免燒輕集料的研究現(xiàn)狀和發(fā)展綜述

龐超明，周楊帆，酈培娟，張春鵬

(東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇省土木工程材料重點實驗室，南京 211189)

0 引 言

近年來，國內(nèi)建筑走向建筑工業(yè)化、高層化、大跨度化，由此對混凝土提出了輕質(zhì)高強的更高要求。輕集料(lightweight aggregate， LA)因具有密度較低、熱導(dǎo)率低等優(yōu)點，使用輕集料替代石子制備的輕集料混凝土(lightweight aggregate concrete， LAC)具備保溫、隔熱、隔音[1]等特性，在滿足住宅舒適性的同時，還可以有效降低產(chǎn)品自重[2]，降低產(chǎn)品運輸和安裝成本，同時提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。關(guān)于LAC的研究，曾停滯多年，近年來重新煥發(fā)活力，關(guān)于LAC的配合比設(shè)計、力學(xué)性能、耐久性等方面的研究成果被大量公開[3-6]，這些得益于近年來建筑工業(yè)化中疊合樓板、墻板等裝配式構(gòu)件的發(fā)展及其對輕質(zhì)高比強方面的需求，而輕集料在其中表現(xiàn)出優(yōu)異性能[7-9]。有工程人員質(zhì)疑輕集料混凝土的耐久性，事實上，輕骨料與水泥石的界面過渡區(qū)往往更加致密,即使在嚴酷的服役環(huán)境中也表現(xiàn)出了良好的耐久性[10]。LAC的優(yōu)良特性歸功于輕集料的質(zhì)輕、獨特的多孔結(jié)構(gòu)及其吸/釋水效應(yīng)。天然輕集料資源有限，因此促進了具有良好性能的人造輕集料的發(fā)展。

人造輕集料是一種可基于性能需求來設(shè)計的優(yōu)質(zhì)材料，其配方和生產(chǎn)工藝可以基于目標(biāo)的性能需求而進行調(diào)節(jié)和改進。人造輕集料可以采用燒結(jié)或免燒結(jié)技術(shù)來生產(chǎn)，其中燒結(jié)輕集料(sintered lightweight aggregate， SLA)，也稱為陶粒，是目前市場的主流產(chǎn)品，能耗高，前期研究投入少，成品的優(yōu)良率不夠[11]，性能偏低，且需要大量使用限制性資源——黏土；用于輕集料混凝土的生產(chǎn)制備，存在大量難以克服的問題，如在新拌混凝土中易上浮、工作性較差，混凝土難以實現(xiàn)泵送施工等[12]。伴隨著建筑裝配式技術(shù)的發(fā)展及其對輕集料需求的顯著增加，近年來也涌現(xiàn)出一些性能優(yōu)異的新產(chǎn)品，如采用頁巖和淤泥替代黏土，或利用固廢通過成分設(shè)計來制備更高性能的燒結(jié)輕集料等。但總體而言，傳統(tǒng)的燒結(jié)工藝，需要經(jīng)過1 000 ℃以上高溫?zé)Y(jié)，能耗高，不利于環(huán)境保護及節(jié)能減排等。除采用廢棄物如淤泥、煤渣等作為原材料進行生產(chǎn)，其他采用黏土等資源的與燒結(jié)相關(guān)的投資建設(shè)已經(jīng)無法被審批。

免燒輕集料(non-sintered lightweight aggregate， NSLA)，國外多稱之為冷粘輕集料(cold-bonded lightweight aggregate)，國內(nèi)也有人稱為免燒陶粒，實際上經(jīng)過高溫“燒結(jié)”才能稱之為“陶”，既然“免燒”，就不應(yīng)為“陶”，因此稱為免燒輕集料更為確切。免燒輕集料多數(shù)采用水泥基材料為膠凝材料，并大量使用工業(yè)廢棄物諸如冶煉金屬過程中產(chǎn)生的礦渣、疏浚工程中產(chǎn)生的淤泥、煤化工產(chǎn)生的粗渣等作為原材料，材料成本較低；在燃料成本方面，因生產(chǎn)無需經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)，因此能耗大幅降低，符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。此外，免燒輕骨料的配方和生產(chǎn)工藝更易于進行設(shè)計和調(diào)節(jié)，從而容易滿足特定的性能要求。而且，采用水泥基材料的免燒輕集料與混凝土同源，相容性更好，因此具有良好的經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和社會效益[13]。

然而，與燒結(jié)輕集料相比，傳統(tǒng)的免燒輕集料也存在一些劣勢，如密度仍然偏高、比強度偏低、吸水率偏高等。現(xiàn)有免燒輕集料采用的原材料和生產(chǎn)方式?jīng)Q定了產(chǎn)品的密度較大，堆積密度通常達到750～1 000 kg/m3，遠高于燒結(jié)輕集料的350～600 kg/m3；免燒輕集料由于缺乏表面的致密釉層，因此易于吸水，且為了控制密度，需保證較大的孔隙，吸水率總體偏大，通常會在10%～30%，高于燒結(jié)輕集料的8%～15%。相同配方的粉煤灰輕集料，燒結(jié)輕集料的比強度和吸水率比免燒輕集料有明顯優(yōu)勢，免燒輕集料和燒結(jié)輕集料的24 h吸水率分別為16.3%和11.8%[14]，Kockal等[15]發(fā)現(xiàn)粉煤灰輕集料經(jīng)過燒結(jié)后，強度幾乎是免燒輕集料的4倍。

本文歸納了近年來采用各種工業(yè)廢棄物生產(chǎn)免燒輕集料的制備技術(shù)及相應(yīng)的產(chǎn)品性能，綜述了免燒輕集料的低密度技術(shù)、性能提升技術(shù)、養(yǎng)護方式及其在混凝土和其他領(lǐng)域中的應(yīng)用，提出了免燒輕集料功能化的研究方向和應(yīng)用途徑，為免燒輕集料在輕質(zhì)高比強和功能化發(fā)展方面提供參考和建議。

1 免燒輕集料的制備

1.1 利用廢棄材料制備免燒輕集料

建筑材料對于各種工業(yè)廢棄物的回收利用量最大，其中又以粉煤灰、礦渣微粉的綜合利用最多。為了提高粉煤灰在建筑領(lǐng)域的利用率，2000年以來，大摻量粉煤灰免燒輕集料的研究在國內(nèi)外得到了發(fā)展[16]，相關(guān)研究結(jié)果列于表1。

總結(jié)表1可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)方法制備的粉煤灰免燒輕集料，粉煤灰質(zhì)量摻量在75%以上時，粒徑較小，可以控制在4.75～20 mm，堆積密度約為800～1 000 kg/m3，筒壓強度雖然在5 MPa以上，但是總體比強(強度/密度)仍然偏低，吸水率仍然偏大，多數(shù)為10%～30%。一般堆積密度越高，筒壓強度就越高。使用純粉煤灰作為原材料時，單顆強度總體不高，吸水率很大；當(dāng)粉煤灰與水泥、石灰、礦渣微粉等復(fù)合使用時，輕集料的性能可得到大幅提升。如文獻[17]表明，在粉煤灰中摻入質(zhì)量比約8%的水泥或石灰，在粒徑不變時，堆積密度僅增加20～100 kg/m3，其單顆強度可提升3～4倍，但吸水率變化不明顯。在粉煤灰中摻加稻殼灰[18]也可適當(dāng)降低免燒輕集料的密度，且可以提高強度，并且將吸水率控制在10%左右。

為了加強對各種工業(yè)廢棄物的回收，以減少環(huán)境壓力，利用除粉煤灰外的其他廢棄物資源制備免燒輕集料也較為常見,如利用鋼渣粉作為原材料，易于實現(xiàn)低密高強，且吸水率較低。此外，稻殼灰、秸稈灰、污水污泥、采石場粉塵、建筑垃圾、煤氣化粗渣、垃圾焚燒后的爐渣等廢棄材料均可用于免燒輕集料的制備。其他廢棄材料制備的免燒輕集料的性能如表2所示。

表1 大摻量粉煤灰免燒輕集料的性能Table 1 Properties of non-sintered lightweight aggregate with large amount of fly ash

表2 廢棄材料制備的免燒輕集料的性能Table 2 Properties of non-sintered lightweight aggregate prepared from waste materials

由表2可知，人造輕集料對各種廢棄材料均具有良好的包容性，不同來源、不同種類的工業(yè)廢棄物可通過粉碎重組、固化等手段處理后應(yīng)用于輕集料制備，從而降低輕集料成本，減少環(huán)境污染。這些輕集料中廢棄物的質(zhì)量摻量為20%～80%，一般加入粉煤灰、水泥等材料提供膠凝作用，并加入石膏、水玻璃、硫酸鋁等激發(fā)廢棄物的活性，筒壓強度有所提升，但吸水率仍然較高，普遍在15%以上，因此采用其他工業(yè)廢棄物制備輕集料，仍需大力開發(fā)各種改性技術(shù)，從而進一步提升產(chǎn)品的性能。其中僅鋼渣粉[26]復(fù)合質(zhì)量比46%礦渣微粉和其他材料制備的輕集料吸水率低于6%，堆積密度控制在800～900 kg/m3的同時，強度可達到13 MPa，性能極佳，但總成本偏高，產(chǎn)品經(jīng)濟性不佳。

1.2 免燒輕集料的低密度高性能技術(shù)

1.2.1 低密度技術(shù)

近年來輕集料混凝土向輕質(zhì)高強方向發(fā)展，對輕集料的密度提出了更高的要求[31]，更低密度及其在更低密度下具有更高比強就成為研究的重點和難點。因此多種措施被用于降低免燒輕集料的密度，初始的方法主要是通過在顆粒中添加泡沫劑、成孔劑等，通過增加微孔的方式來降低密度，主要研究成果如表3所示。

表3 降低免燒輕集料密度的措施Table 3 Measures to reduce the density of non-sintered lightweight aggregate

續(xù)表

這些降低輕集料密度的方法的核心思路為投入造孔劑，提升孔隙率，如使用泡沫劑、雙氧水等。單純使用造孔劑效果并不佳，輕集料的孔隙增加不多，密度降低有限；部分學(xué)者同步采取了一些其他措施(如使用輕質(zhì)原材料)，但免燒輕集料密度僅可降低約100 kg/m3，多年來一直難以降低到750 kg/m3以下。高淑燕[37]的研究表明，隨著雙氧水的質(zhì)量摻量由0%增加至15%，輕集料的密度會先減小后增大，且加5%的雙氧水時密度降幅最大，由868 kg/m3降至823 kg/m3，此時導(dǎo)熱系數(shù)由0.19 W/(m·K)降至0.178 W/(m·K)，吸水率由30.1%降至28.7%，但同時筒壓強度也降低較大，由4.47 MPa降至2.92 MPa。

由于免燒輕集料的密度普遍高于燒結(jié)輕集料，這限制了其在輕質(zhì)混凝土中的應(yīng)用。為了進一步降低免燒輕集料的密度，國內(nèi)外有學(xué)者開始研究核殼結(jié)構(gòu)免燒輕集料，采用超輕材料如可發(fā)性聚苯乙烯(EPS)泡沫、膨脹珍珠巖等為內(nèi)核來降低免燒輕集料的密度，具體如表4所示。

表4 核殼結(jié)構(gòu)免燒輕集料的性能Table 4 Properties of non-sintered lightweight aggregate employing core-shell construction

顯然，采用EPS、膨脹珍珠巖作為免燒輕集料的內(nèi)核，形成核殼結(jié)構(gòu)，可以較大幅度地降低免燒輕集料的密度。相比于加發(fā)泡劑和造孔劑，采用以膨脹珍珠巖或EPS為核的核殼結(jié)構(gòu)技術(shù)在降低免燒輕集料密度方面效果卓越，堆積密度可降至380～780 kg/m3，從而突破了免燒輕集料密度無法大幅度降低的問題。但是由于EPS等材料在抗壓強度方面無法和傳統(tǒng)材料相媲美，因此免燒輕集料筒壓強度也相應(yīng)降低，在0.4～7 MPa內(nèi)[41]，如果合理控制密度范圍在550～780 kg/m3，仍然可以確保較高的比強，達到輕質(zhì)高比強的效果?？傮w來說，免燒輕集料的低密度高比強技術(shù)和應(yīng)用還很匱乏[43]，免燒輕集料的比強仍然有待進一步提高，功能化仍然可以進一步改善。

1.2.2 殼層強化技術(shù)

為進一步改進免燒輕集料的性能，如降低吸水率，提高比強等，有部分研究者采用了包殼技術(shù)，即在球體外圍增加一層薄殼，取得了一定的成果，如表5所示。

表5 殼層強化免燒輕集料的性能Table 5 Properties of non-sintered lightweight aggregate by shell strengthening

續(xù)表

綜上所述，現(xiàn)有的殼層強化技術(shù)更有利于降低吸水率，而對提高比強效果有限。堆積密度在608～856 kg/m3、筒壓強度為3.1～8.7 MPa的免燒輕集料，吸水率可從22%～44%降至3%～32%，吸水率降幅在90%～30%，而強度增幅僅約10%。因此，有待研究更高效的殼層強化技術(shù)，以實現(xiàn)免燒輕集料的輕質(zhì)高比強性能。

除了包殼技術(shù)，Tang等[46]嘗試加入聚丙烯纖維來改善免燒輕集料的性能，纖維的添加使造粒過程中球團壓實更加困難，孔隙增加，同時由于纖維的橋接作用，免燒輕集料在降低密度的同時可提高強度，從而實現(xiàn)比強的提高。

1.3 養(yǎng)護方式對免燒輕集料性能的影響

免燒輕集料的制備工藝主要在于成球工藝和后期養(yǎng)護兩個方面，成球工藝多采用成球造粒的方式。對于養(yǎng)護方式的選擇，Tajra等[48]認為，相較于在水中和相對濕度65%的條件下，在相對濕度99%的養(yǎng)護條件下輕集料具有更高的強度。Manikandan等[49]認為蒸壓養(yǎng)護和蒸汽養(yǎng)護都能加速強度的提高，適合用來加速水化過程，縮短養(yǎng)護時間，且蒸壓養(yǎng)護比蒸汽養(yǎng)護的強度高25%，蒸壓養(yǎng)護10 h的輕集料的性能接近于28 d正常水養(yǎng)強度的86%。鄒志祥等[50]認為免燒輕集料的早期強度隨蒸養(yǎng)時間的延長而明顯增強，但是增加蒸養(yǎng)時間和升高蒸養(yǎng)溫度，對28 d的強度影響不大。龐超明等[51]研究了40 ℃、60 ℃、80 ℃蒸養(yǎng)不同時間對輕骨料力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)蒸養(yǎng)溫度和成熟度模數(shù)對早期力學(xué)性能影響較大，隨著蒸養(yǎng)溫度和成熟度模數(shù)的增加，單顆承載力在7 d幾乎呈線性增加，而到28 d后相差不大。謝士兵等[52]認為蒸汽養(yǎng)護的時間不宜太長，蒸汽養(yǎng)護8 h后，免燒輕集料的強度隨著蒸養(yǎng)時間的增加而降低，當(dāng)養(yǎng)護10 h時，輕集料表面可能會出現(xiàn)破損和裂縫，因此他提出最佳養(yǎng)護條件為：首先在室溫約25 ℃下自然硬化1.5 h，再放入110 ℃烘箱內(nèi)烘1.5 h，最后采用100 ℃蒸養(yǎng)8 h。

除了傳統(tǒng)養(yǎng)護方式，有學(xué)者研究了微波養(yǎng)護法的效果。Franus等[53]認為微波加熱技術(shù)會使輕集料的礦物成分發(fā)生變化，延長微波加熱時間，可以增加輕集料中的孔體積；吳庭楓[54]認為利用微波處理可以加快制備過程，但微波功率過大或處理時間過長會對輕集料的性能造成破壞，因此微波功率為600 W，處理時間為10 min時，綜合性能最佳，孔隙率為42.89%，抗壓強度由15 MPa提升至16.35 MPa。

還有研究者使用其他方式處理輕集料，如吳宇豪等[55]為了進一步提高輕集料的孔隙率，在輕集料養(yǎng)護若干時間后將其放入含有超聲波的清洗儀器中，輕集料的閉口孔隙率提升至12.77%，導(dǎo)熱系數(shù)降至0.175 W/(m·K)。但輕集料的筒壓強度顯著下降，而且由于超聲波破壞水化產(chǎn)物，顆粒之間的黏結(jié)性下降。

免燒輕集料的生產(chǎn)更注重養(yǎng)護成本和時間效率，采用8～10 h蒸汽養(yǎng)護較為常見。對于微波養(yǎng)護及其他特殊養(yǎng)護方法，相關(guān)研究還較少，如何通過特殊養(yǎng)護更有效地提高免燒輕集料的性能，并了解其機理等有待進一步探索。

2 免燒輕集料在混凝土中的應(yīng)用及性能

輕集料混凝土是使用輕集料代替石子或砂子制備而成的混凝土，具有密度低、抗震性能好、吸聲性能好、保溫性能好等優(yōu)點，成為當(dāng)代混凝土發(fā)展的方向之一[56]。按用途可分為三種類型:結(jié)構(gòu)工程用輕集料混凝土、結(jié)構(gòu)承重兼保溫性能要求的輕集料混凝土(如墻體屋面)、保溫為主的輕集料混凝土及超輕輕集料混凝土[57]。部分研究得到的輕集料混凝土的密度及對應(yīng)的強度如表6所示。

表6 免燒輕集料混凝土性能Table 6 Properties of non-sintered lightweight aggregate concrete

由表6可知，采用免燒輕集料可制備密度在1 500～2 100 kg/m3的輕集料混凝土，其對應(yīng)的強度在18～60 MPa，且一般隨著密度的提高，抗壓強度相應(yīng)提高[18，28]。Güneyisi等[60]提出可以通過降低混凝土中輕集料含量來獲得更高的抗壓強度。李云鵬等[61]試配LC20強度的粉煤灰輕集料混凝土，抗壓強度達29.9 MPa，經(jīng)過工業(yè)化測試后可用于煤礦井下巷道支護。配合比相同，使用同體積干燥狀態(tài)的免燒輕集料替代石子，在不同水膠比(0.30、0.38、0.58)下，混凝土的90 d抗壓強度分別從約55 MPa、45 MPa、39 MPa降至約39 MPa、37 MPa、35 MPa，但流動性能優(yōu)于普通混凝土[19]。輕集料的強度和性能是決定輕集料混凝土抗壓強度的最主要因素[27，62]，但一般僅限于混凝土設(shè)計強度高于輕集料自身強度的輕集料混凝土。

由于輕集料混凝土具有良好的保溫性能，因此導(dǎo)熱性能對于保溫輕集料混凝土而言是非常重要的指標(biāo)。無疑，導(dǎo)熱性能也與輕集料混凝土本身的密度相關(guān)，一般認為，密度越低，強度也越低，導(dǎo)熱性能越好，表7列出了在相應(yīng)密度下免燒輕集料混凝土或輕集料微孔混凝土對應(yīng)的強度和導(dǎo)熱系數(shù)。

表7 免燒輕集料混凝土的強度和導(dǎo)熱系數(shù)Table 7 Strength and thermal conductivity of non-sintered lightweight aggregate concrete

對比普通輕集料混凝土，免燒輕集料混凝土雖然強度較低，但是其在保溫隔熱方面具有較大優(yōu)勢，尤其是核殼結(jié)構(gòu)免燒輕集料混凝土。對絕熱材料和保溫材料，一般要求導(dǎo)熱系數(shù)分別不大于0.23 W/(m·K)和0.14 W/(m·K)[67]，顯然，大多數(shù)輕集料混凝土難以滿足保溫混凝土的要求。但低密度、低導(dǎo)熱系數(shù)、高比強是建筑維護結(jié)構(gòu)材料永遠的追求，有研究利用堆積密度為380～530 kg/m3的免燒輕集料制備的強度在9.5～13.4 MPa的高比強輕集料微孔混凝土，導(dǎo)熱系數(shù)為0.195～0.223 W/(m·K)[65]，可以滿足絕熱材料的要求。進一步提高比強、進一步優(yōu)化經(jīng)濟性是保溫輕集料混凝土的研發(fā)方向，而其中輕集料自身的低密度和高比強在其中起著至關(guān)重要的作用。

同時需指出，由于核殼免燒輕集料吸水快速且易飽和，采用免燒輕集料制備多孔輕集料混凝土施工簡單，無需提前數(shù)小時浸泡，只需提前數(shù)分鐘簡單噴水預(yù)濕即可；另外，即使吸水率高，但相較普通混凝土或燒結(jié)輕集料混凝土，免燒輕集料混凝土具有更優(yōu)的流動性和更佳的泵送性能，其承受3.0 MPa 10 s和140 s的壓力泌水量分別為2.2～4.0 mL與4.8～10.0 mL，遠低于普通混凝土140 s的壓力泌水量40～110 mL[68]。因此，不必對免燒輕集料提出過低吸水率的要求，且較高的含水還可以對混凝土起到內(nèi)養(yǎng)護的作用。燒結(jié)輕集料因為表面釉層的致密性，會阻礙水的快速滲入或滲出，使得其在1 h甚至更長時間內(nèi)仍會緩慢吸水，從而影響混凝土澆筑時的流動性；而一旦采用泵送工藝，泵送時的高泵送壓力會加速外界水分往輕集料內(nèi)部的滲透，從而影響泵送性能。

綜上所述，普通免燒輕集料混凝土表觀密度在1 500～2 200 kg/m3，抗壓強度在14.8～58.3 MPa。核殼結(jié)構(gòu)免燒輕集料微孔混凝土表觀密度在1 008～1 480 kg/m3，抗壓強度在9.5～37.6 MPa，導(dǎo)熱系數(shù)在0.20～0.34 W/(m·K)，保溫性能較好，且制備混凝土?xí)r，工作性好，易于實現(xiàn)泵送施工。因此，發(fā)展核殼結(jié)構(gòu)免燒輕集料混凝土對于混凝土輕質(zhì)高強、功能化發(fā)展具有重要意義。

3 免燒輕集料在其他領(lǐng)域中的應(yīng)用

除了應(yīng)用于混凝土，使用廢棄材料制作的免燒輕集料還可以進一步用于處理廢氣、廢水等非固體污染排放物，實現(xiàn)環(huán)境保護與可持續(xù)發(fā)展。使用免燒輕集料處理非固體污染排放物具有良好的經(jīng)濟性，可以節(jié)約污染治理成本。李猛[38]將總表面積為12.74 m2/g的免燒輕集料應(yīng)用于曝氣生物濾池進行生活污水處理，結(jié)果表明化學(xué)需氧量(chemical oxygen demand, COD)和對NH3-N的去除率比普通輕集料更好；劉子述等[69]將利用污泥生產(chǎn)出的免燒輕集料投入曝氣生物濾池處理生活污水，達到經(jīng)濟節(jié)能、變廢為寶的目的；謝士兵等[70]通過粉煤灰免燒輕集料與活性炭顆粒在曝氣生物濾池中的對比試驗得出，免燒輕集料的生物性能與活性炭顆粒相近，但成本僅為活性炭顆粒的1/7，將其應(yīng)用于污水處理的經(jīng)濟效果明顯。

免燒輕集料因其具有多孔結(jié)構(gòu)，還被用于制作吸音產(chǎn)品。朱萬旭等[42]以核殼型粉煤灰免燒輕集料制作吸音板，可降噪3～5 dB；朱萬旭等[28]又以建筑垃圾為原料制備的免燒輕集料制成多孔吸聲降噪材料，滿足力學(xué)性能要求的同時，吸聲系數(shù)為0.55，制備的吸聲板的降噪系數(shù)為0.8，并在南寧地鐵得以應(yīng)用；Wu等[35]利用多孔免燒輕集料制成的混凝土以減輕地鐵噪聲，吸聲系數(shù)為0.85，根據(jù)GB/T 16731—1997可達到Ⅰ級建筑吸聲產(chǎn)品；黃煥晟等[71]制備的多孔免燒粉煤灰輕集料開口孔隙率為32.67%，平均孔徑為0.36 μm，且孔結(jié)構(gòu)有序均勻排列，具有良好的吸聲性能；李志勇等[72]使用LC30強度粉煤灰輕集料混凝土作為煤礦采空區(qū)隔離墻，成功使漏風(fēng)率由20.4%降低至4.9%。

盡管免燒輕集料已在回收以及處理工業(yè)廢棄物、處理廢氣廢水和吸音降噪等方面得到應(yīng)用，但是總體而言，其應(yīng)用量仍然較少，應(yīng)用面仍然相對狹窄。拓寬免燒輕集料的應(yīng)用面不僅能提高其原料如粉煤灰、工業(yè)廢渣、淤泥等廢棄材料的利用效率，而且對免燒輕集料功能化發(fā)展具有積極的推動作用。

4 免燒輕集料的功能化思考

研究[73]顯示，石蠟作為常用相變材料，其相變溫度為20～60 ℃，適宜應(yīng)用于建筑的儲能和溫度調(diào)節(jié)中，能夠顯著改善室內(nèi)溫度波動。為了提高石蠟的摻量，張運華等[74]引入造孔劑在基體中產(chǎn)生氣孔來增加石蠟的存儲空間，減少石蠟滲出，當(dāng)造孔劑質(zhì)量摻量由0%提升至4%時，石蠟在相變水泥基材料中不滲漏的質(zhì)量摻量由5.0%提高至7.2%。因此將石蠟吸附或封裝到輕集料中的思路引發(fā)相關(guān)研究，若采用常壓浸漬法吸附石蠟，吸附率僅為12.2%～25.5%，若采用真空法吸附石蠟，吸附率可達58%[75]。因建筑用相變材料易泄露，其封裝技術(shù)一直是研究重點。石磊[76]以燒結(jié)輕集料為載體，通過真空吸附法對石蠟進行吸附后再用環(huán)氧樹脂封裝；因環(huán)氧樹脂是一種昂貴的封裝材料，為了減少環(huán)氧層的厚度，有研究[77]將純環(huán)氧樹脂封裝層改為環(huán)氧樹脂、納米硅粉和石墨粉的混合物；孟多等[78]用真空浸漬法將石蠟滲透到膨脹珍珠巖中，采用白乳膠作為封裝材料，結(jié)果發(fā)現(xiàn)膨脹珍珠巖中僅有21.16%的孔隙吸附石蠟，其吸附率較低?？傮w而言，這種利用多孔材料真空吸附相變材料然后封裝的方法，吸附效率低，而且封裝效果不好。Guardia等[79]通過加入質(zhì)量比10%～20%的微膠囊相變材料增加了砂漿的焓，提高了水泥砂漿的儲熱性能；Jayalath等[80]用微囊化的相變材料代替水泥砂漿和混凝土中的細輕集料，進一步研究認為20%的體積替代是微囊化的相變材料的最佳含量，但會導(dǎo)致抗壓強度降低27%。由此可知，若直接將相變材料加入混凝土中，其在混凝土中摻量較低；若使用微囊化的相變材料，不僅制備工藝復(fù)雜，而且導(dǎo)致混凝土強度損失較大。

核殼結(jié)構(gòu)免燒輕集料可以通過改變內(nèi)核材料的功能使輕集料具有功能性，用相變內(nèi)核則可以制備具有儲能功能的輕集料[81]，如使用其他功能材料為內(nèi)核，同樣可以使材料具有其他功能性，如采用具有自愈合組分或納米TiO2的光催化組分等使之具備自響應(yīng)的功能[10]。

輕集料功能化對于混凝土輕質(zhì)高強、功能化發(fā)展具有重要意義?？傮w看來，利用相變材料可有效提高建筑的蓄熱能力，但摻量低且影響強度，儲能效果不突出。采用核殼結(jié)構(gòu)免燒輕集料的制備方法，相變材料做核，而采用成球技術(shù)包裹，是一種天然的封裝方法，在確保相變材料高含量的同時，能實現(xiàn)有效的封裝，如果再輔以其他表面封裝方式，改進表層強化技術(shù)，有望解決相變材料的泄露問題，實現(xiàn)完全不泄露也將成為可能，從而實現(xiàn)核殼結(jié)構(gòu)輕骨料的功能化。然而也存在一系列的科學(xué)問題，如合適相變材料的選擇、如何實現(xiàn)高效封裝、相變材料與殼層的界面處理技術(shù)等。

總體來說，免燒輕集料本身能夠回收利用大量工業(yè)廢棄物，且無需高溫?zé)Y(jié)，能耗低，節(jié)能環(huán)保，但各種技術(shù)仍有很大進步空間，應(yīng)用前景相當(dāng)廣闊。學(xué)者們從開發(fā)新的原料到應(yīng)用核殼技術(shù)推動了免燒輕集料輕質(zhì)高強化的發(fā)展，進而衍生出了更多功能化的要求，如進一步提高保溫能力、隔音能力、智能恒溫性能等。核殼技術(shù)的內(nèi)核功能化與殼層強化技術(shù)的結(jié)合，可推動免燒輕集料輕質(zhì)高強、功能化的發(fā)展，但尚存在很多亟待研究的課題，如合理內(nèi)核材料的選擇、內(nèi)核的界面改性技術(shù)、殼層的強化技術(shù)和封裝技術(shù)、免燒輕集料的生產(chǎn)工藝和產(chǎn)業(yè)化、新型核殼材料的應(yīng)用等。

5 結(jié)語與展望

(1)一般粉煤灰免燒輕集料密度為800～1 000 kg/m3，筒壓強度在5 MPa以上。采取輕質(zhì)材料或成孔技術(shù)降低密度，其密度仍難以降低到750 kg/m3以下；而利用核殼結(jié)構(gòu)技術(shù)，密度可進一步降低至380～780 kg/m3，突破了免燒輕集料密度無法大幅降低的瓶頸問題。

(2)對免燒輕集料進行有效的殼層強化技術(shù)，如采用水泥和白乳膠包殼或表面噴灑水玻璃技術(shù)，能大幅降低吸水率，但對比強提高有限；在表面采用防水劑處理僅能降低吸水率，但對比強改善不大，有待發(fā)展更優(yōu)異的殼層強化技術(shù)。

(3)普通免燒輕集料混凝土表觀密度在1 500～2 200 kg/m3，抗壓強度在14.8～58.3 MPa；采用輕集料微孔技術(shù)，干密度可進一步降低至1 008～1 480 kg/m3，抗壓強度仍然可保持在9.5～37.6 MPa，此時導(dǎo)熱系數(shù)可降低至0.20～0.34 W/(m·K)，吸聲性能更優(yōu)良,且采用免燒輕集料制備多孔輕集料混凝土，相較普通混凝土具有更佳的泵送性能。

(4)免燒輕集料具備對廢水、廢氣等非固體工業(yè)排放物的凈化作用，同時也可以用于制作吸音降噪產(chǎn)品。

(5)免燒輕集料應(yīng)用前景廣闊，但各種技術(shù)仍需大力發(fā)展，可采用多種技術(shù)結(jié)合進一步推動免燒輕集料向輕質(zhì)高強、功能化的方向發(fā)展。