596-2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》和JGJ28-86《粉煤灰在混凝土和砂浆中应用技术规程》：表6粉煤灰应用范围粉煤灰等级应用范围Ⅰ级粉煤灰后张预应力钢筋混凝土结构跨度小于6m的先张预应力钢筋混凝土构件Ⅱ级粉煤灰普通钢筋混凝土和轻骨料钢筋混凝土Ⅲ级粉煤灰无筋混凝土和砂浆普通混凝土中，粉煤灰取代水泥率不得超过表2中的范围：表7粉煤灰取代水泥率混凝土等级普通硅酸盐水泥（%）矿渣硅酸盐水泥（%）C15以下15～2510～20C2010～1510C25～C3015～2010～15表8GB/T1596-2005粉煤灰质量指标分级粉煤灰等级细度（%）烧失量（%）需水量比（%）SO3含量（%）含水率（%）Ⅰ≤12≤5≤95≤3≤1Ⅱ≤20≤8≤105≤3≤1Ⅲ≤45≤15≤115≤3不规定2.2.2粉煤灰细度将待测的粉煤灰样品置于温度为105℃-110℃的干燥箱内烘至恒重后冷却至室温。在电子天平上称量10g待测粉煤灰，放入筛中，盖上筛盖，开动负压筛连续筛三分钟，期间可轻轻敲打筛盖防止粉煤灰粘在上面，试验结束后用天平称量筛余物，试验结果见表9。计算结果如下：F=G式中：F-45um方孔筛筛余，（%）G1G-称取试样的质量，（g）表9粉煤灰细度测定数据粉煤灰重量（g）筛余物重量（g）粉煤灰细度（%）101．9192.2.3粉煤灰烧失量表10《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》规定了不同级别粉煤灰的烧失量。表10用于水泥和混凝土中的粉煤灰粉煤灰等级烧失量（%）Ⅰ≤5Ⅱ≤8Ⅲ≤15按四分法取样，称1g烘干后的粉煤灰放入烘干后的坩埚中，称其质量，一同放入950～1000℃的高温炉中加热至恒重后，取出冷却至室温后称量其共同的质量。计算公式如下：S=（G式中：S-粉煤灰烧失量，（%）G1-烘干前的总质量，（gG2-烘干后的总质量，（g经计算，此次试验所用粉煤灰的烧失量为5.4%。2.3发泡剂泡沫混凝土的产生机理是由于水泥自身的胶凝作用使泡沫固定在水泥净浆内部。因此，泡沫是形成泡沫混凝土的一个重要指标，也是生产泡沫混凝土的关键。而发泡剂的性能决定了泡沫的气孔的结构、形态、尺寸、数量等各种技术特征。所以研究泡沫混凝土，就要从发泡剂开始。通俗讲发泡剂就是能与水在有空气存在的条件下通过搅拌，产生大量泡沫的一类物质。例如离子表面活性剂、非离子表面活性剂等。本次试验根据表11泡沫混凝土对泡沫剂制成泡沫的要求分别对十二烷基硫酸钠和a-烯基磺酸钠（AOS液）的性能进行了检测：表11泡沫剂制成泡沫要求技术指标技术要求发泡倍数>201h沉降距≤10mm1h泌水量≤80ml2.3.1发泡倍数发泡倍数的测定方法是将制成泡沫注满容积为250ml，直径为60mm的无底玻璃桶内，两端刮平，称其质量。具体参数见表12、13中的不同配合的发泡剂与水的掺量，并得出了结论。（1）发泡倍数M可按下式计算：…………………(6)式中：M-G表12AOS液不同配比的发泡倍数发泡剂与水的配比1：301：351：401：451：50发泡倍数2538273425表13十二烷基硫酸钠不同配比的发泡倍数发泡剂与水的配比1：301：351：401：451：50发泡倍数2217201814通过发泡倍数的测定可知a-烯基磺酸钠（AOS液）与水的比例为1：35时发泡倍数最大为38；十二烷基硫酸钠取发泡剂与水的配比为1：30时发泡倍数最大为22。2.3.2泡沫密度表14泡沫质量1：35a-烯基磺酸钠（AOS液）1：30十二烷基硫酸钠泡沫质量（g）6.5511．36泡沫密度根据下列公式计算：………………(7)式中：ρmmv表15泡沫密度1：35a-烯基磺酸钠（AOS液）1：30十二烷基硫酸钠泡沫密度26.22kg/m345.44kg/m32.3.3沉降距与泌水量将制好的泡沫在30秒内装满图1中的容器中，将浮标轻轻放置在泡沫上，1h后开启下端的水龙头，称量流出的液体质量。沉降距为浮标下降的距离。图1泡沫沉降距与泌水量的测量仪器泡沫1h泌水率按公式计算:…………………(8)式中：—泡沫1h泌水率，（%），（g）—泡沫密度，(g/ml)，（ml）图16沉降距和泌水率沉降距（mm）泌水率（%）a-烯基磺酸钠（AOS液）987十二烷基硫酸钠14111综合上述数据本次试验选取a-烯基磺酸钠（AOS液）为此次发泡剂。2.4稳泡剂泡沫的稳定性就是指泡沫能够长时间存在而不破裂，泡沫的稳定性越高，泡沫混凝土的成型效果越好，如果泡沫消失的时间过快，还没使泡沫混凝土凝结，就会出现塌模的现象。稳泡剂的加入就是降低泡沫的消泡速率。通过试验可以发现，发泡剂加入稳泡剂后，发泡倍数明显降低，但延长了泡沫的消泡时间，综合以上因素选择最优的掺入量对发泡剂的使用起到了积极的作用。本次试验选用的稳泡剂是聚乙烯醇，掺入量为6.5%。2.5石灰此次试验选用的生石灰。生石灰消化时放出的热量有利于泡沫混凝土早期强度及质量的提高。它的技术性质应符合《硅酸盐建筑制品用生石灰》(JC/T621-2009)合格品要求。随着石灰掺量提高,泡沫混凝土强度也随之增加,但石灰的最佳掺量区域在5～15%之间。选用的石灰密度为1200kg/m3。2.6水在发泡混凝土的制备过程中,对水是有一定要求的。例如,水中杂质不能太多,否则直接影响发泡剂发泡效率,而本试验中均采用自来水。3泡沫混凝土配合比设计的方法和内容3.1泡沫混凝土配合比设计的原则JG/T266-2011《泡沫混凝土砌块》中规定了泡沫混凝土的各项性能指标，如允许的尺寸偏差、干密度、抗压强度的规定如下表：3.1.1尺寸偏差表17尺寸允许偏差应符合表的规定项目名称指标长度(mm)±4宽度(mm)±2高度(mm)±23.1.2密度等级分类及要求按切块的干表观密度分为A03、A04、A05、A06、A07、A08、A09、A10八个等级。对应的干密度值见表18，允许有+5%的误差。表18泡沫混凝土干密度分类密度等级A03A04A05A06A07A08A09A10干表观密度≤3004005006007008009001000由表18可知，欲制备A07级的泡沫混凝土砌块，算上最大误差，则其干密度不应超过735kg/m3，范围在630kg/m3.1.3强度等级分类及要求砌块抗压强度可分为八个等级，C0.3、C0.5、C1、C2、C3、C4、C5、C7.5，表19为JG/T266-2011泡沫混凝土，对比表20不同干密度等级对应的泡沫混凝土强度范围可知，A07级的泡沫混凝土的强度范围在1.2～2.0，由此可以推出本次试验的泡沫混凝土的强度等级为C1～C2之间。表19泡沫混凝土强度等级强度等级C0.3C0.5C1C2C3C4C5C7.5强度每组平均值0.300.501.002.003.004.005.007.50单块最小值0.2250.4250.5501.7002.5503.4004.2506.375表20不同干密度等级对应的泡沫混凝土强度范围干密度等级强度范围（MPa）A030.3～0.7A040.5～1.0A050.8～1.2A061.0～1.5A071.2～2.0A081.8～3.0A092.5～4.0A103.5～5.0在制备混凝土时，强度是其考虑的首要因素。由于混凝土的强度容易受到外因素的影响，所以在设计泡沫混凝土配合比时，应计算上标准差σ，保证实际配制的混凝土强度高出设计时的计算强度。3.2泡沫混凝土配合比设计方法本次试验的泡沫混凝土设计体系为水泥—粉煤灰—石灰，具体的配合比设计步骤如下：1、先确定泡沫混凝土的干密度，然后计算出水泥、粉煤灰、石灰的总用量。2、通过水泥、粉煤灰石灰的总用量，确定水料比，确定试验的用水量。3、按照干物料总量及用水量，确定料浆总体积。4、通过料浆的总体积确定泡沫液体积。5、按照泡沫液的体积及实测的泡沫密度，确定泡沫剂的用量。在确定泡沫混凝土中个原材料的配合比时，应考虑到它们的增大或减小会不会对泡沫混凝土的和易性和稳定性造成不良的影响，影它们的早期强度，因此得当的改变用量，也是促使试验成功的基本因素。本次试验中的胶凝材料是水泥和粉煤灰，因此应注意这两者掺量的增大或减小对试验结果的影响。3.2.1配合比计算方法本次试验采用的表观密度法，欲制备密度等级为700kg/m3，水料比为0.4的泡沫混凝土。水泥—粉煤灰—石灰体系的泡沫混凝土配合比计算关系式为：………(9)……………………(10)…………………(11)………………(12)……………………(13)…………………(14)式中：ρg-泡沫混凝土设计的干密度—质量系数，普通硅酸盐水泥取1.2，铝酸盐水泥取1.4—泡沫混凝土的水泥用量,（kg/m3）—泡沫混凝土粉煤灰用量,（kg/m3）—泡沫混凝土石灰用量,（kg/m3）—泡沫混凝土基本用水量,（kg/m3）—基本水料比—水泥密度,（取3100kg/m3）—粉煤灰密度,（取2600kg/m3）—石灰密度,（取1200kg/m3）—水的密度,（取1000kg/m3）—富余系数，通常大于1，一般情况下取1.1～1.3—实测泡沫密度，（kg/m3）—泡沫混凝土的泡沫质量，（kg）此次试验要制备干密度为700kg/m3的试块，1m3泡沫混凝土硅酸盐水泥、粉煤灰、石灰的总质量为：，其中，质量系数取1.2。泡沫量的计算，选取一个计算实例，假设粉煤灰占10%，则粉煤灰的质量为583.33×10%=58.33g，石灰占5%，则石灰的质量为583.33×5%=29.17g，水泥占85%，则水泥的质量为583.33×85%=495.83g，水料比为0.4，则用水量为583.33×0.4=233.33g。净浆总体积和泡沫添加量的计算如下：在分别将水泥、粉煤灰、石灰、用水量、需要的泡沫质量都扩大1.5倍后，就是此配合比下的各物料的掺量。3.3配合比试验方案此次试验采用多因素配合比设计，采用正交表设计试验，进行抗压、抗折强度，干密度，吸水率的测试，找出最佳的泡沫混凝土配合比。此次试验改变粉煤灰、石灰、发泡剂的掺量，具体掺量如下：表21改变的变量及变量掺量水平因素粉煤灰掺量（A）石灰掺量（B）发泡剂掺量（C）10%0%1%210%5%2%320%10%1.5%3.3.1正交试验设计正交试验能通过少量的代表性很强数据分析出每个因素对试验影响的主次及影响规律，确定最佳的配合比设计。此次试验是以改变粉煤灰掺量、石灰掺量、发泡剂掺量设计的三因素三水平的正交试验表，见表22。表22正交试验表试块编号水料比粉煤灰石灰发泡剂水泥稳泡剂10.40%0%1%100%6.5%20.40%5%2%95%6.5%30.40%10%1.5%90%6.5%40.410%0%2%90%6.5%50.410%5%1.5%85%6.5%续表2260.410%10%1%80%6.5%70.420%0%1.5%80%6.5%80.420%5%1%75%6.5%90.420%10%2%70%6.5%本次试验的目的是想根据正交试验，通过改变粉煤灰掺量、石灰掺量、发泡剂掺量这三个因素找出它们对泡沫混凝土干密度、吸水率、抗压强度、抗折强度的影响规律，通过极差分析计算出这三个因素对泡沫混凝土的影响主次顺序，最后找出最佳的泡沫混凝土配合比。4泡沫混凝土制备及性能检测4.1泡沫混凝土的制备当下，有两种泡沫混凝土的制备方法：一是先将泡沫制备好，再掺入到砂浆中进行搅成型，这称之为预制泡沫混合法。二是将水泥砂浆和发泡剂一起预制浇筑，再将胚体静停发泡，这称为混合搅拌法。本次试验采用预制泡沫混合法，实验步骤如下：1、按照配合比算出的水泥、粉煤灰、石灰的重量进行称量，加入到净浆搅拌机中干拌混合，之后加入称好的水混合搅拌。2、称量出所需的发泡剂、稳泡剂和发泡所需的水，先将稳泡剂搅拌均匀，再将发泡剂和余下的水倒入净浆搅拌机中进行快速搅拌5分钟。3、将搅拌好的泡沫倒入水泥净浆中进行快速搅拌1分钟。4、将搅拌好的泡沫混凝土倒入40mm×40mm×160mm三联模中进行装模成型。泡沫混凝土制备要严谨，尽可能的减小在原材料及试剂的称取、料浆的搅拌等工艺流程的误差，对试验的成功性起到了良好的推动作用，试块成型后的养护也是至关重要的。泡沫混凝土的简单制备流程图及养护工艺如下所示：图2泡沫混凝土制备流程图4.2泡沫混凝土的性能测试泡沫混凝土的抗压强度、干密度和吸水率试验测定参照JC/T1062-2007《泡沫混凝土砌块》和GB/T11969-2008《蒸压加气混凝土性能试验方法》进行。4.2.1干密度实验1、试验仪器：直尺精确值为1mm、电子天平，精确值为0.1g。2、试验步骤：取待测试块，每个试块分别测量三次，量出待测试块的长、宽、高的尺寸，取三次测量的平均值，精确至1mm，并计算出每块试块的体积V。将测量好的试块放入干燥箱内，在60±5℃下放置24小时，然后在80±5℃下放置24小时，再在105±5℃下烘至恒质，称出其质量m0。3、计算公式如下：（15）式中：4.2.2吸水率实验1、试验仪器：电子天平，精确值为0.1g、101-1电热鼓风干燥箱2、试验步骤：将待测试块放入干燥箱内，在60±5℃下放置24小时，然后在80±5℃下放置干密度24小时，再在105±5℃下烘至恒重，称其质量M0。等试块冷却至室温，将其放入水温在20℃左右的恒温水槽内，然后加水至试块的高度的三分之一，保持24小时，再加水至试块高度的三分之二，保持24小时，再加水高出试块的30mm，保持24小时。然后将试块从水中取出，擦干其表面水分，称量每块试块的重量M，精确至1g。3、计算公式如下：（16）式中：4.2.3抗压抗折实验1、试验仪器：TYE-10C型抗折抗压试验机2、实验步骤:选取试块受压面,测量并计算受压面积(精确至lmm),调整模具摆放位置，使其摆放到仪器正中间，采用TYE-10C型抗折抗压试验机测定抗压、抗折强度。3、计算公式如下：（1）抗压强度计算公式:（17）式中：-试块破坏载荷，（KN）（2）、抗折强度计算公式：（18）式中：图3TYE-10C型抗折抗压试验机图4101-1电热鼓风干燥箱4.3数据处理及分析表23泡沫混凝土正交试验结果试样编号干密度(kg/m3)(X)吸水率(%)(Y)28天抗压强度（MPa）(Z)28天抗折强度(MPa)(P)18752727376467617.03.92.4571716.04.51.9687317.94.03.0784888968217.04.0极差分析采用极差分析法可以找出不同粉煤灰掺量、石灰掺量、发泡剂掺量对泡沫混凝土性能的影响。试样编号1、2、3的体现A1对泡沫混凝土的影响，试样编号为1、4、7的体现B1对泡沫混凝土的影响，试样编号为1、6、8的体现的体现C1对泡沫混凝土的影响。因此，可以得到如下计算方法：A1对应的所有指标之和为：KA1=X1+X2+X3=2363B1对应的所有指标之和为：KB1=X1+X4+X7=2266C1对应的所有指标之和为：KC1=X1+y6+y8=2406其他六组指标之和也按照上述方法计算，可以得出粉煤灰（A）、石灰（B）、发泡剂（C）三水平三因素的K1、K2、K3的值。极差值R为Ki（i=1，2，3）的最大值与最小值之差的平均值，各变量的Ki值的和相等，都等于指标的总和7035。将抗压强度、抗折强度和吸水率按照干密度的计算方法计算，将得出的数值填入表24中，可得到极差分析表。表24极差分析表序号A粉煤灰B石灰C发泡剂干密度kg/m3吸水率%抗压强度抗折强度1001875205272730101.5764100267617.03.92.451051.571716.04.51.9续表2461010187317.94.03.072001.584820518892010268217.04.02.4干K12363239326307035密K2226623262085度K3240623162320R46.625.6181.6抗K112.611.611.124.6压K211.311.412.4强K310.711.611.1度R0.630.070.43吸K148.550.351.1151.3水K248.750.150.9率K354.150.949.3R1.870.270.6抗K18.29.310.523.7折K强K度R4.3.2极差分析的因素与指标关系图分别从泡沫混凝土的干密度、抗压强度、吸水率、抗折强度方面分析，将它们干密度、抗压强度、吸水率、抗折强度的K1、K2、K3取平均值，得到的平均值如下表：表25干密度的K1、K2、K3均值表K的均值KiABCK1787797876K2755775695K3802772773表26抗压强度的K1、K2、K3均值表K的均值KiABCKKK表27吸水率的K1、K2、K3均值表K的均值KiABC续表27K116.217.016.8K216.217.016.7K318.016.417.0表28抗折强度的K1、K2、K3均值表K的均值KiABCKKK图5干密度的K1、K2、K3均值图图6抗压强度的K1、K2、K3均值图图7吸水率的K1、K2、K3均值图图8抗折强度的K1、K2、K3均值图A因素（粉煤灰掺量）、B因素（石灰掺量）、C因素（发泡剂掺量）对泡沫混凝土的性能影响：1、A因素（粉煤灰掺量）由图5可知随着KA（粉煤灰掺量）的增大，干密度出现小幅上下波动。但是本次试验事先预设了泡沫混凝土的干密度，因此干密度既不是越大越好也不是越小越好，而是越接近700kg/m3越好；由图6的KA可知，粉煤灰掺量为0%的时候抗压强度最大，伴着粉煤灰掺量的增加抗压强度逐渐降低；随着图7中KA的增大，吸水率在逐渐升高；由于图8中KA的增大，抗折强度先减小后增大。2、B因素（石灰掺量）由图5中的KB（石灰掺量）可知，干密度几乎不受KB影响；由图6的KB可，随着KB的增加，泡沫混凝土的抗压强度先减小后增大；由图7的KB可知它的增加使得泡沫混凝土的吸水率逐渐降低；由图8的KB可知随着它的增加，泡沫混凝土抗折强度先减小后增大。3、C因素（发泡剂掺量）由图5、图6、图7、图8的KC（发泡剂掺量）可知，随着KC的增加，泡沫混凝土的干密度、吸水率、抗折强度都是先减小后增加，抗压强度先增大后减小。以图6，28天抗压强度为例，比较KA、KB、KC三个因素的大小，得到最优水平组合为A1B2C2或A1B3C2。因为A因素中KA1的抗压强度值最高，B因素中KB1与KB3的的抗压强度值相等，因此B1、B3都可。C因素中KC2的抗压强度值最高。但这A1B1C2和A1B3C2两组数值都没有出现在本次正交试验中，更加体现了正交实验的特色。4.3.3确定优水平和最优组合以干密度为例，如果A因素对干密度没有影响，那么KA1、KA2、KA3的数值应该相等，但从图中可以看出，其数值并不相等，说明A因素的不同掺量对干密度是有影响的[14]。由于干密度在试验前已经预先决定了，因此最接近预定数值的掺量，就是干密度的最优值。即A2B3C2，粉煤灰掺量10%，石灰掺量10%，发泡剂掺量2%。抗压强度也进行上述分析，因为抗压强度值越大越好，因此KA1>KA2>KA3，因此在A因素中KA1的抗压强度最好，因此选择KA1为A因素中的最优值。同理可得到B因素中抗压强度的最优值是KB1或KB3，C因素中抗压强度的最优值是C2。因此抗压强度的最优配比为A1B1C2或A1B3C2，即粉煤灰掺量为0%，石灰掺量为0%或10%，发泡剂掺量为2%。在分析吸水率时，由于吸水率越低对泡沫混凝土越好，因此可以从图中看出吸水率最优的配比为A3B1C3或A3B2C3，即粉煤灰掺量为20%，石灰掺量为0%或5%，发泡剂掺量为1.5%。分析抗折强度时与分析抗压强度的原理一致，抗折强度越高越好，因此抗折强度最优的配比为A1B1C1或A3B1C1，即粉煤灰掺量为0%或20%，石灰掺量为0%，发泡剂掺量为1%。4.3.4确定因素的主次顺序极差R的大小可以反映出粉煤灰掺量、石灰掺量及发泡剂掺量中对试验指标的影响谁大谁小[15]。以28天抗压强度为例，表中R值的的顺序为RA>RC>RB，即因素的主次顺序为A>C>B，因此对28天抗压强度影响最大的是粉煤灰，其次是发泡剂，最后是石灰。由图6可以看出，A因素粉煤灰和C因素发泡剂对28天抗压强度值的影响较大。随着粉煤灰的增加，28天抗压强度有着明显的降低，原因是粉煤灰会发生二次水化，在水化过程中，抗压强度会明显下降。干密度、吸水率、抗折强度也按照上述方法分析，根据极差R可以确定各个因素对泡沫混凝土相应性能影响的主次顺序：干密度：RC>RA>RB吸水率：RA>RC>RB抗折强度：RC>RB>RA抗压强度：RA>RC>RB因此，粉煤灰掺量（A）、石灰掺量（B）、发泡剂掺量（C）三个因素的影响顺序为：干密度：C>A>B吸水率：A>C>B抗折强度：C>B>A抗压强度：A>C>B4.4最佳配合比的确定检测的泡沫混凝土性能的不同，得出的各个因素影响性能的顺序主次的结果也不同，因此我们需要通过综合各个因素更深层的分析得到试验的最佳配合比。进行多指标综合平衡时，可参照以下原则进行[16]：1、某个因素既是一个试验水平的主要因素又是另一个水平的次要因素时，那么应选取作为主要因素时的优水平为该因素的水平。2、当确定了某个各试验指标相对比较重要时，那么应当首先确定该指标，然后再选择因素水平。3、因素相对应的各试验水平差别不是很明显时，可依据具体的或是实际条件选取合适的水平，力求达到既经济节约又环保。根据上述分析可知，28天抗压强度与吸水率的因素影响主次顺序都是A>C>B，由此可以推出粉煤灰和发泡剂对混凝土性能的影响较大，石灰的影响性较小。在确定最佳配合比时，应想考虑这两个因素。由28天抗压强度图可知KA1、KC2在A因素、C因素中的抗压强度最大，其中KA1达到最大值，KC2也接近最大值，并且KC2的干密度最接近700kg/m3，KA1、KC2的吸水率是其同因素中最低的，综合以上原因，再考虑到应尽可能的制备出高强度的泡沫混凝土，因此选择KA1粉煤灰的掺量为0%，KC2发泡剂的掺量为2%。B因素（石灰）为次要影响因素，综合干密度、抗压强度、吸水率、抗折强度的均值图可以确定KB3为最佳配合比的掺量，因为当石灰掺量为10%（KB3）时抗压强度最高，吸水率最低，干密度最接近700kg/m3，抗折强度居中，这些条件使得石灰的掺量为10%，成为了石灰掺入量的最佳掺量。综上粉煤灰掺量为0%，石灰掺量为10%，发泡剂掺量为2%为干密度A07级的最佳配合比。5总结与存在问题5.1总结泡沫混凝土的独特之处就是它的“泡沫”，因此在试验前预先选取了十二烷基硫酸钠和a-烯基磺酸钠（AOS液）这两种发泡剂，通过对其性能的检测最后决定使用a-烯基磺酸钠（AOS液）作为此次的发泡剂，发泡倍数为38，泡沫密度为26kg/m3。本次试验用到的其他原材料有，金雷水泥厂生产的P.O42.5的普通硅酸盐水泥，Ⅱ级粉煤灰，稳泡剂聚乙烯醇和水，通过检测它们都符合标准。本文取粉煤灰掺量0%、10%、20%，石灰掺量0%、5%、10%，发泡剂掺量1%，1.5%、2%，进行了三水平三因素的正交法对泡沫混凝土的干密度、吸水率、抗压抗折强度进行了分析。得出，影响干密度的主次顺序为：发泡剂>粉煤灰>石灰；影响吸水率的主次顺序为：粉煤灰>发泡剂>石灰；影响28天抗压强度的主次顺序为：粉煤灰>发泡剂>石灰；影响28天抗折