超聲波處理免燒陶粒及其保溫性能研究

吳宇豪，盤榮俊，周治洲，魏鑫

（廣西科技大學土木建筑工程學院，廣西柳州 545000）

0 引言

隨著綠色節(jié)能建筑的發(fā)展，新型綠色建筑墻體保溫材料將沿著低導熱系數(shù)、多孔、輕質的方向發(fā)展[1]。有機保溫材料有聚氨酯泡沫、膨脹聚苯乙烯泡沫、酚醛泡沫，無機保溫材料有巖棉、多孔混凝土、泡沫玻璃、陶粒等[2]，它們共同的特點為內部具有豐富的閉口孔。常用的陶粒混凝土導熱系數(shù)為0.20～0.32 W/（m·K）[3]，仍具有很大的提升空間。陶粒從制備方式上可分為燒結陶粒和免燒陶粒，現(xiàn)階段研究的陶粒大多為免燒陶粒，其成分主要由粉煤灰作為主體材料，水泥作為粘結劑以及其他添加劑組成[4]。

保溫材料內部具有豐富且分散均勻的封閉小孔，是材料能夠達到保溫隔熱效果的外在因素[5-6]，有研究者在陶粒制備完畢后，通過低溫加熱發(fā)泡的處理方法提升陶粒的孔隙率[7]。有學者發(fā)現(xiàn)[8]，50 kHz超聲波對煙煤毛細孔的形成有著顯著作用。本試驗以粉煤灰為主要原料生產免燒陶粒，對制備的陶粒進行超聲處理，研究其處理后的保溫隔熱效果。

1 實 驗

1.1 實驗材料

水泥：P·O42.5，廣西魚峰水泥股份有限公司；粉煤灰：Ⅰ級，主要成分為SiO2和Al2O3，二者總含量達84.3%（見表1），主要晶體形態(tài)為莫來石和石英（見圖1），來賓市發(fā)電廠；石膏：熟石膏粉，廣西環(huán)球石膏制品廠；石灰：純生石灰，柳江向陽礦石加工廠。

將混合料按m（粉煤灰）∶m（水泥）∶m（熟石膏粉）∶m（生石灰）=75.8∶15.1∶6.1∶3.0配比混合后通過Beckman Coulter激光粒度儀LS13320測得其粒度如圖1所示，可知混合料的d10=1.85 μm，d50=12.68 μm，d90=65.59 μm。

表1 粉煤灰的主要化學成分 %

圖1 粉煤灰的X光衍射圖譜

圖2 混合料的粒徑分布及其含量的累積百分比

1.2 實驗設計與過程

按m（粉煤灰）∶m（水泥）∶m（熟石膏粉）∶m（生石灰）=75.8∶15.1∶6.1∶3.0配比攪拌后置入造粒機中，對其噴入適量的水，造粒結束后進行自然養(yǎng)護，再進行不同功率及不同時間的超聲波處理。本實驗采用科普達HL-2600超聲波清洗儀，將陶粒養(yǎng)護若干時間后，放入含有水溶液的超聲波清洗儀器中?？刂?個因素，對陶粒處理前的養(yǎng)護時間分別為2、4、6 d，超聲波功率分別為648、1296、1944 W，超聲波處理時間分別為0、10、20、30、40、50 min（其中0 min為非超聲波處理的對照組），處理完畢后自然養(yǎng)護至28 d，然后測其相關性能。

1.3 測試方法

本實驗主要控制指標為孔隙率，使用阿基米德排水法計算其開口孔隙率，將制備的干燥陶粒（質量為m1）放入沸水中浸泡1 h，使其吸水飽和（質量為m2），開口孔隙率ρ0計算公式為：

式中：V——試驗陶粒的總體積，cm3。

然后將其放入烘箱中以（105±5）℃烘干8 h以上，將其磨碎至粉末狀（質量為m3），將固定容量的比重瓶裝滿水（本實驗使用200 ml比重瓶），其質量為m4，將磨碎的粉末倒入比重瓶中加滿水，并稱其質量m5，按式（2）計算其閉口孔隙率ρc[10]：

堆積密度和筒壓強度的測試方法參考GB/T17431.1—2010《輕集料及其試驗方法第1部分：輕集料》、GB/T 17431.2—2010《輕集料及其試驗方法第2部分：輕集料試驗方法》，通過瑞典Hot Disk TPS-1500熱常數(shù)分析儀測試陶粒的導熱系數(shù)，陶粒表面的孔隙以及其部分水化產物通過日本日立公司（Hitachi）型號為S-3400N的場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察。

2 結果與討論

2.1 陶粒的開口孔隙率和閉口孔隙率（見圖3）

圖3 不同實驗條件下陶粒的開口孔隙率和閉口孔隙率

由圖3可見，本實驗結果通過0、10、20、30、40 min作為處理時間的變量，在3種功率下（648 W、1296 W、1944 W），陶粒中所含水分的氣孔通過在超聲波的震動下從而產生空化作用[10]，開口孔隙率和閉口孔隙率都有所提升，且在3種超聲功率下處理時間為30 min時其閉口孔隙率均較高。

相比于28 d自然養(yǎng)護的對照組，在功率較低的648 W，超聲處理前養(yǎng)護6 d且至少處理30 min，開口孔隙率能夠達到50.53%，相同情況下處理40 min，開口孔隙率變化不顯著，為50.98%，而在相同情況使用1944W較高功率處理下，開口孔隙率稍有提升，最高達到52.06%。從功率變化的角度分析，養(yǎng)護6 d后再進行超聲波處理得到的開口孔隙率較大。在相同的處理時間內，高功率的超聲波處理能夠給予陶粒更多的振動，且在較高頻率下的超聲處理使得孔隙體積增長率比低頻處理的大，在超聲處理期間，微孔不斷傳播至更大孔，隨著超聲處理時間延長，部分內部存在裂紋的陶粒會破裂[8]。

相對于開口孔的提升而言，超聲處理后的閉口孔隙率提高效果顯著，其提升率高達169.4%。陶粒養(yǎng)護6 d后在1944 W的功率下處理30 min閉口孔隙率最高可達12.77%，在處理時間只有10 min時，較低功率的超聲波能夠使養(yǎng)護2 d后處理的陶粒相比養(yǎng)護時間更長再處理的陶粒得到更高的閉口孔隙率。在超聲波處理時間超過30 min時，從閉口孔隙率可得出，閉口孔遭到一定的破壞。究其原因是陶粒中所含的水泡產生的空化作用，隨著超聲時間的延長，氣泡在陶粒中產生、膨脹、收縮、潰滅的過程不斷重復，使得陶粒中的閉口孔連通即閉口孔遭到了破壞，進而增加了開口孔隙率[11]。

2.2 陶粒的導熱系數(shù)（見圖4）

圖4 不同實驗條件下陶粒的導熱系數(shù)

由圖4可見，經過超聲波處理的陶粒其導熱系數(shù)隨處理時間的延長呈現(xiàn)下降的趨勢，在30 min的1296 W與1944 W兩種超聲功率下，導熱系數(shù)到達最低值，分別為0.188、0.175 W/（m·K），綜合超聲波處理前的養(yǎng)護時間而言，養(yǎng)護6 d后進行超聲波處理能夠達到較好效果，超聲波處理的時間超過30 min也對陶粒導熱系數(shù)的降低造成一定程度的負作用。原因為長時間的超聲處理使陶粒內所含水分的微孔產生空化作用時間延長，空化作用進行到一定的程度即可達到最高閉口孔隙率，進而達到最低的導熱系數(shù)。類似煤炭的煤化過程，閉口孔隙率隨著氣孔的成長可達到一個峰值，閉口孔隨之增長而破壞[12]。導熱系數(shù)會隨著孔隙率的增加而下降，尤其是閉口孔隙，內部氣孔使熱量傳導受阻，延緩了熱量的傳導[13]。

2.3 陶粒的堆積密度（見圖5）

圖5 不同實驗條件下陶粒的堆積密度

由圖5可見，通過超聲波處理的陶粒，其堆積密度隨處理時間的延長呈下降趨勢，開口孔隙率在超聲波處理后增大，即開口孔數(shù)量較多，雖然閉口孔隙率相對于對照組增加，但其增長速率并沒有保持正值，導致堆積密度隨著超聲處理時間變化較緩，在1944 W高功率下處理40 min，處理前養(yǎng)護6 d的陶粒堆積密度達到最低值671.6 kg/m3，但在648 W較低功率處理40 min，處理前養(yǎng)護時間（2、4、6 d）的影響微弱，堆積密度分別為698.3、687.8、700.4 kg/m3。由于陶粒在超聲波作用下，周期性產生的氣泡會進入孔隙內繼續(xù)進行空化效應，空化效應的氣泡破裂過程瞬間造成局部高溫高壓[14]，破壞一部分水化程度低的產物，一定程度上相當于增加了內部孔隙，堆積密度受到孔隙率的影響，總孔隙率越高，堆積密度相應降低。

2.4 陶粒的筒壓強度（見圖6）

圖6 不同實驗條件下陶粒的筒壓強度

由圖6可見，隨著超聲處理時間的延長，的粒的筒壓強度總體上呈下降趨勢，在處理時間為20 min時，筒壓強度比處理時間為10 min的高，在最高的功率1944 W下，筒壓強度降到最低，最低值為1.12 MPa。從孔隙率的指標來看，在最高的功率1944 W下處理40 min，總孔隙率在60%左右，其對應的筒壓強度較低。

2.5 陶粒的SEM分析（見圖7）

圖7 不同實驗條件下陶粒的SEM照片

由圖7可見，經過超聲處理后的陶粒，其表面存在未水化的粉煤灰較對照組的多。28 d自然養(yǎng)護對照組的陶粒，其外表面較為密實，水化產物多。超聲處理的時間與功率都可增加陶粒的孔隙，對導熱系數(shù)的降低亦有一定的促進作用。

2.6 陶粒的XRD分析（見圖8）

由圖8可見，陶粒在28 d自然養(yǎng)護時C-S-H含量相比在超聲波處理條件下較高，從圖7（a）可以看出，28 d自然養(yǎng)護下的陶粒表面孔隙較少，相比超聲陶粒而言，其表面較為密實。自然養(yǎng)護下的陶粒在2θ=48°附近有二水鈣長石的衍射峰，在22°～23°有少量纖維石，其主要成分為二水硫酸鈣，兩者的硬度與石英相當，可斷定28 d自然養(yǎng)護的陶粒強度較高。由圖6可得出，28 d自然養(yǎng)護下陶粒的筒壓強度為2.66 MPa，遠高于經超聲處理的陶粒。經過超聲處理后再養(yǎng)護至28 d時，C-S-H含量降低。

圖8 不同實驗條件下陶粒的XRD圖譜

3 結論

（1）采用超聲波處理能提升陶粒內部的孔隙率，閉口孔隙率在養(yǎng)護6 d后用1944 W功率下超聲30 min時能夠達到閉孔孔隙率的最大值，而開口孔隙率則隨著超聲時間的延長而增大。

（2）經超聲波處理后，陶粒中的水化硅酸鈣（C-S-H）的含量降低，筒壓強度顯著下降，超聲波會破壞水化產物，降低顆粒之間的粘結性。

（3）經超聲處理的陶?？紫堵曙@著增大，導熱系數(shù)可降至0.175 W/（m·K），保溫性能提高。