正交分析免蒸壓粉煤灰加氣混凝土性能

英志剛，雷一鳴，喬 林，李金凱，劉宗明

(1. 山東創(chuàng)偉外墻保溫材料有限公司，山東 濟(jì)南 250013； 2. 濟(jì)南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250022)

加氣混凝土是一種新型綠色砌筑混凝土，具有高強(qiáng)輕質(zhì)、保溫隔熱、吸聲降噪、耐火減震等優(yōu)點(diǎn)。在經(jīng)濟(jì)節(jié)能和利用工業(yè)廢渣、粉塵等方面有顯著效益，是具有廣闊前景的外墻保溫材料。至今為止，加氣混凝土大多需要借助蒸壓釜蒸壓養(yǎng)護(hù)的方式制備，投資高、能耗大，增加了生產(chǎn)成本。隨著對建筑節(jié)能要求的進(jìn)一步提高，免蒸壓加氣混凝土受到了研究者青睞[1-4]。

加氣混凝土常摻雜礦渣、 煤矸石、 鉬尾礦、 粉煤灰等固體廢棄物降低成本，調(diào)整性能。姜玉鳳等[5]在加氣混凝土中添加鋼渣微粉、 水玻璃，在60 ℃常壓養(yǎng)護(hù)28 d后，抗壓強(qiáng)度達(dá)到4.0 MPa，密度為575 kg/m3；Li等[6]研究發(fā)現(xiàn)，以50%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)脫硫殘?jiān)娲嗟玫降淖罴言嚇樱箟簭?qiáng)度和密度分別為2.83 MPa和543 kg/m3；續(xù)入銀等[7]通過摻加煤矸石，在常溫條件下養(yǎng)護(hù)28 d，獲得抗壓強(qiáng)度為5.0 MPa、 密度為520 kg/m3的免蒸壓煤矸石加氣混凝土；Usama等[8]以23%粉煤灰、礦渣混合粉料替代水泥，免蒸壓加氣混凝土密度從1 610 kg/m3降至1 145 kg/m3，同時(shí)發(fā)現(xiàn)當(dāng)鋁粉摻量減少0.5%時(shí)，免蒸壓加氣混凝土密度增加58%，抗壓強(qiáng)度平均增加101%。相比較而言，續(xù)入銀等在常溫下進(jìn)行試樣制備，提高應(yīng)用的可能性。在此基礎(chǔ)上，通過在原料中加入添加劑顯著提高加氣混凝土的性能，如多碳壁納米管[9]、 減水劑[10]、 改性劑[11]、 新型添加劑[12]等；另外，纖維的摻雜顯著提升加氣混凝土的抗折、 抗壓強(qiáng)度[13-15]。

上述研究在加氣混凝土的研究過程中，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)比較簡單，大多研究單因素對加氣混凝土的影響，且沒有分析加氣混凝土的孔徑分布對抗壓強(qiáng)度的影響。本文中以粉煤灰取代部分水泥，設(shè)計(jì)L16(45)5因素4水平的正交實(shí)驗(yàn)，制備常溫免蒸壓粉煤灰加氣混凝土試樣，研究粉煤灰摻量、 鋁粉摻量、 氫氧化鈉摻量、 水膠比、 水溫等5因素對免蒸壓粉煤灰加氣混凝土抗壓強(qiáng)度、 密度的影響,得出了最佳配方，并分析加氣混凝土的孔徑分布對強(qiáng)度的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料與儀器設(shè)備

材料：氫氧化鈉(96%，白色顆粒狀，上海廣諾化學(xué)科技有限公司)；水泥(42.5R,山東山水水泥有限公司);粉煤灰(二級粉煤灰，浙江合力新型建材有限公司)；鋁粉(粒徑為30～48 μm，鄒平縣精創(chuàng)顏料有限公司)；羥丙基甲基纖維素醚(白色粉末狀，北京天維寶辰化學(xué)產(chǎn)品有限公司)。水泥和粉煤灰的化學(xué)組分如表1所示。

表1 水泥和粉煤灰的化學(xué)組分Tab.1 Chemical composition of cement and fly ash

儀器設(shè)備：水泥膠砂攪拌機(jī)(JJ-5，無錫新建試驗(yàn)儀器有限公司);恒溫恒濕箱(HBY-30，紹興市上虞道墟鑫科儀器設(shè)備廠);微機(jī)控制保溫材料專用試驗(yàn)機(jī)(WDW-B20，濟(jì)南中正試驗(yàn)機(jī)制造有限公司);電子天平(JA-C, 上海高致精密儀器有限公司);掃描電子顯微鏡(SEM, S-2500,日本日立公司)；全自動(dòng)壓汞儀(AutoPore IV 9500 V1.07，麥克默瑞提克(上海)儀器有限公司)。

1.2 試樣的制備與測試

1.2.1 發(fā)泡機(jī)理

鋁粉作為國際通用的發(fā)氣劑，其活潑的金屬性能夠置換水中的氫，但鋁粉非常容易被空氣氧化成氧化鋁，因此需借助強(qiáng)堿(氫氧化鈉)破壞鋁粉表面的氧化層，從而實(shí)現(xiàn)金屬鋁與水的反應(yīng)放出氣體，使混凝土砂漿內(nèi)部形成尺寸適當(dāng)、大小均勻的氣泡，其主要反應(yīng)為

Al2O3+2NaOH=2NaAlO2+H2O ，

2Al+6H2O=2Al(OH)3+3H2↑ 。

形成的Al(OH)3凝膠會包覆住未反應(yīng)的鋁粉，抑制了發(fā)氣反應(yīng)，而氫氧化鈉與Al(OH)3凝膠會進(jìn)一步反應(yīng)，即

Al(OH)3+NaOH=NaAlO2+2H2O 。

借助反應(yīng)消除掉Al(OH)3凝膠后，金屬鋁就能夠繼續(xù)在混凝土中發(fā)氣形成氣孔。

1.2.2 試樣制備與測試

根據(jù)正交表因素配比稱量物料，將粉煤灰、水泥加入到攪拌鍋中慢速攪拌2 min；將氫氧化鈉在溫水中溶解后，倒入攪拌鍋中快速攪拌1 min；用少量水與穩(wěn)泡劑、鋁粉混合攪拌均勻后加入攪拌鍋中，快速攪拌30 s后，在10 cm×10 cm×10 cm模具中成型，置于養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)箱設(shè)定溫度為20 ℃，濕度為50%。養(yǎng)護(hù)24 h后，切除面包頭，并拆除模具，繼續(xù)置于養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)7 d，測試抗壓強(qiáng)度和密度。并使用壓汞法、SEM對試樣分別進(jìn)行孔徑分析、微觀結(jié)構(gòu)分析。

本實(shí)驗(yàn)暫不考慮實(shí)驗(yàn)因素之間的交互作用，僅通過正交實(shí)驗(yàn)研究各因素對加氣混凝土抗壓強(qiáng)度、密度的影響。選取粉煤灰摻量、鋁粉摻量、氫氧化鈉摻量、水膠比(水的質(zhì)量與水泥、粉煤灰質(zhì)量和的比)、水溫為因素，設(shè)計(jì)免蒸壓粉煤灰加氣混凝土正交實(shí)驗(yàn)方案，以試樣抗壓強(qiáng)度、密度作為性能指標(biāo)。5個(gè)因素設(shè)計(jì)各4項(xiàng)水平，完成L16(45)正交實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中水泥和粉煤灰的粉料總質(zhì)量固定為700 g。其中穩(wěn)泡劑(羥丙基甲基纖維素醚)摻量是鋁粉的2倍。正交實(shí)驗(yàn)因素水平表如表2所示。

表2 正交實(shí)驗(yàn)因素水平表Tab.2 Factor level table of orthogonal experiment

2 結(jié)果與討論

2.1 正交實(shí)驗(yàn)配比及結(jié)果

正交實(shí)驗(yàn)配比及試樣的密度、 7 d抗壓強(qiáng)度如表3所示。

表3 正交實(shí)驗(yàn)配比及結(jié)果Tab.3 Proportion and results of orthogonal experiment

2.2 正交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.2.1 正交實(shí)驗(yàn)極差分析

本實(shí)驗(yàn)中對正交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行極差處理[16-17]，正交實(shí)驗(yàn)的密度、抗壓強(qiáng)度的數(shù)據(jù)處理結(jié)果如表4、 表5所示。加氣混凝土性能指標(biāo)設(shè)定為密度和抗壓強(qiáng)度，抗壓強(qiáng)度越大、密度越小則加氣混凝土的性能指標(biāo)越好。根據(jù)表4、表5的極差計(jì)算得到各性能指標(biāo)的極差分析結(jié)果，如表6所示。

表4 密度極差計(jì)算表Tab.4 Range calculation table of density

表5 抗壓強(qiáng)度極差計(jì)算表Tab.5 Range calculation table of compressive strength

表6 各性能指標(biāo)的極差分析結(jié)果Tab.6 Range analysis results of each performance index

2.2.2 各因素對加氣混凝土性能的影響

為便于實(shí)驗(yàn)分析，將各因素水平對加氣混凝土抗壓強(qiáng)度和密度的影響置于同一圖中，如圖1所示。依據(jù)表6和圖1進(jìn)行綜合平衡分析。

鋁粉對加氣混凝土性能的影響。由表6可知,鋁粉因素對兩項(xiàng)指標(biāo)均為主要因素，鋁粉摻量對免蒸壓粉煤灰加氣混凝土性能影響最大。由圖1可知，鋁粉摻量遞增，加氣混凝土的密度、抗壓強(qiáng)度均減小，其中鋁粉摻量為B1、B4時(shí)，抗壓強(qiáng)度、密度性能分別最優(yōu)。鋁粉作為加氣混凝土的發(fā)氣物料，為了保證加氣混凝土的發(fā)氣質(zhì)量，綜合2個(gè)指標(biāo)后鋁粉的最佳摻量為B3。

水溫對加氣混凝土性能的影響。由表6可知，水溫是影響密度的次要因素，對抗壓強(qiáng)度的影響最低。由圖1可知，當(dāng)水溫的升高時(shí)，加氣混凝土的2項(xiàng)性能指標(biāo)逐漸降低，當(dāng)水溫為E4時(shí)，加氣混凝土的密度最低。這是由于料漿溫度升高，鋁粉的活性增強(qiáng)，在漿體硬化之前可達(dá)到更高的發(fā)氣率。綜合2個(gè)指標(biāo)，水溫最佳為E2。

水膠比對加氣混凝土性能的影響。由表6可知，水膠比是影響粉煤灰加氣混凝土抗壓強(qiáng)度的次要因素，是影響加氣混凝土密度的第3因素。由圖1可知，當(dāng)水膠比遞增時(shí)，加氣混凝土抗壓強(qiáng)度逐漸下降；密度則先降低，后出現(xiàn)波動(dòng)。這是因?yàn)殡S著水膠比的增加，料漿流動(dòng)性增加，發(fā)氣膨脹阻力減小，過大則容易引起氣泡的合并，造成抗壓強(qiáng)度減?。话l(fā)氣膨脹阻力的減小，減少了憋氣現(xiàn)象，利于密度的減小，但氣泡上浮減少了內(nèi)部氣孔體積。在D1、D2處，加氣混凝土的抗壓強(qiáng)度和密度達(dá)到最優(yōu)。綜合2項(xiàng)指標(biāo)，最佳水膠比為D1。

圖1 各因素對加氣混凝土性能的影響Fig.1 Influence of various factors on performance of aerated concrete

粉煤灰和氫氧化鈉對加氣混凝土密度的影響。由表6可知，粉煤灰摻量是影響加氣混凝土抗壓強(qiáng)度的第3因素。由圖1可知，隨著粉煤灰摻量的遞增，加氣混凝土抗壓強(qiáng)度略有降低，主要是由于粉煤灰相比于水泥的更慢的火山灰效應(yīng)，粉煤灰的SiO2尚未激活。由表4可知，粉煤灰摻量對加氣混凝土密度的影響較小。由表6可知，氫氧化鈉的摻量對加氣混凝土的密度影響最小，原因是最低C1的氫氧化鈉摻量已經(jīng)形成適合鋁粉發(fā)氣的pH環(huán)境；由圖1可知，隨著氫氧化鈉摻量的增加加氣混凝土的抗壓強(qiáng)度先增大后減小，原因是過多的氫氧化鈉與鋁粉反應(yīng)過快，短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量氣孔，氣孔合并降低了抗壓強(qiáng)度。綜合2項(xiàng)性能指標(biāo)，粉煤灰的最佳摻量為A3，氫氧化鈉的最佳摻量為C3。

綜上所述，本次正交實(shí)驗(yàn)的最優(yōu)實(shí)驗(yàn)方案為A3B3C3D1E2，正交表中未出現(xiàn)此種方案，但7號方案除粉煤灰和氫氧化鈉外其余相符，且本次正交實(shí)驗(yàn)中粉煤灰和氫氧化鈉摻量不是影響加氣混凝土性能的主要因素。最優(yōu)方案物料配比如表7所示，抗壓強(qiáng)度及密度為1.2 MPa和672.16 kg/m3。

表7 物料最優(yōu)配比Tab.7 Optimal material ratio

2.2.3 孔徑分析

為了研究加氣混凝土的孔徑分布與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系，對試樣進(jìn)行壓汞分析，大孔徑氣孔越多混凝土的抗壓強(qiáng)度越小[18]。將氣孔劃分為多害孔(≥200 nm)、 有害孔(100～200 nm)、 少害孔(20～100 nm)、 無害孔(<20 nm)[19]。并選取了表3中的第1、 4、 7組(G1、 G4、 G7)進(jìn)行孔徑分析，G1、 G4、 G7的孔徑分布頻率如圖2所示。圖3是加氣混凝土斷面的SEM圖像。

由圖2可以看出，G4含有的多害孔最多(71.09%)且無害孔最少(5.20%)，導(dǎo)致在3組中抗壓強(qiáng)度最弱。如表6所示，鋁粉摻量、水膠比是影響抗壓強(qiáng)度的主要的2個(gè)因素，G4的配料中含有最多的鋁粉及最高的水膠比，混凝土中會有更高的發(fā)氣量、更低的料漿黏度，所以氣泡容易融合產(chǎn)生更多的多害孔，如圖3 a)所示。由圖2可知，G7無害孔頻率高于G4的，且有害孔頻率低于G4的10.96%，是G7抗壓強(qiáng)度優(yōu)于G4的主要原因，因此，通過調(diào)控鋁粉摻量、水膠比獲得更高頻率的無害孔、降低多害孔的頻率是提高加氣混凝土強(qiáng)度的有效方法。由圖3 b)所示，能夠觀察到嵌入在孔壁上的球狀粉煤灰顆粒，40%～60%粉煤灰替換水泥后混凝土的后期強(qiáng)度相差不高于5 MPa[19-20]。

圖2 G1、 G4、 G7孔徑分布頻率Fig.2 Aperture distribution frequency of G1, G4 and G7

a)氣泡融合產(chǎn)生的多害孔b)嵌入在孔壁上的球狀粉煤灰顆粒圖3 加氣混凝土斷面的SEM圖像Fig.3 SEM images of aerated concrete section

3 結(jié)論

以粉煤灰取代部分水泥，設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)，制備常溫免蒸壓粉煤灰加氣混凝土試樣，研究粉煤灰摻量、 鋁粉摻量、 氫氧化鈉摻量、 水膠比、 水溫等5因素對免蒸壓粉煤灰加氣混凝土抗壓強(qiáng)度、密度的影響,得出如下結(jié)論：

1)影響加氣混凝土密度和抗壓強(qiáng)度的因素主次順序?yàn)锽(鋁粉)→E(水溫)→D(水膠比)→A(粉煤灰)→C(氫氧化鈉)和B(鋁粉)→D(水膠比)→A(粉煤灰)→C(氫氧化鈉)→E(水溫)。

2)鋁粉對加氣混凝凝土性能影響最顯著，粉煤灰摻量在40%～55%之間沒有造成抗壓強(qiáng)度的明顯降低。水溫對加氣混凝土的密度影響較大，對抗壓強(qiáng)度影響最小。水膠比對加氣混凝土抗壓強(qiáng)度影響較大，對密度影響最小。

3)正交實(shí)驗(yàn)的最優(yōu)實(shí)驗(yàn)配比為7號方案，即粉煤灰為45%、 鋁粉為0.12%、 氫氧化鈉為0.34%、 水膠比為49%、 水溫為45 ℃，加氣混凝土的抗壓強(qiáng)度和密度分別為1.2 MPa和672.16 kg/m3。

4)通過調(diào)控鋁粉摻量、 水膠比提高無害孔頻率、 降低多害孔頻率是提高加氣混凝土強(qiáng)度的有效方法。

5)在砂漿中可嘗試加入添加劑進(jìn)一步提高加氣混凝土的性能，如多碳壁納米管、 減水劑、 改性劑、 新型添加劑等；另外，可嘗試添加短纖維提升加氣混凝土的抗折、 抗壓強(qiáng)度。