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煙臺德賽機械制造有限公司

泡沫混凝土整體現澆墻體工程應用研究


源:四川省非金屬復合與功能材料重點實驗室-省部共建國家重點實驗室培育基地 牛云輝 盧忠遠 嚴云 何順愛

核心提示:泡沫混凝土具有質輕、保溫隔聲等優異性能,但易開裂、強度低和易塌模等問題制約了其在現澆承重墻體上的應用。

摘要:泡沫混凝土具有質輕、保溫隔聲等優異性能,但易開裂、強度低和易塌模等問題制約了其在現澆承重墻體上的應用。以P·O32.5R水泥、Ⅲ級粉煤灰為主要原料,制備出用于現澆承重保溫為一體的免蒸壓泡沫混凝土;采用單因素試驗研究了外加劑對泡沫混凝土性能的影響,并結合工程應用實例,對泡沫混凝土整澆墻易出現的問題進行分析并提出解決建議。制備的泡沫混凝土能有效地解決泡沫混凝土現澆承重墻體時容易出現的塌模、開裂等問題。

關鍵詞:泡沫混凝土;現澆;外加劑;工程應用

泡沫混凝土具有輕質、保溫、隔熱、隔聲等優異性能,而且生產投資少、可大量利用工業廢渣,它的應用對建筑節能及環保都有重要意義。有研究表明[1-4],隨著粉煤灰摻量的增加和水泥用量減少,混凝土的抗壓強度大幅下降。但粉煤灰具有火山灰活性,在堿性環境下,隨著混凝土齡期的增長,高摻量粉煤灰泡沫混凝土的抗壓強度會明顯增大。

近年來,泡沫混凝土在國內應用有了很快的發展,但現澆泡沫混凝土保溫墻體仍存在一系列問題,諸如泡沫混凝土強度較低,不適宜作為承重墻材;預制砌塊增加了工序和工程成本;泡沫混凝土干縮以及因干濕循環和結構疏松引起的開裂,由于受到澆注高度影響出現的塌模、易碳化等問題。嚴重制約了泡沫混凝土的廣泛應用本文以普通硅酸鹽水泥、粉煤灰和自制復合發泡劑為主要原料,通過單因素試驗研究了外加劑對泡沫混凝土強度、保溫性能以及工作性等方面的影響,制備出用于現澆整體板房的免蒸壓泡沫混凝土,并將其應用于整體現澆工程。通過大摻量粉煤灰和外加劑之間耦合作用,解決了泡沫混凝土在現澆墻體中出現的易塌模、開裂等問題。結合工程實例,對泡沫混凝土整體現澆集承重保溫一體的墻體所存在問題進行分析,并總結提出相應的解決建議。

1配合比設計

1.1原材料

水泥:拉法基P·O32.5R水泥;粉煤灰(FA):Ⅲ級粉煤灰;外加劑A:聚羧酸系減水劑;外加劑B:PP纖維;外加劑C:速凝劑(主要成分為鋁酸鈉);外加劑D:穩泡劑(主要成分為纖維素醚);自制復合發泡劑(主要成分為十二烷基磺酸鈉);鋼絲網,規格為10mm×10mm。

1.2試驗方法

1.2.1密度設計

由于泡沫混凝土主要通過改變泡沫添加量來控制密度,試驗中采用固定混合料體積法來計算泡沫添加量,添加泡沫體積按式(1)計算:

V2=K1×(1-V1/V)           (1)

式中:V———單方泡沫混凝土總體積,m3;

V1———加入泡沫前,單方泡沫混凝土所用料漿體積,m3;

V2———單方泡沫混凝土泡沫添加量,m3;

K1———富余填充系數,本實驗所用的經驗值為1.2。

對于設計干密度固定的泡沫混凝土按照式(2)來計算混凝土的干密度。

            (2)

式中:V1———單方泡沫混凝土泡沫添加量,m3;

V2———加入泡沫前,單方泡沫混凝土所用料漿體積,m3;

k2———體積損失系數,取決于發泡劑和基體材料,本實驗經驗值為0.91;

k3———水膠比;

m1———單方泡沫混凝土泡沫添加量,kg;

m2———單方泡沫混凝土基體材料用量,kg;

ξ———經驗常數,不同密度水分揮發和水化速率不同,取決于濕密度大小、泡沫分布。取值范圍:0.1~0.5,本實驗取0.25。

1.2.2澆注高度試驗

實驗方法:以55%水泥、45%粉煤灰為膠凝材料,外加劑A、B、C、D摻量分別為膠凝材料質量的0.5%、0.3%、0.4%、0.03%,水膠比為0.3,m(發泡劑)∶m(水)=1∶50,設計密度1100kg/m3制備泡沫混凝土。采用d=0.20m、h=4.5m的PVC管材為模具,現澆高為4.5m泡沫混凝土圓柱,自然養護3d,分別對柱體頂端和底部取樣進行測試。測試內容:干密度、強度、測量塌模高度、SEM掃描。

取樣方法:切割規格為100mm×100mm×100mm的試塊,參照JC/T1062—2007《泡沫混凝土砌塊》進行強度測試,強度測試后將試樣置于105℃烘干24h后測質量,計算干密度。

分別研究了A、B、C、D四種外加劑對泡沫混凝土的影響,凝結時間參照GB1346—2001《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》進行測試;流動度參照GB/T2419《水泥膠砂流動度測定方法》進行測試。保持基準配比不變,改變4種外加劑摻量,進行單因素試驗。

2試驗結果

2.1澆注高度試驗結果(見表1)


由表1可以看出,底部干密度比頂部增大了2.2%;3d抗壓強度增大了0.234%,未出現塌模跡象。分析認為,密度的差

異是由于受澆注高度影響,底部泡沫消泡后漿體微微下沉所致,沉降高度為0.01m,強度差異不大。分別對底部和頂部的泡沫混凝土進行SEM掃描分析,結果如圖1所示。

由圖1可以看出,泡沫混凝土柱體頂部和底部的孔徑約為0.1~0.3mm,氣孔大小相間,均勻排布,底部大孔稍多。分析認為:柱體底部氣孔受到來自水泥漿體各向作用力相互抵消,孔徑越小,氣孔受到的浮力越小,氣泡不會上浮。但漿體中粉煤灰顆粒受重力作用會微沉降,底部漿體中部分小泡破裂,聚合成為大泡,也就導致了底部小泡較少,干密度稍大。

2.2外加劑單因素試驗結果

2.2.1減水劑摻量對泡沫混凝土抗壓強度的影響


由圖2可見,隨著聚羧酸系減水劑摻量的增加,泡沫混凝土的抗壓強度緩慢增大;當減水劑摻量超過0.5%時,減水劑對泡沫混凝土強度影響變大;當減水劑摻量為2.5%時,3d抗壓強度最大(7.72MPa)。這說明聚羧酸系減水劑存在最適宜的摻量范圍,超過這個范圍反而會對泡沫混凝土強度產生不利影響。試驗發現,當聚羧酸系減水劑摻量過多,泡沫混凝土的凝結時間變長,容易導致塌模。

2.2.2 速凝劑摻量對泡沫混凝土凝結時間的影響(見圖3)

 由圖3可見,加入速凝劑后,漿體的凝結時間均縮短。泡沫混凝土要求水泥的初凝最好不超過45min,終凝不超過2h。由于凝結的快慢直接影響到泡沫氣孔的分布和損失率,尤其對于現澆工程,在有一定高度要求時初凝時間最好在25~45min。

2.2.3 PP纖維摻量對泡沫混凝土抗折強度的影響(見圖4)


摻入PP纖維能顯著提高泡沫混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度。對泡沫混凝土抗壓強度提高幅度隨泡沫摻量的不同而有較大差異,陳兵和劉睫[5]研究了PP纖維對泡沫混凝土強度的影響。隨著泡沫摻量的增大,PP纖維對泡沫混凝土抗壓強度提高幅度增大,最大可以提高45.0%;對泡沫混凝土的干縮有顯著的改善作用。而大摻量PP纖維會使得纖維分散不好形成網狀漿體不利于泡沫與漿體攪拌均勻。由圖4可以看出,隨著PP纖維摻量增加,泡沫混凝土的抗折強度提高,摻量為0.8%時,泡沫混凝土3d抗折強度達4.01MPa。

2.2.4 穩泡劑摻量對泡沫混凝土流動度和保水性的影響(見表2)

表2 穩泡劑摻量對泡沫混凝土流動度和保水性的影響


由表2可知,當穩泡劑摻量為0.06%時,泡沫混凝土漿體的泌水現象消失、流動度降低、減少了表面泡沫破裂,表明穩泡劑具有良好的保水性;而當穩泡劑摻量繼續增加至0.09%時,漿體黏稠,導致一些有害的大氣泡無法排出。

2.3泡沫混凝土的配合比

耦合是物理學概念,它是指2個(或2個以上)體系或運動形式之間,通過各種相互作用而彼此影響的現象。外加劑耦合則是借用物理學的概念。由于研究單一外加劑時發現,每種外加劑有各自比較適用的范圍,但并非4種外加劑選取最佳摻量就可以得到性能較好的泡沫混凝土。

外加劑耦合作用可理解為:當減水劑摻量選擇2.5%時,減水效果明顯,但凝結時間卻增加,嚴重的緩凝會導致整澆墻塌模。速凝劑的增加可以縮短凝結時間,但在最佳摻量減水劑的配合比下,通過速凝劑調節凝結時間后,大摻量的速凝劑又會影響漿體的流動性和后期強度。

經過澆注高度試驗和外加劑單因素試驗,通過減水劑調節其工作性,穩泡劑憑借保水性能很好地為泡沫提供穩泡環境,抑制整澆墻的塌模。大摻量粉煤灰代替水泥,減少水泥水化引起的收縮,外摻纖維和穩泡劑相互耦合能夠很好的抑制微膨脹收縮引起的開裂現象。模具中間的鋼絲網和纖維共同作用,使得泡沫混凝土整體現澆墻體能很好的承重同時起到一定保溫效果。對初步的配合比做了調整,最終配合比為:以55%水泥、45%粉煤灰為膠凝材料,外加劑A、B、C、D摻量分別為膠凝材料質量的1.1%、0.3%、0.4%、0.07%,水膠比為0.3,m(發泡劑)∶m(水)=1∶50,鋼絲網4.8m2/m3,按此配比進行最終工程施工。

3 工程應用

3.1工程簡介

工程名稱:泡沫混凝土整體現澆樣板房中試工程。施工時間:2009年6月29日。施工地點:成都郫縣工業園區北區。工程內容:工程采用P·O32.5R水泥和Ⅲ級粉煤灰為主要原料,結合自制復合發泡劑等外加劑,整體現澆高4m、墻體厚度0.12m的泡沫混凝土樣板房,總澆注量為15m3。澆注模板采用木模(見圖5)。


方永浩等[6]研究表明,當用粉煤灰等質量取代水泥時,實際上增加了泡沫混凝土拌合物的固體與氣泡體積比,降低了最終泡沫混凝土的氣孔體積分數,使混凝土抗壓強度提高。前期研究表明,當泡沫混凝土的干表觀密度大于1000kg/m3時,其28d抗壓強度可以遠大于10MPa,符合JC/T1062—2007的A7.5等級砌塊要求。工程采用設計密度為1100kg/m3的泡沫混凝土嘗試現澆集承重和保溫填充墻于一體的保溫節能樣板房。

3.2施工流程(見圖6)

3施工工藝


(1)施工準備:按照施工的設計進行配料計算,購買原材料和外加劑,準備儀器設備,檢查設備運行情況是否良好,同時對施工過程中所需人員協調分配,確保施工能井然有序。(2)基層清理:在木模安裝前,對基層上的浮漿、松散的混凝土塊、包括其它建筑雜物等進行清理,做到基層表面平整,并灑水濕潤。(3)木模安裝:應按圖紙要求彈出墻體軸線、墻邊線、門窗洞口線和標高控制線,安裝木模。(4)鋼絲網安裝:安裝好木模后在木模內安置鋼絲網,并保證平整分布在木模中間。將木模和鋼絲網固定牢固。(5)模具校準:安裝后反復檢查木模的平整度,尤其是模具接觸的縫隙。清除安裝過程中殘留在模具內部的垃圾,填補可能漏漿的孔洞,仔細核對圖紙與模具安裝的結果。(6)泡沫混凝土的制備:將水泥、粉煤灰、PP纖維放入料斗,倒入攪拌機干混,1min后開始加水及減水劑、速凝劑等其它外加劑。開啟發泡設備,將所制的泡沫加入攪拌機中,混泡。(7)現澆墻體:將制備好的泡沫混凝土倒入泵車,直接泵送到安裝好的木模內。(8)屋面澆注:將預制的混凝土梁吊裝至屋頂,以鋼筋作為骨架,再以普通混凝土直接現澆屋面。(9)養護:待樣板房整體澆注完成后,拆模,并在自然環境下養護。(10)墻體處理:抹灰前檢查泡沫混凝土墻體,對澆注時由于模板接縫、不平整導致的灰漿不飽滿的拼縫及粱、板下的頂頭縫,用專用灰漿填塞密實。將露出墻面的舌頭灰刮凈,墻面的凸出部位剔鑿平整。用托線板檢查墻體的垂直偏差及平整度,將抹灰基層處理完好,再粘貼瓷磚。

4 結語

通過此次泡沫混凝土現澆高為4m的整澆墻技術得到檢驗,利用大摻量粉煤灰和4種外加劑之優化的配合比,能很好的解決泡沫混凝土在現澆墻體中存在的塌模、開裂等問題。結合工程實例,對泡沫混凝土整體現澆墻體易出現的問題進行分析總結并提出解決建議。

4.1存在問題

(1)模板問題:本次施工采用木模,但作為現澆整體板房,木模需大量的人力、物力資源,并在拆裝上需要耗費較長時間,增加工程成本和工序。此外,大面積使用木模而導致的現澆整體墻面不平整也增加了后期工程量。

(2)強度問題:整澆墻在具有一定保溫節能特性的同時還有承重作用,對泡沫混凝土的強度有一定要求。強度過低作為承重墻體會存在導致工程事故的風險。

(3)干縮開裂:澆筑后,泡沫混凝土的干縮、開裂,以及由于結構疏松多孔引起的易碳化、易鹽析等問題會嚴重影響泡沫混凝土的工程應用。

(4)設備工藝:泡沫混凝土不同于普通混凝土,要注意到保泡效應,整澆墻需要泡沫混凝土具有足夠好的流動性,但往往流動度大就會增加消泡幾率。制備工藝和經時損失均會影響澆筑后泡沫混凝土的后期性能。

4.2 解決建議

結合施工過程的體會,筆者對上述問題提出了相關解決方法,希望能為泡沫混凝土整澆墻技術的同行們提供參考。

(1)針對泡沫混凝土開發設計專用的廉價、可以重復利用的快速拆卸模板,拼裝的模具要求整體表面平整、運輸輕便。方便快捷的組裝拆卸即可以加快工程進度,又能保證工程質量。

(2)按照建筑質量要求進行施工預算,得出滿足建筑要求的最低強度。建議低層承重墻體的強度設計不小于7MPa。本次施工采用的1100kg/m3泡沫混凝土28d強度為10MPa。在滿足強度指標的前提下還需同時考慮墻體的保溫節能作用。

(3)大摻量采用粉煤灰代替水泥,不僅減小了水泥漿體的收縮量,火山灰活性有利于泡沫混凝土后期強度發展。集合外加劑的保水穩泡效應、纖維局部抗裂和鋼絲網的宏觀拉應力作用,能很好保證整澆墻不開裂不塌模。

(4)泡沫引入砂漿后就會開始破裂,盡可能的縮短攪拌地點和施工地點的距離。運輸過程需要持續攪拌,但攪拌時間不宜過長,攪拌速率控制在8~12r/min。澆注采用的泵車盡量采用活塞泵,以減小泡沫混凝土中泡沫的損失。

通過此次泡沫混凝土現澆整體樣板房的的工藝得到了檢驗,并對實驗室泡沫混凝土的研究結果在工程上得到了較好的應用,大膽采用較高密度的泡沫混凝土,進行集承重和保溫墻材一體的現澆工程。工程完工至今,樣板房未見任何質量問題。

2019/5/15

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