活性石英粉末改性的輕混凝土制備與性能表征

徐華超+樊傳剛+馬遠+李家茂+雷團結(jié)+陳賀

摘要：文中采用磨細石英粉末為活性粉末，污泥燒脹陶粒為粗輕集料，和采用膨脹珍珠巖同時兼作細集料和發(fā)泡劑載體，制備出了系列輕混凝土試樣，并對其力學性能和熱學性能等進行了系統(tǒng)表征。研究發(fā)現(xiàn)：1）輕混凝土試樣的（絕干）體積密度、28d抗折和劈裂抗拉強度隨著磨細石英粉末量增加而增大，當石英粉末量從0%增加到16%時，試樣的抗壓強度從17.3 MPa增加到20.4 MPa，劈裂抗拉強度從1.7 MPa增加到2.1 MPa（提高了24%）；2）石英粉末的加入對輕混凝土試樣的干縮率和導熱系數(shù)影響幅度較小，當石英粉量從0%到4%變化時，輕混凝土試樣的干縮率有輕微變化，當石英粉末從4%增加至16%時，試樣的干縮率隨之減?。◤?.3×10-4減小到3.8×10-4）；當石英粉末量從0%增加到16%時，試樣的導熱系數(shù)從0.24 W·m-1·K-1增大到0.27 W·m-1·K-1。

關(guān)鍵詞：磨細石英粉末；輕混凝土；原位化學發(fā)泡；力學性能

1引言

住宅產(chǎn)業(yè)化是建筑現(xiàn)代化的必要途徑，而采用裝配式輕質(zhì)墻材是獲得隔音、隔熱和抗震裝配式建筑的必要手段，同時裝配式墻材單位容重的減輕，也會使住宅產(chǎn)業(yè)化的重要環(huán)節(jié)，PC件的搬運和吊裝成本大幅度降低[1]。發(fā)泡和采用輕集料是使水泥基混凝土輕化的兩種主要手段[2-3]，但輕化同時會導致混凝土材料的結(jié)構(gòu)強度降低。筆者所在實驗室曾開發(fā)出原位發(fā)泡的輕混凝土制備方法，通過氣泡發(fā)生過程可控的手段獲得了力學性能增強的輕集料混凝土[4]。通用水泥制品役期碳化問題是導致其長期力學性能下降的主要原因[5]，在膠凝體系中引入硅灰等活性粉末，可使膠結(jié)部分的結(jié)構(gòu)強度得到增強，從而會提高輕混凝土的整體力學性能和耐久性[6]，但是作為鐵合金冶煉副產(chǎn)的硅灰，其產(chǎn)生量無法滿足高性能混凝土的大量需求，因此尋求硅灰替代物的工作顯得極為關(guān)鍵。在石英礦開采、加工和玻璃原料加工過程中會產(chǎn)生大量的石英粉塵，這些粉塵是導致"矽肺病"的主要原因[7]。石英粉塵主要為SiO2微粒，具有較高活性，若能作為活性粉末加以資源化利用，將會具有重要環(huán)保意義。因此本文模擬以回收石英粉塵（磨細石英粉）作為活性粉末，將其摻入到原位發(fā)泡輕集料混凝土中，制備出了系列輕混凝土試樣，并系統(tǒng)研究了石英粉末量對輕混凝土試樣的力學、熱學等性能的影響規(guī)律。

2. 實驗部分

2.1實驗原料

（1）水泥：海螺牌PO 42.5級普通硅酸鹽水泥，安徽馬鞍山海螺水泥有限責任公司生產(chǎn)。

（2）粉煤灰：I級粉煤灰，馬鞍山第二電廠提供，各項技術(shù)指標均滿足GB/T1596-2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》的要求。

（3）輕集料：污泥燒脹陶粒（以下簡稱"陶粒"），舒城縣盛宏陶粒廠產(chǎn)，其中干污泥占陶粒配料組成的40%，陶粒的基本性能指標見表1。

（4）膨脹珍珠巖：產(chǎn)地信陽，最大粒徑為2 mm，最小粒徑0.1 mm，堆積容重100 kg/m3。

（5）活性粉末：磨細石英粉（平均粒度為2～15 μm），SiO2≥98%。

（6）其他試劑：化學發(fā)泡劑，濃度30%的H2O2溶液，國藥集團化學試劑有限公司生產(chǎn)；增稠劑，羧丙基甲基纖維素（HPMC），分析純，粘度為150000 mpa s，安徽磬琮建材有限公司提供；催化劑，一種過渡金屬化合物，分析純；明膠，分析純，國藥集團化學試劑有限公司產(chǎn)；減水劑，聚羧酸類減水劑（無色，液態(tài)），安徽馬鞍山中海新材料公司產(chǎn)（推薦量為0.8 %～1.2 %，減水率為25 %～30 %）；增強纖維，聚丙烯纖維（PP纖維），長度為9 mm，直徑為5 μm。

2.2 實驗儀器及設(shè)備

采用陶瓷研磨球和陶瓷研磨罐的球磨機研磨石英粉末，研磨體的直徑3cm；混凝土的攪拌設(shè)備為一臺可變速砂漿攪拌機，拌合好新鮮LAC試樣在10 cm 10 cm 10 cm和10 cm×10 cm×51.5 cm的混凝土標準試模中澆注成型，并采用標準塌落度筒測試其塌落度。采用萬能試驗機（WE-1000A型液壓式萬能試驗機，濟南試金集團有限公司產(chǎn)）測試28d齡期的LAC試樣抗壓和劈裂強度，采用YBF-3型導熱系數(shù)測定儀（杭州大華儀器制造有限公司產(chǎn)）測量其導熱系數(shù)。

2.3 實驗過程

2.3.1 配合比設(shè)計

實驗中采用的基準輕混凝土配合比確定為：水灰比為0.36（質(zhì)量比）；采用等量取代法加入I級粉煤灰等量取代水泥，取代率為20%；PP纖維的體積量為1 kg/m？；陶粒（堆積體積，單位：L）與膠凝材料（質(zhì)量，單位：kg）的比例為5：3；發(fā)泡劑雙氧水（濃度30 %）用量為膠凝材料質(zhì)量的2.8 %；穩(wěn)泡劑（明膠）用量為加入水質(zhì)量的1.5 %；增稠劑（HPMC）用量為膠凝材料量的0.125 %；催化劑質(zhì)量占過氧化氫溶液質(zhì)量的1.5 %；減水劑選用聚羧酸高效減水劑（占膠凝材料的1.33 %）；在保持上述配比不變的情況下，用石英粉末等量取代粉煤灰，取代量分別占凝膠材料質(zhì)量的0、4 %、8 %、12 %和16 %（分別記作石英粉0、4 %、8 %、12 %、16 %），制備了5組輕混凝土試樣。

2.3.2 試樣制備與性能表征

按設(shè)計配合比稱取一定量的水泥、粉煤灰、石英粉、PP纖維、發(fā)泡劑、穩(wěn)泡劑溶液、催化劑溶液、增稠劑、水、陶粒和膨脹珍珠巖。將發(fā)泡劑均勻攪入膨脹珍珠巖中，使其成為發(fā)泡劑載體。將水泥、粉煤灰、石英粉、PP纖維和增稠劑喂入攪拌機中，先干拌30 s，再依次加入水、減水劑、穩(wěn)泡劑和催化劑溶液，并依次慢攪30 s和快攪90 s，攪拌均勻后向其中加入污泥燒脹陶粒（陶粒表面預先潤濕），并慢攪120 s，然后向其中連續(xù)加入載有發(fā)泡劑的膨脹珍珠巖，并繼續(xù)慢攪60 s，使發(fā)泡劑從集料堆積間隙中的載體內(nèi)釋放出來進行原位發(fā)泡。待發(fā)泡過程結(jié)束后，將發(fā)泡陶?；炷翝踩?0 cm×10 cm×10 cm和10 cm×10 cm×51.5 cm的混凝土標準試模中，并進行振動以脫出攪拌過程引入的大氣泡，靜養(yǎng)1 d后脫模，脫模試樣在（20±2）℃水中養(yǎng)護至28 d齡期，從水中取出擦干，然后進行各項性能測試。

2.3.3 性能檢測

養(yǎng)護28 d的LAC試樣抗壓、劈裂強度按GB/T50081-2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行分析，（絕干）體積密度和吸水率按GB/T11970-1997《加氣混凝土體積密度、含水率和吸水率的試驗方法》進行分析。其中抗壓、劈裂強度和體積密度的測試試樣尺寸為10 cm 10 cm 10 cm，干縮率測試試樣為10 cm×10 cm×51.5 cm的四方柱。采用穩(wěn)態(tài)法測定導熱系數(shù)，試樣尺寸為 13.5 cm 4 cm。

3.實驗結(jié)果與討論

3.1石英粉末的顆粒形貌

圖1所示為磨細石英粉末的顯微形貌照片。將工業(yè)級石英粉繼續(xù)研磨40h，所獲得的磨細石英粉末全部過200目標準篩。從圖中可以看出，石英粉末顆粒分布明顯出現(xiàn)了雙峰分布，即以2 m左右和15 m左右的顆粒為主。這樣的顆粒分布將有助于和水泥顆粒（3～30 m）[8]共同組成密堆填隙結(jié)構(gòu)，有利于強化水泥石的膠結(jié)結(jié)構(gòu)。

3.2體積密度

圖2所示為石英粉量變化對輕混凝土試樣28 d（絕干）體積密度的影響。從圖2可以看出，隨著石英粉量的增加，輕混凝土的絕干密度逐漸增大。細磨石英粉的粒徑為2～15 m，且以2 m顆粒為主，小于水泥粒徑（3 m～30 m），符合最大密度堆積原理，提高了致密度。同時石英粉的加入，由于其為球磨的產(chǎn)物，形狀無規(guī)則，因此加入水泥漿體后，降低了流動性，使其發(fā)泡過程的阻力增大，雙氧水發(fā)泡所生成氣泡的直徑縮小[4]，也會導致輕混凝土試樣的絕干密度隨之增大。

3.3力學性能

（1）28 d 抗壓強度

圖3 所示為石英粉末量變化對輕混凝土試樣抗壓強度的影響。從圖中看出：輕混凝土的抗壓強度隨著石英粉末量的增加而增大，未摻入石英粉末時，輕混凝土試樣的抗壓強度為17.3 MPa；當石英粉量為16 %時，其抗壓強度達到了20.4 MPa，抗壓強度持續(xù)提高。這主要歸因于磨細石英粉末的活性粉末填充作用和所起的火山灰反應作用，提高了氣泡壁的密實度，使其強度得到合理提高。

（2）28 d劈裂抗拉強度

圖4中所示為石英粉末量變化對輕混凝土試樣劈裂強度的影響。從圖5看出輕混凝土的劈裂抗拉強度隨石英粉量的增加而增大。未摻入石英粉時，其劈裂抗拉強度為1.7 MPa；當石英粉量為16 %時，其劈裂抗拉強度達到2.1 MPa，其劈裂強度提高了24 %。石英粉末的加入提高輕混凝土中氣泡壁的密實性，對輕混凝土的劈裂強度提高有一定的貢獻。

3.4其他物理性能

（1）28d干縮率

圖5所示為石英粉末量變化對輕混凝土試樣28 d干縮率的影響。隨著石英粉的加入，輕混凝土的干縮率呈下降趨勢：未摻入石英粉時，試樣干縮率為4.2×10-4；石英粉摻入量為16 %時，試樣的干縮率減小到3.8×10-4（均低于行業(yè)中的規(guī)定值6.5×10-4[9]）。上述變化也和石英粉末加入提高了輕混凝土的實體部分的密實性相關(guān)，即通過減少混凝土中的微孔、微管系統(tǒng)，使得輕混凝土試樣的干縮率降低。

（2）導熱系數(shù)

圖6所示為石英粉末量變化對輕混凝土試樣導熱系數(shù)的影響，從圖中可看出，輕混凝土的導熱系數(shù)隨著石英粉末量的增加而輕微增大，未摻入石英粉末時，輕混凝土試樣的導熱系數(shù)為0.24 W·m-1·K-1；當石英粉量為16 %時，其導熱系數(shù)達到了0.27 W·m-1·K-1，導熱系數(shù)提高了13 %。這主要是因為石英粉量末的增加，提高了輕混凝土中實體部分的密實度，導熱性提高。但是在輕混凝土試樣中，隔熱作用主要由輕集料、多孔膠結(jié)部位的膨脹珍珠巖、PP纖維以及所發(fā)氣泡等承擔，所以當石英粉末量從0增加到16 %時，其導熱系數(shù)僅隨之增加了13 %，仍具有顯著隔熱功能。

4.結(jié)論

通過采用磨細石英粉末作為發(fā)泡輕集料混凝土改性用的活性粉末，制備出了系列輕混凝土試樣，在對其力學性能和熱學性能等進行系統(tǒng)表征后，得到如下的結(jié)論。

（1）輕混凝土試樣的絕干密度隨著磨細石英粉末量增加而增大，當石英粉量從0增加到16 %時，其絕干密度也從1068 kg/m3增加到1208 kg/m3。

（2）輕混凝土試樣的28d抗壓強度和劈裂抗拉強度隨著磨細石英粉末量的增加而增大，當石英粉末量從0%增加到16%時，試樣的抗壓強度從17.3 MPa增加到20.4 MPa，劈裂抗拉強度從1.7 MPa增加到2.1 MPa

（3）當石英粉量從0%到4%變化時，輕混凝土試樣的干縮率變化幅度較小，當石英粉末從4%增加至16%時，試樣的干縮率隨之減?。◤?.3×10-4減小到3.8×10-4），均低于行業(yè)中的規(guī)定值（6.5×10-4）。

（4）輕混凝土的導熱系數(shù)隨磨細石英粉的增加而輕微增大，當石英粉末量從0%增加到16%時，試樣的導熱系數(shù)從0.24 W·m-1·K-1增大到0.27 W·m-1·K-1（僅增加13%）。

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作者簡介：

徐華超（1992.9-），男，漢族，安徽當涂人，碩士研究生在讀，主要從事固廢資源綜合利用研究。

基金項目：安徽省重點科技攻關(guān)項目，項目編號：1301042105