陶粒泡沫混凝土的研究進(jìn)展及應(yīng)用

于斐凡 武立偉 王茁伊 郭雪源

(華北理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，河北 唐山 063200)

上世紀(jì)末開始，我國(guó)建筑行業(yè)步入了一個(gè)蓬勃發(fā)展的新階段，同時(shí)也形成了資源浪費(fèi)、環(huán)境污染等問(wèn)題。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)在建筑工程領(lǐng)域方面的能源消耗總量占到了社會(huì)能源總消耗量的近30%[1]。為了減輕建筑消耗造成的經(jīng)濟(jì)發(fā)展負(fù)擔(dān)，我國(guó)制定了一系列關(guān)于建筑節(jié)能設(shè)計(jì)、管理的法律條文與規(guī)范。同時(shí)節(jié)能減排國(guó)策的推行，使建筑行業(yè)迎來(lái)了一次重大革新。在此階段，涌現(xiàn)出許多新型建筑節(jié)能材料，輕骨料混凝土之一的陶粒泡沫混凝土備受關(guān)注。

陶粒，是用黏土或頁(yè)巖等物料制作而成的球形或橢圓形顆粒。其表面光滑、內(nèi)部孔隙大，具有密度小、硬度高、耐火性好等優(yōu)點(diǎn)。在泡沫混凝土漿料中摻入一定量的陶粒，不但可以降低水泥用量，還能夠增加泡沫混凝土的強(qiáng)度。陶粒泡沫混凝土以其密度低、硬度高、保溫隔熱、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)逐步成為新型建筑節(jié)能材料的研究重點(diǎn)。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展主要有兩個(gè)方向：一是大跨度建筑；二是超高層建筑。無(wú)論是大跨度建筑還是超高層建筑，面臨的重要問(wèn)題就是給結(jié)構(gòu)減重，由于常規(guī)混凝土的密度高自重大，在整個(gè)建筑中難以全面應(yīng)用。陶粒泡沫混凝土作為一種新型建筑材料，以其制備的砌塊和保溫墻體具有密度小、強(qiáng)度高、保溫隔聲性能好等優(yōu)點(diǎn)，在建筑保溫和高層建筑中具有較好的應(yīng)用。此前，國(guó)內(nèi)關(guān)于陶粒泡沫混凝土的生產(chǎn)廠家有近1 000余家，但是陶粒泡沫混凝土在國(guó)內(nèi)并沒有被大范圍推廣應(yīng)用，原因主要是目前國(guó)內(nèi)陶粒泡沫混凝土的制備廠商大小規(guī)模不一和缺乏系統(tǒng)的生產(chǎn)規(guī)范，小規(guī)模企業(yè)的生產(chǎn)質(zhì)量參差不齊，質(zhì)量難以保證，阻礙了陶粒泡沫混凝土的發(fā)展與應(yīng)用。

美國(guó)、加拿大、日本和意大利等西方發(fā)達(dá)國(guó)家在泡沫混凝土方面的應(yīng)用主要體現(xiàn)在建筑墻體和擋土墻以及海上石油平臺(tái)等方面。但總體上國(guó)際方面可借閱的經(jīng)驗(yàn)有限，相關(guān)方面的研究文獻(xiàn)和報(bào)道也較少。

2 陶粒泡沫混凝土的性能與制備優(yōu)化

2.1 陶粒泡沫混凝土的性能

陶粒泡沫混凝土又被稱為陶粒發(fā)泡混凝土，是指以陶粒、水泥、發(fā)泡劑、粉煤灰、水等材料，按照一定比例充分混合攪拌、澆筑成型、養(yǎng)護(hù)而成的輕集料混凝土。具備泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)低和陶粒混凝土強(qiáng)度高等特點(diǎn)，是一種優(yōu)化的輕集料混凝土產(chǎn)物。其物理性能顯著，與普通混凝土形成明顯的對(duì)比，具體對(duì)比結(jié)果如表1所示。

表1 陶粒泡沫混凝土與普通混凝土物理性能對(duì)比

由表1可以得知，陶粒泡沫混凝土的干密度遠(yuǎn)低于普通混凝土，在實(shí)際的工程應(yīng)用中，可以有效控制構(gòu)件重量下降30%～60%，并且陶粒泡沫混凝土的強(qiáng)度較好，可以應(yīng)用于隔墻等非承重的構(gòu)件。相比于一般的混凝土，陶粒發(fā)泡混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)更低，僅有普通混凝土的10%左右，熱量損失少，保溫效果更好，能夠滿足墻體和樓板的保溫隔熱要求。同時(shí)和一般的混凝土相比，陶粒泡沫混凝土的燃燒等級(jí)為A1，也屬于優(yōu)質(zhì)的防火材料。而吸水率對(duì)于混凝土來(lái)講，既是優(yōu)點(diǎn)也是缺點(diǎn)，陶粒泡沫混凝土的吸水率明顯大于普通混凝土，在抗?jié)B工程或者構(gòu)件中，要避免陶粒泡沫混凝土的使用；相反，陶粒泡沫混凝土可以應(yīng)用在吸水性要求高的工程中。除此之外，陶粒泡沫混凝土自身的多孔結(jié)構(gòu)使其擁有優(yōu)異的隔聲性能。

2.2 陶粒泡沫混凝土的制備與優(yōu)化

目前國(guó)內(nèi)陶粒發(fā)泡水泥的生產(chǎn)方式主要分為物理發(fā)泡與化學(xué)發(fā)泡?；瘜W(xué)發(fā)泡方式操作簡(jiǎn)單，但制備的混凝土質(zhì)量難以控制。在現(xiàn)階段的行業(yè)生產(chǎn)中，絕大多數(shù)企業(yè)使用的都是物理發(fā)泡方法。相比于化學(xué)發(fā)泡方式，物理發(fā)泡的方式更容易控制陶粒在混凝土中的分布，制備的陶粒泡沫混凝土質(zhì)量普遍更高，性能更優(yōu)異，并且物理發(fā)泡方式的成本相對(duì)更低。其制備流程如圖1所示。

圖1 陶粒泡沫混凝土制備流程

陶粒本身存在吸水特征，因此在生產(chǎn)陶粒發(fā)泡混凝土之前，需要對(duì)陶粒進(jìn)行預(yù)濕處理[2]，趙洪春等通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)陶粒進(jìn)行預(yù)濕處理能夠有效避免由于陶粒吸水而造成泡沫破滅的現(xiàn)象，而且預(yù)濕之后的陶粒在進(jìn)行混凝土生產(chǎn)時(shí)，也明顯改善了陶粒和泡沫水泥漿料拌合物的穩(wěn)定性，同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)過(guò)度吸水的陶粒也會(huì)因?yàn)樗治龀龆鴮?dǎo)致混凝土中的泡沫破滅。因此綜合考慮混凝土的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)效益，預(yù)濕處理1h為比較合理的時(shí)間。

由于現(xiàn)場(chǎng)攪拌混凝土容易造成環(huán)境污染和混凝土強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)等問(wèn)題。自2004年起，商品混凝土取代了以往的現(xiàn)場(chǎng)攪拌混凝土。對(duì)于陶粒泡沫混凝土而言，采用商品混凝土的運(yùn)輸方式也存在一定的弊端。在運(yùn)輸過(guò)程中陶粒極容易發(fā)生上浮，使混凝土出現(xiàn)分層，不僅會(huì)降低混凝土拌合物的和易性，同時(shí)施工質(zhì)量也難以保證。針對(duì)陶粒泡沫混凝土運(yùn)輸過(guò)程中陶粒上浮的現(xiàn)象，易秋[3]等通過(guò)試驗(yàn)研究得到了較為合理的改善方法，通過(guò)預(yù)先對(duì)陶粒表面包裹水泥砂漿，提高陶粒的密度來(lái)減少陶粒上浮的現(xiàn)象，通過(guò)這種方法不僅提高陶粒本身的強(qiáng)度，利用處理后的陶粒制備的混凝土強(qiáng)度也有所增強(qiáng)。

3 陶粒泡沫混凝土性能研究

3.1 泡沫摻量對(duì)陶粒泡沫混凝土性能的影響

陶粒泡沫混凝土中的泡沫,是通過(guò)使用發(fā)泡機(jī)把特定含量的發(fā)泡劑溶液引入氣體形成的。泡沫的含量會(huì)直接影響到陶粒泡沫混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，泡沫使用量越多，混凝土硬化后的孔隙率越大。高宇甲[4]等通過(guò)試驗(yàn)對(duì)摻入不同泡沫體積的陶粒泡沫混凝土進(jìn)行研究，結(jié)果表明，在陶粒發(fā)泡混凝土中摻入泡沫的體積越大，其抗壓強(qiáng)度越低，干密度越小。

雖然泡沫的摻入會(huì)降低混凝土自身的密度，使其質(zhì)量減輕，但是泡沫對(duì)于混凝土的抗壓強(qiáng)度性能來(lái)說(shuō)屬于不利影響因素。因此在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，在滿足混凝土所需的性能要求下，要盡可能減少泡沫的用量，避免混凝土抗壓強(qiáng)度過(guò)度損失。

3.2 陶粒和水泥摻量對(duì)陶粒泡沫混凝土性能的影響

陶粒與水泥是陶粒泡沫混凝土的主要組成部分，對(duì)其性能的影響也最大。兩種材料的摻量與陶粒發(fā)泡混凝土的強(qiáng)度、密度、保溫隔熱等性能之間存在著相互制約的關(guān)系。陳益[5]等人開展了關(guān)于陶粒與水泥摻入量對(duì)陶粒泡沫水泥強(qiáng)度影響的試驗(yàn)研究。發(fā)現(xiàn)隨著陶粒摻量越來(lái)越多，混凝土的抗壓強(qiáng)度曲線呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，當(dāng)陶粒的摻量達(dá)到0.87m3/m3時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度值最高。同時(shí)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)水泥摻量越多，陶粒泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度越高，當(dāng)水泥摻量增加到一定程度，混凝土抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)速度逐漸變慢，最終趨于平緩。因此，在保證混凝土強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，可以選擇盡可能多的增加陶粒的摻量，不僅可以減少水泥的用量，降低經(jīng)濟(jì)成本，還可以減輕陶粒泡沫混凝土的自重。

3.3 粉煤灰摻量對(duì)陶粒泡沫混凝土性能的影響

粉煤灰最初作為一種火力發(fā)電的生產(chǎn)廢料，并未被引入建筑行業(yè)的生產(chǎn)應(yīng)用當(dāng)中。但隨著對(duì)其研究的增多，逐步在水泥和混凝土制品的生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。尤其是摻加粉煤灰后生產(chǎn)的混凝土展現(xiàn)出了良好的物理性能，使其在混凝土生產(chǎn)中的應(yīng)用備受關(guān)注。在文獻(xiàn)[4-5]中，筆者通過(guò)深入研究各種配合比對(duì)陶粒泡沫混凝土性能的影響，得出了摻入粉煤灰可以增強(qiáng)陶粒泡沫混凝土的整體強(qiáng)度。其根本原因是，由于粉煤灰中的SiO2、Al2O3等活性物質(zhì)與水泥發(fā)生水化反應(yīng)生成膠凝性物質(zhì)，加強(qiáng)了混凝土內(nèi)部之間的粘結(jié)效果。而粉煤灰摻量對(duì)陶粒泡沫混凝土整體強(qiáng)度的影響趨勢(shì)和陶粒摻量的影響相同，最佳的粉煤灰摻量為30%-40%，但實(shí)際生產(chǎn)中的最佳配合比還需要進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)整。

4 陶粒泡沫混凝土的應(yīng)用與前景展望

對(duì)于我國(guó)東北地區(qū)來(lái)說(shuō)，常年降雪，年平均溫度低。在此種情況下，建筑材料的外立面保溫就變得尤為重要。一般情形下墻體的保溫處理包括三種：外墻外保溫、外墻內(nèi)保溫和外墻自保溫。外墻外保溫的材料大多為有機(jī)材料，如發(fā)泡聚板(EPS)、擠塑聚板(XPS)等，但這些材料防火性差、施工周期長(zhǎng)、透氣性差。而外墻內(nèi)保溫技術(shù)雖有較長(zhǎng)的使用歷史，但熱橋效應(yīng)處理較為麻煩，且造價(jià)較高，不符合綠色經(jīng)濟(jì)的發(fā)展要求。外墻自保溫則有效克服了前兩種技術(shù)的不足，施工方便，對(duì)環(huán)境污染較小，性價(jià)比高。將陶粒泡沫混凝土與外墻自保溫技術(shù)相結(jié)合，可以有效達(dá)到要求保溫節(jié)能65%的性能指標(biāo)。

在當(dāng)前節(jié)能減排的新形勢(shì)下，要根據(jù)綠色建筑的發(fā)展需要，降低對(duì)環(huán)境的污染與資源的浪費(fèi)。利用黏土生產(chǎn)陶粒的方式對(duì)環(huán)境的污染較大，許晴瑩[6]等發(fā)現(xiàn)工業(yè)廢料磷石膏生產(chǎn)的陶?？梢杂脕?lái)制備陶粒泡沫混凝土砌塊，造價(jià)低的同時(shí)合理利用了工業(yè)廢料，實(shí)現(xiàn)廢棄物的二次利用，達(dá)到資源可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。

目前，建筑行業(yè)基本上處于飽和狀態(tài)。在未來(lái)幾年內(nèi)，建筑行業(yè)的施工重點(diǎn)可能會(huì)轉(zhuǎn)移到大面積的舊城區(qū)改造與加固上，陶粒泡沫混凝土以其輕質(zhì)高強(qiáng)、保溫隔熱的特性，在建筑保溫工程中或?qū)?huì)有更好地應(yīng)用。此外，自2015年開始，我國(guó)推出了海綿城市的試點(diǎn)計(jì)劃，目地在于使城市在面對(duì)雨水等自然災(zāi)害時(shí)具有更好的彈性。在已試點(diǎn)成功的城市來(lái)看，雨水過(guò)后的道路和廣場(chǎng)路面積水明顯減少，成效較為顯著。可進(jìn)一步利用陶粒泡沫混凝土輕質(zhì)高強(qiáng)，吸水性好等特點(diǎn)，在可滲透的道路和廣場(chǎng)等地方鋪設(shè)陶粒泡沫混凝土磚，加強(qiáng)路面的透水效果。在這新一輪的發(fā)展形勢(shì)下，陶粒泡沫混凝土或?qū)⒂瓉?lái)新的發(fā)展機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

5 結(jié) 語(yǔ)

陶粒泡沫混泥土相較于普通混凝土而言，原材料的獲取途徑更加廣泛，具有較大的發(fā)展?jié)摿涂臻g。為了進(jìn)一步擴(kuò)大陶粒泡沫混凝土的應(yīng)用范圍，還需要不斷優(yōu)化制備工藝，確定更加合理的配合比。雖然陶粒泡沫混凝土正處在發(fā)展初期，大范圍的推廣和使用可能還需要較長(zhǎng)一段時(shí)間，但我們?nèi)孕枰粩嗵岣咛樟Ｅ菽炷恋母黜?xiàng)性能，加強(qiáng)在耐久性方面的研究，早日實(shí)現(xiàn)陶粒泡沫混凝土在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。