化學(xué)發(fā)泡陶粒泡沫混凝土力學(xué)及熱工性能研究

王　康，陳國(guó)新

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院， 新疆烏魯木齊830052)

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化學(xué)發(fā)泡陶粒泡沫混凝土力學(xué)及熱工性能研究

王康，陳國(guó)新

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院， 新疆烏魯木齊830052)

摘要：為改善泡沫混凝土的抗裂性能和熱工性能，利用雙氧水、陶粒、?；⒅?、玻璃纖維、水泥等材料，通過(guò)化學(xué)發(fā)泡法制備玻璃纖維增強(qiáng)型陶粒泡沫混凝土砌塊，并采用單因素控制變量法進(jìn)行順序試驗(yàn)，分析了各因素對(duì)材料力學(xué)性能和熱工性能的影響，通過(guò)多元線性回歸得出滿足劈拉強(qiáng)度在0.80～0.90 MPa、抗壓強(qiáng)度在7.0～8.0 MPa的泡沫混凝土砌塊最優(yōu)配合比。結(jié)果表明：泡沫混凝土脆性隨雙氧水、?；⒅楹吞樟Ｓ昧康脑黾佣@著增大；玻璃纖維既可提高泡沫混凝土強(qiáng)度，又可改善其熱工性能。當(dāng)雙氧水、玻璃纖維、?；⒅楹吞樟搅糠謩e為水泥質(zhì)量的7.5%、1.0%、8.5%和8.5%時(shí)，泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)為0.203 W/(m·k)，劈裂抗拉強(qiáng)度達(dá)到0.81 MPa，抗壓強(qiáng)度達(dá)到7.3 MPa。化學(xué)發(fā)泡法制備的玻璃纖維增強(qiáng)型陶粒泡沫混凝土拉壓比高，保溫性能好。

關(guān)鍵詞：化學(xué)發(fā)泡法；泡沫混凝土；力學(xué)性能；熱工性能；多元線性回歸；最優(yōu)配合比

0引言

泡沫混凝土的制備有兩種方法，一種是物理發(fā)泡法，另一種是化學(xué)發(fā)泡法[1-2]。目前，泡沫混凝土的試驗(yàn)研究、生產(chǎn)工藝以及生產(chǎn)設(shè)備主要集中在物理發(fā)泡法制備的泡沫混凝土上，有關(guān)使用化學(xué)發(fā)泡制備泡沫混凝土的研究還比較少。與物理發(fā)泡法相比，化學(xué)發(fā)泡法制備泡沫混凝土省去了預(yù)制泡沫步驟，其強(qiáng)度發(fā)展快，操作更為簡(jiǎn)單、快捷，但化學(xué)發(fā)泡混凝土在發(fā)泡過(guò)程中容易形成較大的串孔，料漿穩(wěn)定性差，使泡沫混凝土脆性大、易開(kāi)裂[3]。纖維能顯著提高泡沫混凝土的拉壓比[4-6]，延緩混凝土出現(xiàn)裂縫，并能刺破發(fā)泡時(shí)產(chǎn)生的較大氣泡，從而解決化學(xué)發(fā)泡法容易形成較大串孔的問(wèn)題。陶粒和?；⒅槎际潜?、隔熱性能良好的建筑材料，適量地?fù)郊犹樟Ｄ芴岣吲菽炷翉?qiáng)度并減少水泥用量[7-8]，而?；⒅閯t能有效降低泡沫混凝土容重并且顯著降低其導(dǎo)熱系數(shù)[9-10]。

為改善泡沫混凝土的抗裂性能和熱工性能，本文以工業(yè)雙氧水、陶粒、?；⒅?、玻璃纖維、水泥等材料，通過(guò)化學(xué)發(fā)泡法制備玻璃纖維增強(qiáng)型陶粒泡沫混凝土，并采用單因素控制變量進(jìn)行順序試驗(yàn)，分析各因素對(duì)材料的力學(xué)及熱工性能的影響，并通過(guò)多元線性回歸得到滿足一定考察指標(biāo)的經(jīng)驗(yàn)公式。

1試驗(yàn)材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

玻璃纖維長(zhǎng)度8～12 mm，直徑15.3 μm，斷裂延伸率3.6%，密度2.70 g/cm3，抗拉強(qiáng)度2480.0 MPa，彈性模量80.0 GPa；?；⒅轭w粒粒徑0.1～2.0 mm，容重80.0～120.0 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)0.028～0.048 W/(m·k)；陶粒堆積密度630～750 kg/m3；水泥為P.O42.5普通硅酸鹽水泥；工業(yè)雙氧水濃度為20%；自來(lái)水。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

考慮雙氧水、陶粒、玻璃纖維和?；⒅樵诓煌瑩搅肯聦?duì)泡沫混凝土的基本力學(xué)性能和熱工性能的影響進(jìn)行順序試驗(yàn)。水泥、水和二氧化錳的質(zhì)量比為1∶0.53∶0.025[11-12]，雙氧水、陶粒、玻璃纖維和?；⒅閾搅烤运噘|(zhì)量為基準(zhǔn)，雙氧水取6.5%、7.5%、8.5%、9.5%和10.5%5個(gè)水平；陶粒和?；⒅榫?.5%、8.5%、10.5%、12.5%和14.5%5個(gè)水平；玻璃纖維取0.4%、0.6%、0.8%、1.0%和1.2%5個(gè)水平。

1.3試塊制作與試驗(yàn)方法

各因素各水平分別制作6個(gè)長(zhǎng)寬高均為100 mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊(其中3個(gè)用于測(cè)試劈裂抗拉強(qiáng)度，3個(gè)用于測(cè)試抗壓強(qiáng)度)和1個(gè)300 mm×300 mm×30 mm平板導(dǎo)熱試塊。試驗(yàn)開(kāi)始前先將陶粒浸水10～12 h進(jìn)行預(yù)濕，之后將預(yù)先準(zhǔn)備好的二氧化錳、陶粒、?；⒅?、玻璃纖維等材料干拌成均勻的混合物；再將準(zhǔn)備好的雙氧水(稀釋后)倒入干拌均勻的混合物中快速攪拌15 s左右；隨后快速將拌合好的泡沫混凝土裝入模具中，并在模具表面鋪蓋一層塑料薄膜或保鮮膜，然后將鋪好薄膜的試模置于室溫下靜置24 h以后拆模；最后將脫模后的泡沫混凝土試塊置于溫度在(20±3) ℃、濕度在95%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d即可。

試塊制備過(guò)程如圖1所示。

(a) 拌制過(guò)程

立方體試塊的基本力學(xué)性能參照《蒸壓加氣混凝土性能試驗(yàn)方法》(GB-T11969-2008)進(jìn)行測(cè)試，抗壓和劈裂抗拉試驗(yàn)的荷載加載速度分別為2.0 kN/s和0.2 kN/s。平板導(dǎo)熱試塊的熱工性能參照《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測(cè)定防護(hù)熱板法》(GB10294-88)進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)測(cè)試過(guò)程如圖2所示。

(a) 抗壓強(qiáng)度測(cè)試

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1　試驗(yàn)結(jié)果

續(xù)表1

變化因素組別名稱?；⒅?%玻璃纖維/%雙氧水/%陶粒/%抗壓強(qiáng)度/MPa劈拉強(qiáng)度/MPa導(dǎo)熱系數(shù)/(W·m-1·k-1)?；⒅?-18.50.86.56.58.11.080.2123-210.50.86.56.58.50.940.1983-312.50.86.56.57.80.830.1813-414.50.86.56.56.40.620.152陶粒4-16.50.86.58.57.91.080.2284-26.50.86.510.58.41.020.2334-36.50.86.512.58.50.930.2564-46.50.86.514.57.50.690.272

2.1雙氧水對(duì)強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)的影響

雙氧水摻量變化對(duì)泡沫混凝土基本力學(xué)及熱工性能的影響如圖3所示?？梢?jiàn)，隨雙氧水摻量的增加，泡沫混凝土試塊強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)呈線性下降趨勢(shì)。雙氧水摻量超過(guò)8.5%，混凝土劈拉強(qiáng)度下降了24.1%，降低幅度較大。從試塊劈拉破壞面來(lái)看，隨雙氧水摻量的增加，試塊內(nèi)部較大的閉口串孔孔隙增多。

試驗(yàn)結(jié)果表明，雙氧水摻量過(guò)多會(huì)導(dǎo)致發(fā)泡速率過(guò)快，澆筑完成后容易塌模，且混凝土內(nèi)部容易形成較大的串孔。當(dāng)試塊受到外力作用時(shí)串孔孔邊由于應(yīng)力集中易產(chǎn)生微裂縫，且裂縫沿著串孔方向迅速擴(kuò)展，使混凝土強(qiáng)度顯著降低，且呈現(xiàn)脆性破壞。雙氧水摻量過(guò)少則達(dá)不到理想的發(fā)泡效果而造成泡沫混凝土容重大、導(dǎo)熱系數(shù)過(guò)高。

(a) 抗壓強(qiáng)度

(b) 劈裂抗拉強(qiáng)度

(c) 導(dǎo)熱系數(shù)

圖3雙氧水摻量對(duì)試塊力學(xué)性能和熱工性能影響

Fig.3Influence of hydrogen peroxide content on the mechanical properties and thermal performance of blocks

2.2玻璃纖維對(duì)強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)的影響

玻璃纖維摻量變化對(duì)泡沫混凝土基本力學(xué)及熱工性能性能的影響如圖4所示?？梢?jiàn)，隨玻璃纖維摻量的增加，泡沫混凝土試塊導(dǎo)熱系數(shù)單調(diào)遞減，試塊抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度值在1.0%摻量下分別達(dá)到最大，1.0%摻量組別試塊相較0.4%摻量組別試塊其抗壓強(qiáng)度提高了36.8%，劈拉強(qiáng)度提高了56.8%；1.2%摻量組別試塊相較0.4%摻量組別試塊其導(dǎo)熱系數(shù)降低了15.0%。玻璃纖維對(duì)泡沫混凝土試塊的劈裂抗拉強(qiáng)度提高程度最明顯，對(duì)抗壓強(qiáng)度提高和導(dǎo)熱系數(shù)降低的影響較明顯。

玻璃纖維作為增強(qiáng)相，適當(dāng)?shù)膿搅磕苊黠@提高泡沫混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度，從而改善混凝土的抗裂性能[13-15]。1.2%摻量組別試塊的抗壓和劈拉強(qiáng)度均有所降低，原因在于玻璃纖維摻量過(guò)多會(huì)導(dǎo)致混凝土在短時(shí)間快速攪拌的過(guò)程中出現(xiàn)嚴(yán)重的纖維成團(tuán)、成束的現(xiàn)象，玻璃纖維分布不均勻，使得纖維的 “三維約束”效應(yīng)難以體現(xiàn)，且玻璃纖維與水泥砂漿的結(jié)合面是試塊受力作用下的比較薄弱的界面，玻璃纖維摻量的增加使弱界面數(shù)量增多，進(jìn)而使空間約束能力減弱，導(dǎo)致泡沫混凝土強(qiáng)度穩(wěn)定性變差。但泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)隨玻璃纖維摻量變化幅度較小，原因在于玻璃纖維摻量的變化水平遠(yuǎn)小于其他因素，且纖維之間的搭接、牽連阻礙了混凝土發(fā)泡，纖維過(guò)多會(huì)造成混凝土難以發(fā)泡，這使得玻璃纖維質(zhì)輕、隔熱的優(yōu)勢(shì)在泡沫混凝土中難以體現(xiàn)。

(a) 抗壓強(qiáng)度

(b) 劈裂抗拉強(qiáng)度

(c) 導(dǎo)熱系數(shù)

圖4玻璃纖維摻量對(duì)試塊力學(xué)性能和熱工性能影響

Fig.4Influence of the glass fiber content on the mechanical properties and thermal performance of blocks

2.3?；⒅閷?duì)強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)的影響

?；⒅閾搅孔兓瘜?duì)泡沫混凝土基本力學(xué)及熱工性能性能的影響如圖5所示。可見(jiàn)，隨?；⒅閾搅康脑黾?，泡沫混凝土試塊劈拉強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)的變化基本呈線性下降趨勢(shì)；?；⒅閾搅?.5%試塊相較摻量14.5%試塊其劈拉強(qiáng)度降低了42.6%，導(dǎo)熱系數(shù)降低了28.3%。?；⒅槊黠@改善泡沫混凝土的熱工性能，但泡沫混凝土的脆性隨玻化微珠用量增加而顯著變大。

?；⒅閾搅坑?.5%增至10.5%，試塊抗壓強(qiáng)度上升16.4%，劈拉強(qiáng)度下降18.3%，導(dǎo)熱系數(shù)下降11.2%。原因在于?；⒅榈亩嗫卓涨唤Y(jié)構(gòu)發(fā)揮了良好的保溫作用，其用量越多則混凝土內(nèi)部的閉口氣孔就越多，使泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)和容重越低。但?；⒅橛昧窟^(guò)多會(huì)使混凝土內(nèi)部孔隙率較大，試塊承受外荷載作用時(shí)應(yīng)力集中的部位較多，最終導(dǎo)致泡沫混凝土脆性破壞。

(a) 抗壓強(qiáng)度

(b) 劈裂抗拉強(qiáng)度

(c) 導(dǎo)熱系數(shù)

圖5?；⒅閾搅繉?duì)試塊力學(xué)性能和熱工性能影響

Fig.5Influence of the glazed hollow bead content on the mechanical properties and thermal performance of blocks

2.4陶粒對(duì)強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)的影響

陶粒摻量變化對(duì)泡沫混凝土基本力學(xué)及熱工性能性能的影響如圖6所示?？梢?jiàn)，隨著陶粒摻量的增加，試塊劈拉強(qiáng)度基本呈線性下降趨勢(shì)；導(dǎo)熱系數(shù)呈上升趨勢(shì)；陶粒摻量為12.5%試塊抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值8.5 MPa。相較摻量12.5%試塊，陶粒摻量14.5%試塊抗壓強(qiáng)度降低11.7%，劈拉強(qiáng)度降低25.8%，導(dǎo)熱系數(shù)上升6.3%。

當(dāng)陶粒摻量為14.5%時(shí)，泡沫混凝土的和易性較差，砂漿過(guò)剩系數(shù)明顯降低。砂漿過(guò)剩系數(shù)過(guò)低使砂漿約束陶粒變形的能力變?nèi)酰噳K受外力作用時(shí)陶粒容易產(chǎn)生裂紋而遭破壞。相同摻量的陶粒和?；⒅橄啾?，試塊的導(dǎo)熱系數(shù)并沒(méi)有隨陶粒摻量增加而有明顯變化，原因在于?；⒅轭w粒粒徑小，單位體積混凝土中?；⒅榉植挤秶鷱V且更加均勻，更有利于發(fā)揮材料本身的保溫隔熱作用。

(a) 抗壓強(qiáng)度

(b) 劈裂抗拉強(qiáng)度

(c) 導(dǎo)熱系數(shù)

圖6陶粒摻量對(duì)試塊力學(xué)性能和熱工性能影響

Fig.6Influence of the ceramsite content on the mechanical properties and thermal performance of blocks

3多元線性回歸分析

以玻璃纖維增強(qiáng)型陶粒泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度以及劈裂抗拉強(qiáng)度作為考核指標(biāo)，采用多元線性回歸推導(dǎo)玻璃纖維增強(qiáng)型陶粒泡沫混凝土砌塊配合比經(jīng)驗(yàn)公式，以確定強(qiáng)度在7.0～8.0 MPa砌塊材料的最優(yōu)配合比。

對(duì)泡沫混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度的試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行多元線性回歸，假設(shè)線性回歸模型為:

yi=b0-b1xx-b2x2-b3x3-b4x4+e,

(1)

其中，yi為試塊的抗壓強(qiáng)度或劈拉強(qiáng)度或?qū)嵯禂?shù)；x1為雙氧水摻量；x2為玻璃纖維摻量；x3為?；⒅閾搅?；x4為陶粒摻量；e為試驗(yàn)誤差。

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入回歸模型(1)中，得到下列回歸方程。

試塊抗壓強(qiáng)度多元線性回歸方程為：

y1=10.319-0.013xx+0.027x2+0.001x3+0.002x4,R2=0.848，n=17。

(2)

試塊劈拉強(qiáng)度多元線性回歸方程為：

y2=2.601-0.003xx+0.01x2-0.001x3-0.001x4，　R2=0.981，n=17?！?3)

1.*為一般顯著；***為非常顯著。

對(duì)多元線性回歸方程進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表2所示。由表2可知，劈裂抗拉強(qiáng)度線性回歸方程檢驗(yàn)值非常顯著，抗壓強(qiáng)度線性回歸方程檢驗(yàn)值顯著程度一般。所以在玻璃纖維增強(qiáng)型陶粒泡沫混凝土配合比的設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)以劈裂抗拉強(qiáng)度為主要參考指標(biāo)。

根據(jù)泡沫混凝土試塊劈裂抗拉強(qiáng)度多元線性回歸方程(3)，初步選取雙氧水摻量7.5%，玻璃纖維摻量1.0%，?；⒅閾搅?0.5%和陶粒摻量10.5%為泡沫混凝土最優(yōu)摻量。為驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)公式的適用性，本研究以該配比實(shí)際配置了3組泡沫混凝土試塊。將試塊的配合比參數(shù)代入回歸方程(3)中，得到劈裂抗拉強(qiáng)度值為0.83 MPa，抗壓強(qiáng)度值為8.0 MPa；而按照初選配合比配置試塊的實(shí)測(cè)劈拉強(qiáng)度為值0.81 MPa，抗壓強(qiáng)度值為7.3 MPa，導(dǎo)熱系數(shù)為0.203 W/(m·k)。結(jié)果表明，劈拉強(qiáng)度實(shí)測(cè)值與計(jì)算值吻合較好，回歸方程(3)對(duì)于配置強(qiáng)度等級(jí)在7.0～8.0 MPa的砌塊有較大的參考價(jià)值和較強(qiáng)的適用性。

4結(jié)論

通過(guò)研究分析雙氧水、玻璃纖維、?；⒅楹吞樟Ｔ诓煌瑩搅肯聦?duì)泡沫混凝土基本力學(xué)性能及熱工性能的影響，得到如下結(jié)論：

①雙氧水摻量超過(guò)8.5%，泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度值下降幅度較大，其摻量每增加1.0%，泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度下降約13.6%，劈拉強(qiáng)度下降約19.8%。

②玻璃纖維對(duì)泡沫混凝土試塊的劈裂抗拉強(qiáng)度提高程度最明顯，對(duì)抗壓強(qiáng)度提高和導(dǎo)熱系數(shù)降低的影響較明顯。相較0.4%摻量組別試塊，1.0%摻量組別試塊劈拉強(qiáng)度提高53.4%，抗壓強(qiáng)度提高17.6%，1.2%摻量組別試塊導(dǎo)熱系數(shù)降低了15.0%。

③玻化微珠顯著改善了泡沫混凝土的熱工性能，但是其用量過(guò)多將導(dǎo)致泡沫混凝土脆性顯著變大。其用量由6.5%增至14.5%，導(dǎo)熱系數(shù)由0.223 W/(m·k)降至0.152 W/(m·k)，下降31.8%。

④陶粒摻量14.5%試塊泡沫混凝土和易性差，相較摻量12.5%試塊其抗壓強(qiáng)度降低11.7%，劈拉強(qiáng)度降低25.8%，導(dǎo)熱系數(shù)上升6.3%。

⑤采用多元線性回歸分析得到的計(jì)算強(qiáng)度與實(shí)測(cè)強(qiáng)度吻合較好，當(dāng)雙氧水摻量7.5%，玻璃纖維摻量1.0%，?；⒅閾搅?.5%，陶粒摻量8.5%，泡沫混凝土劈拉強(qiáng)度為0.81 MPa；抗壓強(qiáng)度為7.3 MPa；導(dǎo)熱系數(shù)為0.203 W/(m·k)。砌塊的延性比較好，拉壓比為0.11?？梢?jiàn)經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)于配置砌塊劈拉強(qiáng)度在0.80～0.90 MPa、抗壓強(qiáng)度在7.0～8.0MPa的砌塊有較大的參考價(jià)值和較強(qiáng)的適用性。

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(責(zé)任編輯唐漢民裴潤(rùn)梅)

Mechanical and thermal properties of ceramsite foamed concrete prepared with chemical foaming method

WANG Kang ,CHEN Guo-xin

(College of Hydraulic and Civil Engineering, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052, China)

Abstract：In order to improve crack resistance and thermal properties of foamed concrete, hydrogen peroxide, ceramsite, glazed hollow bead, glass fiber, and cement were used to prepare glass fiber-reinforced ceramsite foamed concrete blocks with the chemical foaming method. A single factor control variate method was used to test the blocks, and the effect of various factors on mechanical and thermal properties of the concrete was analyzed. An optimal mixture ratio was obtained through a multiple linear regression analysis. The splitting tensile strength of the foamed blocks was between 0.80 MPa and 0.90 MPa, and the compressive strength was between 7.0 MPa and 8.0 MPa. Results show that the brittleness of foamed concrete corresponds with the increase of the hydrogen peroxide and glazed hollow bead contents. Glass fiber can improve the splitting tensile strength and thermal performance of foamed concrete. When the hydrogen peroxide, glass fiber and glazed hollow beads are 7.5%, 1.0%, 8.5% and 8.5% of the cement mass content, respectively, the thermal conductivity of foamed concrete is 0.203 W/(m·k), the splitting tensile strength is 0.81 MPa, and the compressive strength is 7.3 MPa. Glass fiber-reinforced ceramsite foamed concrete prepared with the chemical foaming method, have high ratio of tension to compression and good thermal properties.

Key words：chemical foaming method; foamed concrete; mechanical properties; thermal properties; regression analysis; optimum mixture ratio

中圖分類號(hào)：TU528

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-7445(2016)02-0339-07

doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0339

通訊作者：陳國(guó)新(1978-)，男，新疆巴州人，新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)副教授，博士(后)；E-mail:xjbnchgx@163.com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11242007)；新疆維吾爾自治區(qū)優(yōu)秀青年科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)項(xiàng)目(2014721012)；中國(guó)科學(xué)院"西部之光"人才培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目(RCPY201208)

收稿日期：2015-10-18；

修訂日期：2016-02-19

引文格式：王康，陳國(guó)新.化學(xué)發(fā)泡陶粒泡沫混凝土力學(xué)及熱工性能研究[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016，41(2)：339-345.