不同配合比輕質(zhì)混凝土砌塊的性能研究

鄧宇，任吉，譚春雷，曾鑫，楊希濤，張鵬，黃凡榮，左榮盛

（廣西科技大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，廣西 柳州 545006）

近年來，國內(nèi)外在新型墻體材料的研發(fā)及應(yīng)用方面均已取得了較大的進(jìn)展[1-8]。本文通過改變水膠比、雙氧水以及粉煤灰摻量，研究不同配合比對(duì)輕質(zhì)混凝土砌塊性能的影響，得出輕質(zhì)混凝土的表觀密度、導(dǎo)熱系數(shù)及強(qiáng)度在不同配合比條件下的變化規(guī)律。可以為輕質(zhì)非燒結(jié)混凝土磚的規(guī)?；a(chǎn)提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持[9]。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：P·O42.5，廣西柳州市魚峰水泥廠，比表面積≥300 m2/kg，和易性良好；粉煤灰：主要化學(xué)成分為 SiO2、Al2O3、Fe2O3等，柳州市發(fā)電廠；頁巖陶粒：密度等級(jí)為800 kg/m3，湖北黃岡；聚羧酸高性能減水劑：減水率15%～25%，廣西新廣建化工科技有限公司；聚丙烯纖維：抗拉強(qiáng)度≥500 MPa，彈性模量≥3850 MPa，斷裂伸長率10%～28%，廣達(dá)工程材料有限公司；硬脂酸鈣：天津凱迪化學(xué)試劑；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生產(chǎn)。

1.2 基本配比

按照水泥、頁巖陶粒、膨脹珍珠巖、納米碳酸鈣、聚丙烯纖維摻量、減水劑摻量分別為40%、25%、3%、0.8%、0.05%、0.04%進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，水膠比取 0.30、0.35、0.40、0.45；雙氧水摻量（按占水泥質(zhì)量計(jì)）取2%、4%、6%、8%；粉煤灰替代水泥摻量取30%、35%、40%。

1.3 試件制作

按配合比，先將普通硅酸鹽水泥、粉煤灰、外加劑依次倒入砂漿攪拌機(jī)中攪拌1 min，然后倒入所需水量的一半攪拌5 min，接著將頁巖陶粒和膨脹珍珠巖倒入砂漿攪拌機(jī)并將剩余的水倒入攪拌10 min，最后將雙氧水倒入混合料中攪拌5 min。待混合料完全攪拌均勻后，將其分別倒入規(guī)格為150 mm×150 mm×150 mm 和 40 mm×40 mm×160 mm 的模具中壓制成型，24 h后拆模，經(jīng)自然養(yǎng)護(hù)28 d后制作成輕質(zhì)混凝土砌塊[10]。

1.4 試驗(yàn)儀器及測(cè)試方法

101-4型數(shù)顯式鼓風(fēng)干燥箱，上海路達(dá)實(shí)驗(yàn)儀器有限公司生產(chǎn)；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生產(chǎn)；WE-30型液壓式萬能材料試驗(yàn)機(jī)，無錫市中科建材儀器生產(chǎn)；DRX智能型導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀，湖南省湘潭市湘儀儀器有限公司生產(chǎn)；Carl Zeiss SMT EVO MA 25型多功能掃描電子顯微鏡，德國CarlZeiss公司生產(chǎn)。

輕質(zhì)混凝土砌塊的表觀密度依據(jù)GB/T 4111—2013《混凝土砌塊和磚試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試；導(dǎo)熱系數(shù)依據(jù)GB/T 10294—2008《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》進(jìn)行測(cè)試；抗壓強(qiáng)度按照GB/T 11969—2008《蒸壓加氣混凝土性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 水膠比及雙氧水摻量對(duì)輕質(zhì)混凝土砌塊表觀密度和導(dǎo)熱系數(shù)的影響

粉煤灰摻量為35%時(shí)，水膠比及雙氧水摻量對(duì)輕質(zhì)混凝土砌塊表觀密度和導(dǎo)熱系數(shù)的影響見表1、表2。

表1 不同配合比下混凝土砌塊的表觀密度

表2 不同配合比下混凝土砌塊的導(dǎo)熱系數(shù)

由表1可見，在相同水膠比時(shí)，隨著雙氧水摻量的增加，輕質(zhì)混凝土砌塊的表觀密度逐漸降低，且在雙氧水摻量為8%時(shí)有較低的表觀密度，具有較好的保溫隔熱性能。這是因?yàn)樵跀嚢钑r(shí)雙氧水在混合漿體中揮發(fā)產(chǎn)生了H2和O2，從而產(chǎn)生許多孔隙，并會(huì)因穩(wěn)泡劑的加入而維持其原有的孔隙形狀，固化后在混凝土砌塊內(nèi)部形成了許多微小的孔洞。隨著雙氧水摻量的增加，氣體揮發(fā)量也相應(yīng)提高，故而使得混凝土砌塊的表觀密度下降。

在雙氧水摻量一定時(shí)，混凝土砌塊的表觀密度隨著水膠比的增大而逐漸減小。當(dāng)水膠比在0.35附近時(shí)表觀密度有較為穩(wěn)定的趨勢(shì)。這是因?yàn)樵诓皇茈p氧水摻量變化影響的情況下，水膠比越小，混合料越粘稠，此時(shí)漿體的粘稠阻擋了雙氧水發(fā)泡孔隙的增大，直接影響其形成氣泡的能力，故而不能使得混凝土砌塊的表觀密度明顯減小。

由表2可見，在其它摻量保持不變的情況下，雙氧水摻量的增加可以降低混凝土砌塊的導(dǎo)熱系數(shù)。而水膠比與混凝土砌塊的導(dǎo)熱系數(shù)之間則沒有明顯的規(guī)律關(guān)系。制備的輕質(zhì)混凝土砌塊導(dǎo)熱系數(shù)大小適中，說明輕質(zhì)混凝土砌塊保溫隔熱性能良好，可以降低建筑能耗，適用于建筑物室外隔墻。

2.2 水膠比及粉煤灰摻量對(duì)輕質(zhì)混凝土砌塊強(qiáng)度的影響

雙氧水摻量為8%時(shí)，水膠比及粉煤灰摻量對(duì)輕質(zhì)混凝土砌塊強(qiáng)度的影響見表3。

表3 不同配合比下混凝土砌塊的抗壓強(qiáng)度

由表3可見，粉煤灰摻量相同A、B、C組混凝土砌塊在養(yǎng)護(hù)0～7 d期間強(qiáng)度上升速率較快，而水膠比大的混凝土砌塊的強(qiáng)度增長速率反而減慢。此外，混凝土砌塊養(yǎng)護(hù)7 d后強(qiáng)度增長趨勢(shì)放緩，但此時(shí)水膠比大的混凝土砌塊強(qiáng)度增長趨勢(shì)較快。因此，在混凝土砌塊的養(yǎng)護(hù)前期水膠比的大小對(duì)強(qiáng)度有明顯影響，水膠比與混凝土砌塊的抗壓強(qiáng)度增長呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，在混凝土砌塊的養(yǎng)護(hù)后期水膠比與強(qiáng)度增長呈現(xiàn)正相關(guān)。其原因在于水膠比小的混凝土砌塊在水泥水化前期水化比較充分，故而強(qiáng)度提高快，而在養(yǎng)護(hù)后期強(qiáng)度提高幅度較小，可見水膠比大小適中可使輕質(zhì)混凝土砌塊有穩(wěn)定的強(qiáng)度。

粉煤灰摻量分別為30%、35%、40%的D、B、E組輕質(zhì)混凝土砌塊，在其它條件不變的情況下，粉煤灰摻量的大小對(duì)混凝土砌塊的不同強(qiáng)度發(fā)展階段有著不同的影響。其中D、B組混凝土砌塊在養(yǎng)護(hù)0～7d期間強(qiáng)度上升速率較快，其原因是粉煤灰取代水泥的量較少，因?yàn)樗跗谝运嗟乃磻?yīng)為主，故而混凝土砌塊初期強(qiáng)度主要受水泥摻量的影響。在混凝土砌塊養(yǎng)護(hù)7d后，E組混凝土砌塊的強(qiáng)度上升速率較快，D、B組混凝土砌塊水泥水化反應(yīng)變慢，強(qiáng)度增長趨勢(shì)放緩，此時(shí)，E組混凝土砌塊強(qiáng)度比D、B組混凝土砌塊強(qiáng)度低。由于在混凝土砌塊養(yǎng)護(hù)后期，E組混凝土砌塊水泥水化產(chǎn)物可與其中的粉煤灰發(fā)生火山灰效應(yīng)，形成高強(qiáng)度的鈣礬石，這使得D、B、E組混凝土砌塊后期強(qiáng)度相差不大。

2.3 不同水膠比混凝土砌塊水化產(chǎn)物的SEM分析

粉煤灰摻量為35%、雙氧水摻量為8%時(shí)，水膠比分別為0.45與0.35的混凝土砌塊養(yǎng)護(hù)28 d后孔壁及斷面形態(tài)2000倍的SEM照片分別圖1和圖2。

圖1 水膠比為0.45的輕質(zhì)混凝土砌塊的SEM照片

圖2 水膠比為0.35的輕質(zhì)混凝土砌塊的SEM照片

由圖1可以看出，水膠比為0.45的輕質(zhì)混凝土砌塊水化產(chǎn)物整體生長良好，水化產(chǎn)物細(xì)小且較為疏松。水化產(chǎn)物間有少量由發(fā)泡劑產(chǎn)生的微孔洞，有微量成型的托勃莫來石，伴隨粉煤灰反應(yīng)的進(jìn)行，小粒網(wǎng)狀水化產(chǎn)物出現(xiàn)。

由圖2可以看出，在水膠比為0.35的輕質(zhì)混凝土砌塊水化產(chǎn)物中，有微量托勃莫來石、交錯(cuò)的C-S-H凝膠以及少量的纖維素，彼此間有由發(fā)泡劑產(chǎn)生的微孔洞，水化產(chǎn)物結(jié)晶度好，右下角的C-S-H凝膠成網(wǎng)狀，水化產(chǎn)物整體結(jié)構(gòu)緊密，水化程度好。由于制作混凝土砌塊時(shí)，在混合料中添加了一定比例的粉煤灰，能平均分散在水泥微粒間，可降低混合料的需水量，且粉煤灰具有微集料作用，可分散水泥微粒，加快水泥水化，最終減小了孔隙率，提高了混凝土砌塊的整體強(qiáng)度。因此，水膠比為0.35的混凝土砌塊水化產(chǎn)物較水膠比為0.45的更加致密。

2.4 不同粉煤灰摻量混凝土砌塊水化產(chǎn)物的SEM分析

水膠比為0.35、雙氧水摻量為8%時(shí)，粉煤灰摻量分別為35%及25%的混凝土砌塊養(yǎng)護(hù)28 d后的孔壁及斷面形態(tài)10 000倍SEM照片分別見圖3、圖4。

圖3 粉煤灰摻量為35%的輕質(zhì)混凝土砌塊的SEM照片

圖4 粉煤灰摻量為25%的輕質(zhì)混凝土砌塊的SEM照片

由圖3可見，粉煤灰摻量為35%的輕質(zhì)混凝土砌塊水化產(chǎn)物孔隙較少，有成型的AFt相、C-S-H凝膠、微量托勃莫來石，水化產(chǎn)物間結(jié)構(gòu)緊密，水化程度好。

由圖4可見，粉煤灰摻量為25%的輕質(zhì)混凝土砌塊水化產(chǎn)物中有少量孔隙、微量呈柳絮狀的托勃莫來石、C-S-H凝膠及少量的纖維素，未見明顯成小堆的石榴子石，水化產(chǎn)物呈現(xiàn)聚集狀態(tài)、結(jié)晶度好但有一定程度的疏松。

總體而言，粉煤灰摻量為35%的混凝土砌塊水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)形成整體，較粉煤灰摻量為25%的混凝土砌塊水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)致密。造成這種現(xiàn)象的根本原因是：一方面，由于粉煤灰礦物主要形態(tài)是球狀玻璃體，球狀玻璃體填充能力強(qiáng)，能提高混凝土砌塊的密實(shí)度；另一方面，處于恒溫時(shí)，雖然粉煤灰水化反應(yīng)速率不及水泥水化反應(yīng)速率，且不能保證粉煤灰摻量多的混凝土砌塊的早期強(qiáng)度，但在粉煤灰水化后期，粉煤灰摻量提高到一定范圍時(shí)，其中的活性成分如Al2O3、SiO2分別同水泥水化產(chǎn)生的Ca（OH）2發(fā)生反應(yīng)，生成較多的硅酸鈣凝膠，密實(shí)了水化產(chǎn)物孔隙，提高了混凝土砌塊的后期強(qiáng)度。

3 結(jié)論

（1）輕質(zhì)混凝土砌塊的表觀密度均隨著水膠比和雙氧水摻量的增加而呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，雙氧水摻量為8%時(shí)有較低的表觀密度；在雙氧水摻量一定時(shí)，水膠比在0.35附近時(shí)，混凝土砌塊的表觀密度較為穩(wěn)定。

（2）輕質(zhì)混凝土砌塊的導(dǎo)熱系數(shù)與雙氧水摻量之間存在一定的規(guī)律關(guān)系，提高雙氧水摻量可以降低混凝土砌塊的導(dǎo)熱系數(shù)，而水膠比的變化對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響不明顯。

（3）輕質(zhì)混凝土砌塊的抗壓強(qiáng)度增長在混凝土養(yǎng)護(hù)前期與水膠比呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，在養(yǎng)護(hù)后期呈正相關(guān)；而粉煤灰摻量對(duì)混凝土砌塊的不同強(qiáng)度發(fā)展階段有著不同的影響。

（4）水膠比、雙氧水以及粉煤灰摻量的變化對(duì)輕質(zhì)混凝土砌塊的熱力學(xué)和力學(xué)性能均有著較大的影響。合理控制水膠比、雙氧水以及粉煤灰摻量在一定范圍內(nèi)可協(xié)調(diào)混凝土砌塊的保溫性能與力學(xué)強(qiáng)度之間的關(guān)系。因此，在混凝土配合比的設(shè)計(jì)以及生產(chǎn)混凝土的現(xiàn)場(chǎng)，應(yīng)該充分考慮這些因素的影響，選用合適的配合比，充分發(fā)揮其對(duì)混凝土砌塊熱力學(xué)和力學(xué)性能的促進(jìn)作用。