輕質(zhì)高強(qiáng)陶粒加氣混凝土力學(xué)及熱工性能研究

譚春雷 ，鄧宇 ，任吉 ，秦文英 ，蔣偉昌 ，黃凡榮 ，曾鑫

（1.廣西科技大學(xué)，廣西 柳州 545006；2.柳州市建筑節(jié)能與墻體材料改革辦公室，廣西 柳州 545001）

0 引言

隨著我國節(jié)約型社會建設(shè)的進(jìn)一步推進(jìn)，燒結(jié)磚在其生產(chǎn)過程中耗費(fèi)了大量不可再生的土地資源和熱能，產(chǎn)生的廢棄物循環(huán)利用率低，浪費(fèi)大量耕地面積，對社會環(huán)境造成環(huán)境污染，給經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展帶來巨大的壓力。因此，逐漸被新型混凝土砌塊所替代。

多孔混凝土由于具有輕質(zhì)、導(dǎo)熱系數(shù)低、比重小等優(yōu)點(diǎn)，成為現(xiàn)在乃至未來新型建筑材料的主要發(fā)展產(chǎn)品之一[1]。然而，水泥加氣混凝土砌塊在密度較低的情況下，由于其抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度較低，大大限制了其在建筑工程中的使用范圍。目前主要采用2種方法解決這一問題：采用低水膠比，根據(jù)不同用途選擇優(yōu)質(zhì)原材料，摻入足夠數(shù)量的礦物細(xì)粉和高效外加劑等制備出高性能混凝土[2－3]；利用向加氣混凝土中摻入表觀密度較低的輕集料，提高加氣混凝土的性能[4]。

為了制備出表觀密度低于1100 kg/m3，抗壓強(qiáng)度為7.0～9.0 MPa，抗折強(qiáng)度為2.5～4.0 MPa的輕質(zhì)高強(qiáng)保溫混凝土砌塊，本文采用粉煤灰、陶粒為骨料，雙氧水為發(fā)泡劑，納米CaCO3、減水劑、穩(wěn)泡劑為添加劑，制備了輕質(zhì)高強(qiáng)陶粒加氣混凝土。根據(jù)GB/T 11969—2008《蒸壓加氣混凝土性能試驗(yàn)方法》對砌塊樣品進(jìn)行了測試，分析了影響材料物理性能的因素，并通過多元線性回歸具有配合比初篩意義的抗折強(qiáng)度與導(dǎo)熱系數(shù)線性回歸方程。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料及主要儀器設(shè)備

水泥：P·O42.5，柳州市魚峰水泥廠；聚丙烯纖維：長度9～12 mm，直徑18～48μm，抗拉強(qiáng)度≥500 MPa，彈性模量≥3850 MPa，斷裂伸長率為10%～28%，廣達(dá)工程材料有限公司；粉煤灰：Ⅱ級，柳州發(fā)電廠，化學(xué)成分如表1所示；聚羧酸高性能減水劑：QS-8020，廣西新廣建化工科技有限公司；十二烷基二甲基氧化胺，上海金山經(jīng)緯化工有限公司；雙氧水：南寧冠得化工有限公司；納米碳酸鈣：上海昊弗化工有限公司，理化指標(biāo)見表2。

表1 粉煤灰的化學(xué)成分 %

表2 納米CaCO3的主要理化指標(biāo)

DKZ-5000型電動抗折試驗(yàn)機(jī)，無錫市儀器機(jī)械廠；TYE-A型數(shù)顯式電液壓力試驗(yàn)機(jī)，廣州市廣材有限公司；WE-30液壓式萬能材料試驗(yàn)機(jī)，無錫市中科建材儀器；DRX智能型導(dǎo)熱系數(shù)測定儀，湖南省湘潭市湘儀儀器有限公司；CARL ZEISS EVO MA25型掃描電鏡，德國卡爾蔡司公司。

1.2 陶粒制備

以城市拆遷產(chǎn)生的廢棄頁巖磚、水泥磚為原料經(jīng)機(jī)械破碎至粒徑為5～20 mm的顆粒（含水率小于6%），研磨成細(xì)粉至細(xì)度為4900孔方孔孔篩，與粉煤灰、水泥按照一定配比混合，加水成球（含水量20%左右），干燥箱中烘干，過篩（平均粒徑10～15 mm），置于馬弗爐內(nèi)，先從室溫長升溫至190～200℃，保持55～60 min，然后以2～3℃/min的速率分別加熱至最高溫度1100～1200℃，在最高溫度時(shí)保持55～60 min，然后再以2～3℃/min的速率降溫至480～500℃，過夜冷卻至105～110℃，最后冷卻至室溫，完成建筑廢棄物陶粒的燒制，選取堆積密度為700～850 kg/m3陶粒備用[5-6]。

1.3 砌塊制備

將水泥、粉煤灰、減水劑、納米CaCO3加入攪拌機(jī)內(nèi)低速混合5 min后，再加入所需1/2的水量混合均勻，再向其中加入陶粒低速攪拌混合15 min形成混合物；向上述混合物中加入發(fā)泡劑（雙氧水）與穩(wěn)泡劑（十二烷基二甲基氧化胺）快速攪拌均勻，再將減水劑加入剩下1/2水中混合均勻后加入混合物中，攪拌均勻，形成水膠混合物；置于不同型號模具（240 mm×115 mm×53 mm，40 mm×40 mm×160 mm，390 mm×190 mm×190 mm）中振蕩攪拌，制成要求的尺寸，陰涼處常溫常壓放置1 h得到輕質(zhì)高強(qiáng)陶粒加氣混凝土試塊前體；送至蒸壓釜中蒸壓養(yǎng)護(hù)24 h后，獲得測試目標(biāo)試塊。

其中配比設(shè)計(jì)，考慮到陶粒、粉煤灰、雙氧水在不同摻量下對加氣混凝土的基本力學(xué)性能和熱工性能的影響進(jìn)行順序試驗(yàn)。按照水膠比0.35，水泥、納米CaCO3[7]、減水劑、穩(wěn)泡劑摻量分別為40%、1%、0.04%、1.2%，陶粒、粉煤灰、雙氧水摻量均以水泥質(zhì)量為基準(zhǔn)，雙氧水分別取6%、7%、8%、9%和10%；陶粒分別取15%、20%、25%、30%和35%；粉煤灰取28%、32%、36%、40%和44%。

1.4 性能測試

參照GB/T11969—2008選取不同配合比的混凝土試塊進(jìn)行基本力學(xué)性能測試，抗壓和抗折試驗(yàn)的加載速度為2kN/s。選取外觀均勻一致的混凝土試塊測試其含水率、吸水率和抗凍性。平板導(dǎo)熱試塊的熱工性能參照GB/T 10294—2008《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測定防護(hù)熱板法》進(jìn)行測試。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 配料組成對加氣混凝土物理性能的影響

不同陶粒、粉煤灰、雙氧水摻量下加氣混凝土的性能如表3所示。

表3 配料組成對加氣混凝土性能的影響

固定粉煤灰摻量為28%，雙氧水摻量為6%，其它條件不變，陶粒摻量變化對加氣混凝土基本力學(xué)性能、表觀密度及熱工性能的影響如圖1所示。

圖1 陶粒摻量對加氣混凝土試塊性能的影響

由圖1可知，隨著陶粒摻量的增加，加氣混凝土試塊的抗壓、抗折強(qiáng)度、表觀密度及導(dǎo)熱系數(shù)呈線性下降趨勢。當(dāng)陶粒摻量在20%～25%時(shí)，抗壓、抗折強(qiáng)度下降趨勢比較平緩，抗壓強(qiáng)度降低僅為12.6%，抗折強(qiáng)度降低10%，此時(shí)力學(xué)性能較為穩(wěn)定，水泥等膠凝材料對陶粒的束縛能力仍然比較強(qiáng)，在外力作用下，沒有大范圍的形變位移。

當(dāng)陶粒摻量大于30%時(shí)，膠凝材料的物理束縛作用減弱，在外力作用下陶粒在砌塊內(nèi)部排列出現(xiàn)形變位移，使外力傳遞至整個(gè)砌塊的形變最活躍處，砌塊中發(fā)泡形成的微孔發(fā)生塌陷、裂紋而遭受破壞，并隨著荷載的增加，迅速形成較大的貫穿裂紋，導(dǎo)致力學(xué)性能下降。當(dāng)陶粒摻量在大于30%時(shí)，砌塊中發(fā)泡微孔比例減小，抗壓強(qiáng)度主要受力為陶粒，其達(dá)到破壞的力則主要受到陶粒本身的力學(xué)強(qiáng)度影響，同時(shí)膠凝材料的減少使得陶粒的所受的束縛作用減弱，抗折強(qiáng)度繼續(xù)隨之降低。

表觀密度隨著陶粒摻量的增加呈線性下降趨勢，不斷地接近陶粒的堆積密度。導(dǎo)熱系數(shù)隨陶粒摻量增加而減少，主要是因?yàn)樘樟＞哂蟹忾]的氣孔，具有良好的保溫隔熱作用。

固定陶粒摻量為15%，雙氧水摻量為6%，其它條件不變，粉煤灰摻量變化對加氣混凝土基本力學(xué)性能、表觀密度及熱工性能如圖2所示。

圖2 粉煤灰摻量對加氣混凝土試塊性能的影響

由圖2可知，粉煤灰摻量在28%～32%時(shí)，混凝土試塊抗壓強(qiáng)度較為穩(wěn)定，摻量為32%時(shí)降低率僅為0.59%，當(dāng)摻量大于32%時(shí)，抗壓強(qiáng)度降低明顯。摻量在低于32%時(shí)，由于粉煤灰具有多孔結(jié)構(gòu)，比表面積大，可吸附反應(yīng)漿料，提高易和性，有效降低水化熱，使水化反應(yīng)更加均勻，提高抗壓強(qiáng)度。隨粉煤灰摻量增加，提高混凝土的易和性，膠凝材料減少，使得團(tuán)聚作用減弱。同時(shí)加氣混凝土試塊的表觀密度和導(dǎo)熱系數(shù)也隨著粉煤灰摻量增加而下降，其保溫性能顯著提高。主要是由于隨著粉煤灰摻量提高，孔隙率得到提高[8]。

固定陶粒摻量為15%，粉煤灰摻量為28%，雙氧水摻量對加氣混凝土基本力學(xué)性能、表觀密度及熱工性能如圖3所示。

由圖3可見，隨雙氧水摻量的增加，加氣混凝土試塊抗壓、抗折強(qiáng)度、表觀密度和導(dǎo)熱系數(shù)呈線性下降趨勢。當(dāng)雙氧水摻量超過8%，混凝土抗折強(qiáng)度下降了23.68%，降低幅度較大。從砌塊的斷面來看，隨雙氧水摻量的增加，混凝土內(nèi)部較大的閉口串孔孔隙增多，形成類似“沙琪瑪”的空間結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，雙氧水摻量過多時(shí)發(fā)泡速率過快，澆筑成型完成后3 h內(nèi)出現(xiàn)塌模，且內(nèi)部容易形成較大的串孔空隙。當(dāng)砌塊受到外力作用時(shí)，串孔邊界由于所受應(yīng)力集中易形成貫通裂縫，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，呈現(xiàn)脆性破壞。隨著孔隙率增加，表觀密度和導(dǎo)熱系數(shù)下降，保溫性能不斷提高[9]。

圖3 雙氧水摻量對加氣混凝土試塊性能的影響

2.2 多元線性回歸分析

以陶粒加氣混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)及表觀密度作為考核指標(biāo)，由圖1～圖3可知，陶粒、粉煤灰、雙氧水摻量與抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)、表觀密度成線性關(guān)系，由此對表1中數(shù)據(jù)采用origin進(jìn)行多元線性回歸，多元線性回歸模型：

式中：yi為試塊的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)或表觀密度；x1為陶粒摻量；x2為粉煤灰摻量；x3為雙氧水摻量。

擬合結(jié)果如下：

砌塊抗壓強(qiáng)度多元線性回歸方程為：

多元線性回歸方程方差分析結(jié)果如表4所示，

抗折強(qiáng)度線性回歸方程檢驗(yàn)值的顯著程度最好，導(dǎo)熱系數(shù)線性回歸方程檢驗(yàn)值的顯著程度較好，抗壓強(qiáng)度及表觀密度線性回歸方程檢驗(yàn)值的顯著程度一般，所以在陶粒加氣混凝土配合比設(shè)計(jì)中應(yīng)以抗折強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)為初篩的主要參考指標(biāo)。選取陶粒、粉煤灰、雙氧水的最優(yōu)摻量分別為25%、30%、6.0%，將值代入配合比參數(shù)回歸方程（3）、（5）得出抗折強(qiáng)度為3.47 MPa，導(dǎo)熱系數(shù)為0.231 W/（m·K）。實(shí)際按照該配比設(shè)計(jì)3組試驗(yàn)，實(shí)測抗折強(qiáng)度值為2.70 MPa，抗壓強(qiáng)度8.20 MPa，導(dǎo)熱系數(shù)0.239 W/（m·K），表觀密度967 kg/m3。結(jié)果顯示，回歸方程（3）、（5）對抗折強(qiáng)度在 2.5～4.0 MPa的陶粒加氣混凝土配合比設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

表4 多元線性回歸方程方差分析

3 結(jié)論

（1）陶粒摻量在20%～25%時(shí)，抗壓強(qiáng)度降低約為12.6%，抗折強(qiáng)度約降低10%，此時(shí)力學(xué)性能較為穩(wěn)定，陶粒摻量大于30%時(shí)力學(xué)性能下降；粉煤灰摻量在28%～32%時(shí)，混凝土試塊抗壓強(qiáng)度較為穩(wěn)定，降低率僅為0.59%，當(dāng)摻量大于32%時(shí)，抗壓強(qiáng)度降低明顯；雙氧水摻量超過8%，混凝土抗折強(qiáng)度下降了23.68%，力學(xué)性能穩(wěn)定性較差。

（2）在一定范圍內(nèi)，陶粒、粉煤灰、雙氧水摻量增加，均能有效降低混凝土的表觀密度，提高混凝土的保溫性能。

（3）輕質(zhì)高強(qiáng)陶粒加氣混凝土多元線性回歸方程方差分析結(jié)果顯示，抗折強(qiáng)度線性回歸方程檢驗(yàn)值的顯著程度最好，導(dǎo)熱系數(shù)線性回歸方程檢驗(yàn)值的顯著程度較好，所以在陶粒加氣混凝土配合比設(shè)計(jì)中應(yīng)以抗折強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)為初篩的主要參考指標(biāo)。

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