核殼結(jié)構(gòu)免燒輕骨料的制備與性能研究

龐超明，呂夢(mèng)媛，孫友康

(1.東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇省土木工程材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京　211189； 2.河北九易莊宸股份有限公司，石家莊　050031)

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核殼結(jié)構(gòu)免燒輕骨料的制備與性能研究

龐超明1，呂夢(mèng)媛2，孫友康1

(1.東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇省土木工程材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京211189； 2.河北九易莊宸股份有限公司，石家莊050031)

針對(duì)核殼結(jié)構(gòu)免燒輕骨料的制備技術(shù)，研究采用單顆承載力來表征人造輕骨料的力學(xué)性能，研究了石灰摻量、水泥摻量、不同養(yǎng)護(hù)方式下成熟度模數(shù)對(duì)免燒輕骨料性能的影響，同時(shí)研究了核殼結(jié)構(gòu)免燒輕骨料的耐高溫性能。結(jié)果表明，單顆承載力與筒壓強(qiáng)度具有良好的相關(guān)性，石灰摻量對(duì)粉煤灰摻量為50%的輕骨料力學(xué)性能影響較小，水泥摻量對(duì)輕骨料力學(xué)性能影響較大。成熟度模數(shù)對(duì)早期力學(xué)性能影響較大，隨著成熟度模數(shù)的增加，7 d承載力幾乎成線性增加，但對(duì)28 d力學(xué)性能影響不大。所制備的核殼免燒型骨料，承載力與燒結(jié)陶粒相比存在明顯優(yōu)勢(shì)，具有良好的耐高溫性能，400 ℃時(shí)強(qiáng)度不下降，600 ℃時(shí)顆粒仍保持完整，承載力降低約35%，可用于結(jié)構(gòu)自保溫材料。

核殼結(jié)構(gòu)； 免燒輕骨料； 筒壓強(qiáng)度 ； 單顆承載力； 耐高溫性能

1　引　言

建筑工業(yè)化是我國(guó)綠色建筑發(fā)展的主要途徑。順應(yīng)建筑工業(yè)化的發(fā)展，考慮產(chǎn)品的運(yùn)輸、安裝、吊裝等因素，集輕質(zhì)、保溫、吸音等為一體的高比強(qiáng)輕質(zhì)材料必將成為建筑工業(yè)化的必然選擇?；炷翆?shí)現(xiàn)輕質(zhì)的技術(shù)手段主要是引入氣泡和采用輕骨料兩種途徑，引入氣泡的方式發(fā)展出加氣混凝土和泡沫混凝土，這類材料強(qiáng)度偏低，收縮大，易開裂，尤其是低強(qiáng)導(dǎo)致的吊掛力低，使用感差，但價(jià)格較低。輕骨料以其輕質(zhì)、多孔、保溫、節(jié)能的優(yōu)異性能，近幾年在各種要求功能的材料中得到推廣，如利用其輕質(zhì)和保溫特性應(yīng)用于制備陶粒混凝土隔墻板、樓面板等受力要求不高的新型高比強(qiáng)輕質(zhì)材料中；利用其多孔的吸附特性用于水處理、過濾材料[1]或相變儲(chǔ)能材料[2,3]等。

我國(guó)對(duì)輕骨料的研究起步稍晚，始自20世紀(jì)60年代，以粘土陶粒、頁(yè)巖陶粒和粉煤灰陶粒為主。傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝以粘土、頁(yè)巖等為原料，采用回轉(zhuǎn)窯的高溫?zé)Y(jié)技術(shù)，能耗大，生產(chǎn)環(huán)境差、工藝落后、產(chǎn)量較低。為減少對(duì)粘土、頁(yè)巖等自然資源的使用，以垃圾、污泥等廢棄物為原料的陶粒有所發(fā)展，仍為燒結(jié)工藝，此后節(jié)能免燒輕骨料制備技術(shù)的研究陸續(xù)出現(xiàn)，但總體發(fā)展緩慢。孫盛祥[4]研制出粒徑為5～20 mm免燒輕骨料，自然養(yǎng)護(hù)，堆積密度為650～800 kg/m3，28 d筒壓強(qiáng)度可達(dá)6 MPa。馬彥濤[5]研制了粉煤灰摻量在80%以上，表觀密度840～910 kg/m3，筒壓強(qiáng)度4.5～6.0 MPa，吸水率17%～22%的免燒粉煤灰輕骨料。馮乃謙[6]利用泡沫塑料為芯材研制出自然含水狀態(tài)下表觀密度780 kg/m3，筒壓強(qiáng)度3.7～4.0 MPa，吸水率19%的免燒粉煤灰輕骨料。楊魁 采用EPS為芯材，制備了表觀密度570～890 kg/m3，筒壓強(qiáng)度0.82～4.3 MPa的核殼免燒輕骨料?？傮w而言，研究文獻(xiàn)偏少，所制備的各類陶粒堆積密度較高，且進(jìn)一步降低難度大，比強(qiáng)仍然偏低。

研制較高摻量粉煤灰制品時(shí)，多采用粉煤灰-石灰或水泥或堿(鹽)-鋁硅酸鹽體系。本研究采用粉煤灰-水泥-石灰體系研究核殼型免燒輕骨料的制備技術(shù)，采用單顆承載力和硬度表征免燒輕骨料的性能，研究石灰摻量、水泥摻量和成熟度模數(shù)對(duì)免燒輕骨料性能的影響，同時(shí)研究核殼免燒輕骨料的耐高溫性能。研究制備的集料，制備工藝易調(diào)節(jié)，產(chǎn)品類中空，輕質(zhì)高比強(qiáng)，可用于制備集高比強(qiáng)、保溫隔熱、隔音吸音、防火于一體建筑墻體或結(jié)構(gòu)材料。

2　試　驗(yàn)

2.1原材料與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用PII52.5水泥；Ⅰ級(jí)粉煤灰；石灰，有效CaO含量為60%，采用熒光分析測(cè)得的成分如表1所示。

表1　原材料的化學(xué)組成

單顆承載力測(cè)試采用數(shù)顯式推拉力計(jì)，選擇一定加載速度勻速向下壓骨料，直至破碎，記錄峰值即可。硬度采用邵氏D硬度計(jì)，在試樣相距至少6 mm的不同位置測(cè)量硬度值5～10次，至少取10顆以上樣品，取平均值。筒壓強(qiáng)度依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17431.2-2010輕集料及其試驗(yàn)方法 第2部分：輕集料試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)試。

2.2免燒輕集料的制備

免燒輕集料制備，采用核殼結(jié)構(gòu)，使用憎水粒徑在4～6 mm廢棄EPS顆粒作為內(nèi)核，采用界面處理劑進(jìn)行界面處理，分散均勻后待用。把各種粉料按比例充分混合，將混合均勻的粉料和經(jīng)過預(yù)處理的內(nèi)核一起放入成球機(jī)成球，同時(shí)以噴灑方式添加15%～25%的水分，新生料球置于空氣中自然養(yǎng)護(hù)一段時(shí)間后，采用不同的方式進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，得到成品。所得產(chǎn)品粒形好，接近圓形，顆粒大小均勻，粒徑可調(diào)，如圖1所示。采用該工藝，通過內(nèi)核大小與功能的改變，殼層厚度和配方的調(diào)整，可進(jìn)行各種功能性核殼型免燒輕集料的開發(fā)，如改用儲(chǔ)熱內(nèi)核，則可采用該工藝制備具備儲(chǔ)熱功能的高比強(qiáng)輕集料。

圖1　免燒輕骨料Fig.1　Free-sintering lightweight aggregate

3　結(jié)果與討論

3.1石灰摻量對(duì)免燒輕骨料性能的影響

在粉煤灰-水泥體系中，加入水泥一方面是利用水泥本身的膠結(jié)能力，另一方面水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2是粉煤灰活性激發(fā)劑，而水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2量是有限的，因此需增加Ca(OH)2含量以激發(fā)粉煤灰的活性。為確保免燒輕骨料的強(qiáng)度，研究將粉料中水泥用量控制在50%，粉煤灰和石灰總量控制在50%。成型后早期80 ℃蒸養(yǎng)15 h后采用保濕養(yǎng)護(hù)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2　Ca(OH)2摻量對(duì)輕骨料性能的影響

可以看出，各組輕骨料的堆積密度控制在650 kg/m3左右，1 h吸水率均偏高，在26.7%～29.5%，高于人造輕骨料應(yīng)小于20%的規(guī)定。粒徑4.75～9.5 mm樣品的筒壓強(qiáng)度顯著高于粒徑9.5～16 mm的樣品。

石灰摻量的變化，對(duì)輕骨料性能影響較小，石灰摻量從5%～20%，隨著石灰摻量的提高，筒壓強(qiáng)度先升高后降低，但總體變化幅度不超過10%。其中石灰最佳摻量為15%，有效CaO含量為9.0%，可見合理的CaO摻量可一定范圍內(nèi)提高單位密度下的強(qiáng)度，即實(shí)現(xiàn)高比強(qiáng)。研究表明，粉煤灰磚中有效CaO 摻量宜為總量的10%～14%[7]，其中粉煤灰約占總量的40%～50%，可估算CaO應(yīng)占粉煤灰質(zhì)量的20%～35%。由于水泥熟料完全水化生成的Ca(OH)2約占總重量的25%，考慮水泥中5%的摻合料和5%的助磨劑，假定水化程度為0.7，水泥提供的有效CaO約占總量的7.5%，因此宜添加的有效CaO含量應(yīng)為2.5%～10%?？紤]到石灰摻量取值從15%降低至10%，即有效CaO含量從9%降至6%，筒壓強(qiáng)度降低幅度不大，為減少CaO混合不均勻局部過量帶來的體積膨脹的風(fēng)險(xiǎn)，因此實(shí)際可取10%。

3.2水泥摻量對(duì)免燒輕骨料性能的影響

固定石灰用量占粉煤灰和石灰總量的15%，改變水泥與粉煤灰和石灰總量的比例，即改變水泥摻量，制備輕骨料，測(cè)得其性能如表3所示。

表3　不同水泥摻量對(duì)免燒輕骨料性能的影響

可以看出，水泥與粉煤灰和石灰的比例對(duì)免燒輕骨料性能的影響較大，提高水泥摻量可顯著提高比強(qiáng)。在球形較好的狀態(tài)下，粒徑4.75～9.5 mm的輕骨料與粒徑9.5～16 mm相比，堆積密度高20～30 kg/m3，孔隙率約低2%，而筒壓強(qiáng)度高1.3～2 MPa。隨著粉煤灰摻量的提高，堆積密度降低，筒壓強(qiáng)度也大幅度降低。結(jié)合經(jīng)濟(jì)性和比強(qiáng)考慮，滿足高強(qiáng)輕骨料的要求，可優(yōu)出CF23組配合比，即水泥摻量40%。

3.3筒壓強(qiáng)度與單顆承載力、硬度的相關(guān)性研究

通常采用筒壓強(qiáng)度來表征輕骨料的性能，但筒壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)量較大，因此研究提出采用單顆承載力，擬結(jié)合硬度來表征輕骨料的力學(xué)性能。顯然單顆承載力與殼層厚度有關(guān)，因此測(cè)試了不同Ca(OH)2摻量下不同厚度輕骨料單顆承載力隨齡期的發(fā)展規(guī)律，每組測(cè)試了20～30顆骨料單顆承載力與硬度值，其中硬度值每顆至少測(cè)試3次，取其平均值，并與市場(chǎng)燒結(jié)陶粒測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。3 d和7 d齡期在不同厚度的承載力如圖2所示，28 d力學(xué)性能如表4所示。

圖2　不同厚度下的單顆承載力(a)3d;(b)7dFig.2　Single load bearing capacity of LA with different thickness

No.Singleloadbearingcapacity/N3.5mm3mm2.5mmCylindercrushstrength/MPa4.75-9.59.5-16HardnessCa53372812255.984.1289Ca104033122816.294.5990Ca155124033086.474.6788Ca203783012676.184.3089CF325864603526.985.0286CF234653582316.124.3688CF133693262264.713.4285CF142751981673.812.4686Commercial5-8mm63(40-100)3.1640-60Commercial15-18mm305(110-500)2.5560-80

從圖2可以看出，在不同齡期下，單顆承載力隨著殼層厚度的增大，幾乎成線性增長(zhǎng)。而殼層的本體強(qiáng)度決定了其截距與斜率，而殼層本體強(qiáng)度進(jìn)一步由殼層配方?jīng)Q定。

由于在成球過程中，外殼層厚度會(huì)存在不均勻性，同一顆骨料，不同位置硬度測(cè)試結(jié)果存在差異，數(shù)據(jù)離散性較大。由表4可以看出，各組在28 d的硬度在85～90之間，接近硬度的極限值100，此時(shí)對(duì)應(yīng)的筒壓強(qiáng)度在3.81～6.98 MPa，幾乎相差一倍，同厚度下如3.0 mm時(shí)，單顆承載力為198～460 N，幾乎也相差一倍，因此硬度與單顆承載力和筒壓強(qiáng)度的相關(guān)性不大。而單顆承載力，厚度為2.5 mm、3.5 mm時(shí)，單顆承載力分別為167～352 N、275～586 N；在相同厚度下，輕骨料的單顆承載力與筒壓強(qiáng)度均具有良好的相關(guān)性，且能更準(zhǔn)確的反映材料的力學(xué)性能。由于采用了蒸養(yǎng)制度，力學(xué)性能的發(fā)展較快。在Ca5～Ca20四組輕骨料中，其3d的承載力達(dá)到28 d的73%～89%，而7 d在此基礎(chǔ)上增加4%～10%，達(dá)77%～94%。最佳摻量組Ca15在早中期，承載力的發(fā)展速度最慢，這是因?yàn)槭业淖罴褤搅?，是針?duì)長(zhǎng)齡期而言，早中期大量的Ca(OH)2未能充分反應(yīng)，而摻量更高時(shí)，雖然過量，但也加速了早齡期下粉煤灰的反應(yīng)。由于水泥含量對(duì)免燒輕骨料性能的影響較大，因此力學(xué)性能的發(fā)展速度的差異也較大，3 d承載力在28 d的60%～90%之間，而7 d達(dá)到28 d的70%～96%。

市場(chǎng)燒結(jié)陶粒單顆承載力均勻性較差，分散性大，而自制免燒輕骨料分散性??；相同外殼層厚度、硬度條件下，免燒輕骨料單顆承載力遠(yuǎn)大于燒結(jié)陶粒，是燒結(jié)陶粒的6.5～7.9倍；4.75～9.5 mm粒徑下，免燒輕骨料筒壓強(qiáng)度是陶粒的1.49～2.05倍，可見免燒輕骨料與燒結(jié)陶粒相比，承載力存在明顯優(yōu)勢(shì)。

3.4養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)免燒輕骨料性能的影響

圖3　成熟度模數(shù)對(duì)單顆承載力的影響Fig.3　Effects of maturity modulus on single load bearing capacity of LA

對(duì)上述Ca15的配合比制樣成球，在空氣中自然養(yǎng)護(hù)24 h后放入蒸養(yǎng)箱中，分別在40 ℃、60 ℃、80 ℃中養(yǎng)護(hù)不同時(shí)間后取出，放于標(biāo)養(yǎng)室中養(yǎng)護(hù)7 d和28 d，以單顆承載力來研究相同的模數(shù)下，對(duì)骨料力學(xué)性能的發(fā)展規(guī)律，如圖3所示。可以看出，成熟度模數(shù)對(duì)早期力學(xué)性能影響較大，隨著成熟度模數(shù)的增加，7 d承載力幾乎成線性增加，而到28 d后，不同成熟度模數(shù)下，承載力相差不大，都在460～500 N之間，80 ℃略高。

3.5耐高溫性能

制備的核殼型免燒輕骨料在爐內(nèi)加熱至預(yù)定試驗(yàn)溫度，并恒溫30 min，然后用特制夾具將骨料取出，溫度調(diào)整約20～30 min后可進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)定質(zhì)量失重率、高溫抗壓強(qiáng)度，觀察從室溫加熱到1000 ℃時(shí)的物理狀態(tài)變化。測(cè)得常溫下平均單顆承載力為496 N，在不同溫度下，混凝土的顏色及表面損傷等狀況見表5和圖4。

可以看出，輕骨料從常溫加熱至200 ℃時(shí)，因內(nèi)部自由水蒸發(fā)，失重較快，但強(qiáng)度會(huì)相應(yīng)提高，表面不發(fā)生變化，內(nèi)部少部分泡沫缺失；在200～400 ℃時(shí)，化學(xué)結(jié)合水脫出，失重緩慢增大，強(qiáng)度不下降，顏色由灰色變至灰褐色，內(nèi)部泡沫變成薄薄一層黏在顆粒內(nèi)殼上；溫度超過400 ℃后，水泥水化的Ca(OH)2成分分解脫水；600 ℃時(shí)，顏色變成土黃色，且此后基本不再發(fā)生改變，強(qiáng)度降到了初始強(qiáng)度的64.9%，此后強(qiáng)度劣化速度顯著加快，失重更大。700～800 ℃，CaCO3的受熱分解，800 ℃后骨料表層開始出現(xiàn)細(xì)小裂縫，當(dāng)溫度升至1000 ℃后，裂縫有較大發(fā)展，強(qiáng)度損失極大，承載力基本喪失。

3.5結(jié)構(gòu)自保溫混凝土性能

使用上述輕集料制備大流動(dòng)性高比強(qiáng)微孔輕集料混凝土，其中水膠比0.30，同時(shí)摻加30%的粉煤灰，輕集料體積用量為43%，泡沫體積摻量15%，所測(cè)得28 d性能如表6所示，制備的C30混凝土，干密度僅1500 kg/m3，表明該輕骨料可用于制備集保溫吸音防火于一體的高比強(qiáng)結(jié)構(gòu)自保溫材料。

表5　免燒輕骨料的耐高溫性能

圖4　高溫下輕骨料的表面特征(a)200 ℃;(b)400 ℃;(c)600 ℃;(d)800 ℃;(e)1000 ℃Fig.4　Surface character of LA after high temperature

Drydensity/kg/m3Compressivestrength/MPaSplittingstrength/MPaBendingstrength/MPaAcousticabsorptivityThermalconductivity/W/m·K154037.92.452.870.280.41

4　結(jié)　論

(1)球形度較好的輕骨料，與粒徑9.5～16 mm相比，粒徑4.75～9.5 mm的堆積密度高20～30 kg/m3，孔隙率約低2%，而筒壓強(qiáng)度高1.3～2 MPa；

(2)選擇合理的石灰摻量和提高水泥含量均能提高免燒輕骨料的比強(qiáng)。粉煤灰摻量為50%，石灰摻量對(duì)力學(xué)性能影響較小，而水泥摻量影響較大。隨著石灰含量的提高，筒壓強(qiáng)度先升高后降低，優(yōu)選的石灰摻量為15%；隨著水泥摻量的降低，堆積密度降低，筒壓強(qiáng)度也大幅度降低，優(yōu)選出水泥摻量為40%。優(yōu)化配方后制備的免燒輕骨料堆積密度在630～690 kg/m3，筒壓強(qiáng)度在4.4～6.1 MPa，比強(qiáng)較高，具有良好的耐高溫性能，400 ℃時(shí)強(qiáng)度不下降，600 ℃時(shí)能保持完整，單顆承載力降低約35%，但吸水率偏高；

(3)免燒輕骨料的硬度與單顆承載力和筒壓強(qiáng)度的相關(guān)性不大，而單顆承載力與筒壓強(qiáng)度具有良好的相關(guān)性；單顆承載力隨著殼層厚度的增大，幾乎成線性增長(zhǎng)。成熟度模數(shù)對(duì)免燒輕骨料的早期力學(xué)性能影響較大，隨著成熟度模數(shù)的增加，7 d承載力幾乎成線性增加，而到28 d后，不同成熟度模數(shù)下，承載力相差不大；

(4)研制出的免燒輕集料，結(jié)構(gòu)類似中空，工藝易于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品性能的調(diào)節(jié)；與燒結(jié)陶粒相比，單顆承載力存在明顯優(yōu)勢(shì)；可用于制備集高比強(qiáng)、保溫隔熱、隔音吸音、防火于一體結(jié)構(gòu)自保溫材料。

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Preparation and Properties of Free-Sintered Lightweight Aggregate with Core-Shell Structure

PANGChao-ming1,LVMeng-yuan2,SUNYou-kang1

(1.School of Material Science and Engineering,Southeast University,Jiangsu Key Laboratory of Civil Engineering Materials,Nanjing 211189,China;2.Heibei Jiuyizhuangchen Technology Co.LTD.,Shijiazhuang 050031,China)

In order to preparation the free-sintered lightweight aggregate(LA), the mechanical properties of artificial lightweight aggregate were characterized by single load bearing capacity, and the effects of properties for LA on the content of lime or cement, the maturity modulus under different curing condition were studied . The test results show that the single bearing capacity have good correlation with the cylinder strength of LA, The lime content have little effect on the mechanical properties of lightweight aggregate with 50% total content of Fly ash and lime, while cement content has a great influence on them. The maturity modulus has a great influence on the mechanical properties at the early age. With the increase of the maturity modulus, the load bearing capacity of 7 d is almost linear increasing, while it has little effect on the mechanical properties of 28 d. The core-shell LA has higher load bearing capacity compared with the sintered LA and good high temperature resistance. When the temperature is up to 400 ℃, the strength is not decreased, when it is up to 600 ℃, the sphere can still remain intact but its bearing capacity decreased by about 35%.The LA can be used for structural self-insulation materials.

core-shell structure;free-sintered lightweight aggregate;cylinder crush strength;single load bearing capacity;high temperature resistance

國(guó)家自然科學(xué)基金(51108077)；高性能土木工程材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(2013CEM002)

龐超明(1977-)，女，高工，博士.主要從事先進(jìn)土木工程材料方面的研究.

TU5

A

1001-1625(2016)07-2121-07