摘   要：采用了体积掺量25%的泡沫与陶粒复合制备了不同密度等级（800、1 000、1 200、1 400）的大流动性陶粒泡沫混凝土，研究了微硅粉掺量对其性能影响，测试了陶粒泡沫混凝土的流动性、不同龄期的抗压强度、劈裂抗拉强度、吸水率、导热系数等。结果表明：引入泡沫可使混凝土的坍落度大于240 mm，具有大流动性的同时有效解决了陶粒易上浮的问题；微硅粉的掺入提高了陶粒泡沫混凝土的力学性能，且密度等级越低，微硅粉的提高效果越明显；陶粒泡沫混凝土的孔隙率和吸水率随陶粒掺量的增加而增加，随微硅粉掺量的增加而降低；陶粒可以改善混凝土的保温性能，其导热系数随陶粒掺量的增加而降低。

      关键词：陶粒；泡沫；混凝土；微硅粉；抗压强度；导热系数

　　全球约有30%的能源消耗在建筑物上，我国在建筑行业的能源消耗占总能源消耗的35%，且将会随着社会的发展进一步提高。因此，如何降低建筑物的高能耗成了当前学者非常重视的问题之一。传统混凝土的保温隔热性能差，改善混凝土的隔热性能可以显著减少建筑物的热损失，降低建筑能耗。轻质混凝土较高的孔隙率和较低的密度使其具有良好的保温性能，符合降低建筑能耗的要求。

　　泡沫混凝土是轻质混凝土的一种，使用发泡剂充分发泡，将泡沫引入到混凝土中，制备出含有大量封闭气孔的轻质混凝土。与传统混凝土相比，泡沫混凝土通常力学性能较差，但是具有保温隔热、经济环保等优点，广泛应用于外墙保温和墙体填充等领域。陶粒具有轻质高强、孔隙率高、抗冻性能好等特点，将其作为轻骨料制备成的陶粒混凝土也是轻质混凝土的一种，掺入陶粒不仅不会降低混凝土的力学性能，还能改善混凝土的工作性和保温性能，但制备时容易出现陶粒上浮的问题。

　　通常，轻骨料密度远低于水泥浆的密度，用其制备的轻质混凝土流动性差，容易出现离析现象。鉴于此，本文采用发泡剂制备稳定的泡沫，掺入混凝土中制备4种密度等级的陶粒泡沫混凝土，并研究陶粒泡沫混凝土的工作性、力学性能、保温性能等，以期在保证流动性较好的同时改善陶粒泡沫混凝土的均质性，解决陶粒易上浮的问题。

1.1   原材料

　　水泥：P·O 42.5级水泥；微硅粉（SF）：产自埃肯公司，二氧化硅含量（质量分数）为96.4%，粒径为0.01～0.50 μm；陶粒：产自山东济宁某公司，基本性能见表1；发泡剂：动物蛋白发泡剂；减水剂：产自苏州某公司的聚羧酸高效减水剂，氯离子含量小于0.05%，减水率为25%。

1.2   配合比与试件制备

　　根据前期试配结果，水胶比固定为0.3，减水剂掺量为胶凝材料质量的0.25%，以保证混凝土的大流动性。为研究陶粒掺量和微硅粉掺量对陶粒泡沫混凝土性能的影响，本试验发泡剂和水按质量比1∶40混合制备泡沫，泡沫密度为180 kg/m3，具体配合比见表2。

　　考虑到陶粒易吸水的特性，试验采用预拌法，首先按照配合比将原材料称重混合，在搅拌机内干拌1 min，再加水搅拌至均匀；将已经用发泡剂制备好的泡沫加入料浆中，充分搅拌；将干燥状态下的陶粒加入到料浆中快速搅拌2 min，全程陶粒未上浮。搅拌完成后成型100 mm×100 mm×100 mm的试件，24 h后脱模，标养至规定龄期进行性能测试。

1.3   性能测试

　　实测密度及流动性：陶粒泡沫混凝土料浆搅拌完成后进行实测密度和坍落度试验。

　　力学性能：按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行陶粒泡沫混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度测试。

　　孔隙率：通过真空饱和技术测试陶粒泡沫混凝土的孔隙率。

　　吸水率：按照GB/T 50081—2019进行陶粒泡沫混凝土吸水率测试。

　　保温性能：采用瞬态热线法，通过TC3000E导热系数仪测试陶粒泡沫混凝土的导热系数。

　　微观结构分析：利用SEM观察陶粒泡沫混凝土试件的微观结构。

2.1   流动性

　　陶粒泡沫混凝土的坍落度和坍落扩展度结果见图1，实测表观密度见表3。由试验现象和结果可知，陶粒泡沫混凝土的坍落度为245~270 mm，坍落扩展度为540~620 mm，没有离析和泌水现象；新拌浆体的流动性较好，流动性随微硅粉掺量的增加而降低，主要是由于微硅粉的比表面积较大，需水量大；陶粒掺量对流动性的影响相对较小；随陶粒掺量的增加，陶粒泡沫混凝土的实测密度降低；随微硅粉掺量的增加，陶粒泡沫混凝土的实测密度增加。可见，掺入25%的泡沫可以制备出大流动性且均质性优异的陶粒泡沫混凝土，其实测密度等级基本和设计密度等级一致。

2.2   抗压强度

　　图2为不同龄期陶粒泡沫混凝土的抗压强度。由图2可知，各试件的抗压强度均随龄期的增长而增加，7 d抗压强度均能达到28 d抗压强度的70%~90%，表明大部分水化过程在7 d内完成。密度等级为800、1 000、1 200、1 400试件的28 d抗压强度最低分别为6.4 MPa、12.4 MPa、16.7 MPa、21.4 MPa，高于密度等级相近的一般轻质混凝土。微硅粉掺量10%能显著提高陶粒泡沫混凝土的抗压强度，密度等级为800、1 000、1 200、1 400试件的28 d抗压强度较不掺微硅粉组试件分别提高了50.0%、29.8%、20.4%、17.3%，可见，陶粒泡沫混凝土密度等级越低，微硅粉对28 d抗压强度的提高效果越明显。

2.3   劈裂抗拉强度

　　图3为密度等级和微硅粉掺量对陶粒泡沫混凝土劈裂抗拉强度的影响。由图3可知，各试件的劈裂抗拉强度随密度等级的增加而增加。微硅粉的掺入提高了试件的劈裂抗拉强度，掺量从0增加至10%时，密度等级为800、1 000、1 200、1 400试件的劈裂抗拉强度分别提高了59.2%、43.8%、24.5%、18.3%，与抗压强度类似，密度等级越低时微硅粉对劈裂抗拉强度的提高效果越明显。

　　图4为劈裂抗拉强度σt和抗压强度σc的拟合曲线。由图4可知，陶粒泡沫混凝土的劈裂抗拉强度随着抗压强度的提高而提高。

2.4   孔隙率

　　图5为微硅粉掺量对陶粒泡沫混凝土孔隙率的影响。LIU等研究表明，混凝土的力学性能较大程度上受孔隙率的影响，孔隙率越高，抗压强度越低。由图5可知，相同密度等级的试件，微硅粉掺入略微降低了其孔隙率，由于微硅粉的火山灰效应使混凝土内部结构致密。当不掺微硅粉时，陶粒掺量由50%减少至15%，密度等级从800增加到1 400时孔隙率下降了51.4%。陶粒掺量越高，孔隙率越高。

2.5   吸水率

　　图6为陶粒掺量和微硅粉掺量对陶粒泡沫混凝土吸水率的影响。由图6可知，试件的吸水率随密度等级的增加而降低，因为密度等级高的试件陶粒掺量少，孔隙率小，随着陶粒掺量增加，试件内部会出现许多有害孔，同时陶粒自身吸水，导致吸水率较高。对于相同密度等级的陶粒泡沫混凝土，随着微硅粉掺量的增加，试件吸水率降低。

2.6   保温性能

图7为陶粒泡沫混凝土的密度等级与导热系数的关系。由图7可知，对于相同密度等级的试件，其导热系数随微硅粉掺量的增加而增加，这是由于微硅粉可以使混凝土内部结构致密化，而陶粒泡沫混凝土内部多孔，孔中多为导热系数小的空气，空气对传热具有明显的阻碍作用，对导热系数的影响较大。

　　根据JGJ/T 12—2019《轻骨料混凝土应用技术标准》，抗压强度超过15 MPa的为结构轻骨料混凝土，主要用于承重构件或构筑物。本文密度等级为1 200、1 400和微硅粉掺量为10%密度等级为1 000的陶粒泡沫混凝土抗压强度为16.1~25.1 MPa，可用于承重构件，本试验所有配合比试件都符合结构保温轻骨料混凝土要求（抗压强度5~15 MPa，密度等级800~1 400），导热系数较低，保温隔热性能更优异，可用于既承重又保温的围护结构。

2.7   微观结构分析

　　典型陶粒泡沫混凝土试件的微观结构见图8。由图8可知，从界面过渡区可以明显看出陶粒和硬化水泥石紧密黏结，没有明显的缝隙，证明了陶粒和浆体优异的相容性。同时，还能观察到试件内部存在水泥浆的水化产物，层片状的氢氧化钙和针状钙矾石，进一步增强了界面过渡区。在掺入微硅粉后，微硅粉可以与氢氧化钙反应生成硅酸钙水合物凝胶，使试件结构致密化。又因为陶粒自身吸水的特点，养护后期发生返水，使水泥水化更充分。

　　（1）掺入25%的泡沫后，陶粒泡沫混凝土的坍落度保持在240 mm以上，具有大流动性。同时，陶粒均匀分布在浆体中，可见，泡沫可以在保证混凝土大流动性的同时避免轻骨料的离析，制备出大流动性且稳定性好的轻质混凝土。

　　（2）微硅粉对陶粒泡沫混凝土的力学性能有改善作用。密度等级越低，微硅粉的提升效果越明显。

　　（3）陶粒泡沫混凝土的孔隙率和吸水率随陶粒掺量的增大而增大，陶粒掺量的增加可以改善混凝土的保温隔热性能。微硅粉的掺入使陶粒泡沫混凝土的密度增大，孔隙率、吸水率、保温隔热性能都有不同程度降低。

　　（4）微观结构表明，陶粒和浆体之间紧密黏结，具有优异的相容性，陶粒独特的吸返水特性增强了界面过渡区。微硅粉可以与氢氧化钙反应生成水化硅酸钙，使混凝土微观结构更为致密。