超輕質(zhì)泡沫混凝土與燒結(jié)頁巖復合保溫砌塊的制備及性能

夏艷梅 馬 立

(西南科技大學土木工程與建筑學院 四川綿陽 621010)

目前，建筑能耗在社會總能耗中占有極大比例。中國建筑節(jié)能協(xié)會2020年發(fā)布的《中國建筑能耗研究報告》[1]表明，2018年中國建筑能耗為292.71×109GJ，占全國能源消費總量比重為21.7%。建筑領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)雙碳目標的重要途徑之一是研發(fā)新型建筑墻體材料[2]。

在中國，超過75%的陸地表面被沉積巖覆蓋，其中頁巖占比高達70.5%[3]。頁巖儲存量豐富，易于開采，燒結(jié)頁巖類制品具有優(yōu)良的熱工性能，是建筑墻體最有前景的新型材料之一[4]。經(jīng)調(diào)研，普通燒結(jié)頁巖空心磚保溫性能無法滿足夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準。提高燒結(jié)頁巖空心砌塊熱工性能的主要技術(shù)途徑是復合保溫。

泡沫混凝土由于其輕質(zhì)、保溫隔熱、耐火等特性受到人們重視[5]。Roberz等[6]研究了作為建筑圍護結(jié)構(gòu)中新型建筑材料超輕質(zhì)泡沫混凝土的使用性能，指出超輕質(zhì)泡沫混凝土材料是一種適合建筑結(jié)構(gòu)保溫的理想材料。文獻[7-8]借助壓泵法和圖像分析技術(shù)Image-Pro plus等測試手段，考察粉煤灰對泡沫混凝土微觀孔的改善作用，研究發(fā)現(xiàn)適量摻入粉煤灰可以減少泡沫混凝土氣孔中的多害孔，提升泡沫混凝土的抗?jié)B能力。杭美艷等[9]研究發(fā)現(xiàn)，用粉煤灰和礦渣粉取代部分水泥，水膠比為 0.41 時，形成的泡沫混凝土性能穩(wěn)定，不易塌模。宋強等[10]研究泡沫混凝土密度與導熱系數(shù)的關(guān)系得出混凝土的密度、孔隙率、發(fā)泡劑和摻合料是影響導熱系數(shù)的主要因子，其中密度對泡沫混凝土導熱系數(shù)的影響尤為明顯。

本課題提出在優(yōu)化燒結(jié)頁巖空心砌塊孔型結(jié)構(gòu)和構(gòu)造尺寸的基礎(chǔ)上，填充無機保溫材料，制備一種超輕質(zhì)泡沫混凝土與燒結(jié)頁巖復合的高性能保溫砌塊。通過探討粉煤灰摻量、水膠比、雙氧水摻量對超輕質(zhì)泡沫混凝土熱工性能的影響確定了原料的最優(yōu)配比，實測了最優(yōu)原材料配比復合砌塊的熱工性能與力學性能，有助于超輕質(zhì)泡沫混凝土在自保溫墻體材料中的推廣應用。

1 實驗

燒結(jié)頁巖復合保溫砌塊由芯材和基材兩部分組成，選擇傳統(tǒng)燒結(jié)頁巖作為基材燒制框組合結(jié)構(gòu)，芯材為化學發(fā)泡方式制備的超輕質(zhì)泡沫混凝土。

1.1 超輕質(zhì)泡沫混凝土制備

1.1.1 超輕質(zhì)泡沫混凝土原料

P.O 42.5R普通硅酸鹽水泥(OPC)，符合《通用硅酸鹽水泥》(GB 175—2020)要求；二級粉煤灰，河南鉑潤鑄造材料化工廠；硅灰，SiO2質(zhì)量分數(shù)94%，河南義翔新材料化工廠；穩(wěn)泡劑，白色粉末，廣東凱思普化工廠；促凝劑，碳酸鋰，白色粉末，河南義翔新材料化工廠；憎水劑，硬脂酸鈣，鈣質(zhì)量分數(shù)6.0%～7.0%，游離酸(以硬脂酸計)≤0.5%，廣東鼎海塑膠化工廠；減水劑，萘系減水劑，黃棕色粉末，硫酸鈉質(zhì)量分數(shù)18%，山東優(yōu)索化工廠；纖維，聚丙烯纖維，長度15 mm，斷裂伸長率≥15%，河北晴俊化工廠;發(fā)泡劑,雙氧水，體積分數(shù)30%,水浴加熱至65 ℃；自來水，水溫為45 ℃。

表2 P.O 42.5R 水泥的物理性能Table 2 Physical properties of P.O 42.5R cement

1.1.2 超輕質(zhì)泡沫混凝土配合比設計

超輕質(zhì)泡沫混凝土外加劑配合比(以水泥質(zhì)量為1)如表3所示。

表3 超輕質(zhì)泡沫混凝土外加劑配合比Table 3 Admixture ratio of ultra-lightweight foamed concrete ω/%

試驗原料配比參考文獻[11]進行調(diào)整設計。粉煤灰、雙氧水、水膠比是影響導熱系數(shù)的重要因素，所以粉煤灰、雙氧水、水膠比選擇不同摻量(質(zhì)量分數(shù)，下同)和等級，芯材部分表觀密度控制在120 kg/m3，其配合比設計見表4。按表4配方制備13組試樣，規(guī)格為100 mm×100 mm×100 mm，外加劑共26.4 g。

表4 超輕質(zhì)泡沫混凝土原料配合比Table 4 The mixing ratio of ultra-lightweight foamed concrete m/g

1.2 燒結(jié)頁巖復合保溫砌塊基體設計

基于工程應用和生產(chǎn)條件，采用數(shù)值模擬方法對燒結(jié)頁巖空心磚進行優(yōu)化設計，尺寸規(guī)格為240 mm×230 mm×200 mm，設計8排孔。

1.3 燒結(jié)頁巖復合保溫砌塊芯材灌注

(1)澆筑前準備：先清理基體殘渣，使?jié)仓婀ぷ髋_保持干凈；基體提前3 d進行灑水預濕處理，以增強澆筑層與基層之間的結(jié)合力，防止基體吸收漿內(nèi)水分引起泡沫破滅。

(2)生產(chǎn)泡沫混凝土：按配比稱量原料、混合均勻，以20～40 r/min的速度攪拌漿液，預制泡沫混凝土。

(3)灌注成型：在砌塊底部鋪防漏墊層，將制備的泡沫混凝土漿灌入砌塊大孔中，充分發(fā)泡后，將溢出的部分刮掉。

(4)養(yǎng)護：待漿體初凝，覆蓋薄膜，保持漿體水分并防裂，薄膜表面灑水2～3次，1 d后將薄膜取下，自然養(yǎng)護4 d。

超輕質(zhì)泡沫混凝土灌注流程如圖1所示，燒結(jié)頁巖復合保溫砌塊外觀如圖2所示。

圖1 超輕質(zhì)泡沫混凝土灌注流程Fig.1 The pouring process of ultra-lightweight foamed concrete

圖2 燒結(jié)頁巖復合保溫砌塊外觀 Fig.2 Appearance of sintered shale composite insulation block

1.4 測試方法

泡沫混凝土的表觀密度根據(jù)《蒸壓加氣混凝土性能試驗方法》(GB/T 11969—2020)測試，烘干至恒重后測量。

泡沫混凝土導熱系數(shù)采用XIATECH TC3000E導熱系數(shù)儀測定，儀器測試范圍0.001～10 W·m-1·K-1，測試結(jié)果相對誤差不超過±3%。

復合保溫砌塊抗壓強度根據(jù)《混凝土砌塊和磚試驗方法》(GB/T 4111—2013)測試，測試儀器為WHY-2000型壓力試驗機。

圍護結(jié)構(gòu)熱工性能參考《絕熱—穩(wěn)態(tài)傳熱性質(zhì)的測定—標定和防護熱箱法》(GB/T 13475—2008)測試，測試條件為：熱側(cè)溫度40 ℃，冷側(cè)溫度5 ℃，溫差保持35 ℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 超輕質(zhì)泡沫混凝土性能研究

宋強等[10]研究表明：泡沫混凝土原料中粉煤灰摻量、發(fā)泡劑摻量、水膠比是影響其導熱系數(shù)的主要因素。粉煤灰影響泡沫混凝土水化產(chǎn)物和孔隙分布，發(fā)泡劑可以改變泡沫混凝土內(nèi)在孔隙及孔徑大小，水膠比影響漿料的流動性和氣孔成型率。本研究制備的泡沫混凝土斷面結(jié)構(gòu)如圖3所示。在單一因素研究基礎(chǔ)上，我們進一步分析了多因素復合對泡沫混凝土導熱系數(shù)和表觀密度的影響。

圖3 泡沫混凝土斷面圖Fig.3 Section view of foamed concrete block

2.1.1 粉煤灰摻量對泡沫混凝土性能的影響

粉煤灰是發(fā)電廠生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的工業(yè)固體廢棄物，含有大量氧化鋁和硅，由各種微小顆?；旌隙桑渲写蟛糠质乔蛐尾Ａw。用粉煤灰取代部分水泥，可以減少水泥廠生產(chǎn)過程中的二氧化碳排放，有助于降低水泥廠產(chǎn)生的污染，同時粉煤灰的細度有助于提高混凝土性能[12]。如圖4所示，水膠比相同時，隨著粉煤灰摻量增加，泡沫混凝土表觀密度和導熱系數(shù)均呈現(xiàn)下降趨勢。當粉煤灰摻量由20% 增加到25%時，表觀密度降低幅度超過13%；粉煤灰摻量由25% 增加到30%時，泡沫混凝土表觀密度下降速度較為緩慢，為10%，說明粉煤灰摻量大于25% 后繼續(xù)遞增，對表觀密度影響開始變小。當粉煤灰摻量30% 時，烘干后的試件導熱系數(shù)達到0.059 W·m-1·K-1，與10% 粉煤灰摻量的導熱系數(shù)0.068 W·m-1·K-1相比，其導熱系數(shù)下降了13.2%。表觀密度和導熱系數(shù)下降的原因可能是由于粉煤灰對泡沫混凝土骨架產(chǎn)生了影響：首先，粉煤灰摻入后減少了水泥用量，粉煤灰結(jié)構(gòu)疏松，其密度小于水泥密度，所以泡沫混凝土的表觀密度會隨之降低；其次，因為部分粉煤灰顆粒為球型玻璃體，屬于多孔結(jié)構(gòu)，所以熱量傳輸過程會受到阻礙，因此泡沫混凝土導熱系數(shù)隨著粉煤灰摻量增加而減小。

圖4 粉煤灰摻量對泡沫混凝土表觀密度和導熱系數(shù)的影響Fig.4 Influence of fly ash content on density and thermal conductivity of foamed concrete

2.1.2 雙氧水摻量對泡沫混凝土性能的影響

發(fā)泡劑(雙氧水)決定了泡沫混凝土的內(nèi)部孔洞結(jié)構(gòu)，并最終影響其性能。由圖5可知，隨著雙氧水摻量由7% 增至12%，泡沫混凝土表觀密度下降明顯，降低了55.2%，導熱系數(shù)降低了26.2%，尤其是雙氧水摻量10.0%～11.7% 時，試件的表觀密度及導熱系數(shù)下降幅度最大。經(jīng)測試雙氧水摻量為11.7% 的試件表觀密度最低，達到103 kg/m3，導熱系數(shù)達到 0.056 W·m-1·K-1，符合《泡沫混凝土》(JG/T 266—2011)行業(yè)標準對超輕質(zhì)泡沫混凝土性能的要求。文獻[13-14]表明，當泡沫混凝土達到相對穩(wěn)定狀態(tài)時，若繼續(xù)增大摻量，會加快雙氧水反應速率，造成孔徑變大，連通孔數(shù)量增多，一旦連通率增高，泡沫混凝土內(nèi)部孔洞中氣體對流傳導作用增大，反而使導熱系數(shù)變大。

圖5 雙氧水摻量對泡沫混凝土表觀密度和導熱系數(shù)的影響Fig.5 Influence of hydrogen peroxide content on density and thermal conductivity of foamed concrete

2.1.3 水膠比對泡沫混凝土性能的影響

在泡沫混凝土制備過程中，用水量直接影響漿料發(fā)泡程度，由圖6可知，泡沫混凝土的表觀密度及導熱系數(shù)與水膠比有明顯聯(lián)系。試驗水溫控制在45±2 ℃，發(fā)泡時間保持為3 min，試驗結(jié)果顯示，當水膠比低于0.53時，漿料稍稠，會導致混凝土攪拌不均勻，最終生成的泡沫混凝土出現(xiàn)氣孔大小不一、分布不均的現(xiàn)象，試件表觀密度達到140 kg/m3。隨著水膠比的增加，泡沫混凝土表觀密度和導熱系數(shù)均下降，當超過0.55時，漿料流動性過大，會導致發(fā)泡反應劇烈，形成大量大孔、連通孔，出現(xiàn)塌?，F(xiàn)象，反應極不穩(wěn)定。水膠比為0.53～0.55形成的氣泡分布均勻近似圓形、孔洞大小適宜，干表觀密度在120±15 kg/m3，導熱系數(shù)0.056±0.003 W·m-1·K-1，此時的泡沫混凝土穩(wěn)定性較強，性能較好。

圖6 水膠比對泡沫混凝土表觀密度和導熱系數(shù)的影響Fig.6 Influence of water-binder ratio on density and thermal conductivity of foamed concrete

2.1.4 泡沫混凝土密度與導熱系數(shù)的關(guān)系

綜合以上分析，發(fā)現(xiàn)泡沫混凝土導熱系數(shù)與表觀密度高度相關(guān)。圖7為泡沫混凝土導熱系數(shù)與表觀密度的擬合曲線。從圖7可以看出，隨著表觀密度的增加，泡沫混凝土的導熱系數(shù)也呈增大趨勢。圖7中的擬合曲線接近于線性關(guān)系，而指數(shù)關(guān)系不明顯，是因為所測試的泡沫混凝土表觀密度集中在低密度100～250 kg/m3，屬于超輕質(zhì)泡沫混凝土，在該范圍內(nèi)，隨著密度的增大，對傳熱路徑的影響并不大。

圖7 泡沫混凝土密度與導熱系數(shù)關(guān)系擬合曲線Fig.7 Fitting curve of foam concrete density and thermal conductivity

經(jīng)上述分析，最終確定最優(yōu)配比的粉煤灰摻量為30%，雙氧水摻量為11.7%，水膠比0.55。經(jīng)多次重復實驗測試，泡沫混凝土導熱系數(shù)0.056～0.062 W·m-1·K-1，表觀密度100～115 kg/m3，滿足無機保溫材料性能要求。

2.2 燒結(jié)頁巖復合保溫砌塊性能研究

在夏熱冬冷地區(qū)，建筑墻體厚度基本限定在240 mm，加厚砌塊尺寸和組砌復合砌體很難實現(xiàn)保溫性能的增加。近年來關(guān)于自保溫砌塊研究成果[15-16]和相關(guān)規(guī)范表明，在保證強度的前提下，孔洞率與導熱系數(shù)呈線性關(guān)系。文獻[17]測定了在孔洞率相同情況下不同孔型對平均傳熱系數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)矩形孔的平均傳熱系數(shù)最小。謝厚禮[18]的研究結(jié)果表明，空心磚熱流方向孔排數(shù)越多，孔洞排布錯亂，其當量導熱系數(shù)越小，當砌塊中的空氣層寬度減小到10 mm左右時，間層內(nèi)空氣熱導率幾乎與靜止空氣的熱導率相同。

根據(jù)《燒結(jié)空心磚和空心砌塊》(GB/T 13545—2014)要求并參考相關(guān)研究，設計出中間預留4個孔洞灌注泡沫混凝土(孔寬10 mm，外壁12 mm，肋寬8 mm)、孔洞率為52%的燒結(jié)頁巖空心砌塊，對其熱工性能進行分析。

2.2.1 理論計算

根據(jù)《民用建筑熱工設計規(guī)范》(GB 50176—2016)附錄C熱工設計計算公式，對復合保溫砌塊熱阻進行計算。燒結(jié)頁巖復合保溫砌塊尺寸為240 mm×230 mm×200 mm,考慮空氣導熱、對流、輻射等影響，15 mm的空氣當量導熱系數(shù)取0.093 W·m-1·K-1，38 mm 的空氣當量取0.217 W·m-1·K-1。材料導熱系數(shù)如表5所示。計算簡圖如圖8所示。

表5 墻體試件材料熱工性能參數(shù)Table 5 Thermal performance parameters of retaining wall specimens

圖8 復合保溫砌塊熱阻計算簡圖Fig.8 Calculation diagram of thermal resistance of composite insulation block

其中：Rou為與熱平行方向通道熱阻；fa，fb，…fq為與熱流平行各部分面積占總面積的百分比；Roua，Roub，…Rouq為與熱流平行方向各部分的熱阻，m2·K·W-1。

Rou，Rol熱阻值如表6、表7所示。

表6 與熱流平行方向通道熱阻Table 6 Thermal resistance of channel parallel to direction with heat flow

表7 與熱流垂直方向通道熱阻Table 7 Thermal resistance of channel in vertical heat flow

各部分外表面換熱熱阻Ro=0.11 m2·K·W-1，內(nèi)表面換熱熱阻Ri=0.05 m2·K·W-1。

理論計算得出傳熱系數(shù)R=0.75 W·m-2·K-1。

2.2.2 熱工性能測試

采用項目組研制的配套保溫砂漿，將燒結(jié)頁巖復合保溫砌塊按照測試要求砌筑成1 m×1 m砌體，砌體內(nèi)外側(cè)各抹10 mm保溫砂漿，形成熱工性能測試用試件，該試件自然養(yǎng)護28 d后使用防護熱箱熱傳遞性質(zhì)檢測系統(tǒng)進行測試。

砌筑完成后，將溫度傳感器用錫箔紙粘貼到測試試件表面，連續(xù)測試 3 d，待傳熱穩(wěn)定后，測試出的R2值與前24 h測試的R1值誤差小于5%，測試結(jié)束。

由圖9可以看出，當墻體傳熱達到穩(wěn)定時，墻體冷熱表面溫度差值不大，熱流會有微小波動。最終得到測試墻體的傳熱系數(shù)為0.69 W·m-1·K-1，達到0.7級，與理論計算結(jié)果相差8%，在允許誤差范圍(0～10%)內(nèi)。表明該復合保溫砌塊保溫效果好，滿足夏熱冬冷地區(qū)建筑節(jié)能。

圖9 溫度和熱流變化曲線圖Fig.9 Curves of temperature and heat flow

2.2.3 力學性能測試

如圖10(a)所示，在受壓破壞過程中，燒結(jié)頁巖空心砌塊承受主要壓應力，隨著壓應力持續(xù)增加，中間泡沫混凝土孔洞逐漸破壞、框架結(jié)構(gòu)外壁在豎肋處慢慢出現(xiàn)裂縫，破壞形態(tài)如圖10(b)所示。從表8可以看出，燒結(jié)頁巖復合保溫砌塊平均抗壓強度為5.78 MPa(變異系數(shù)≤0.21)，強度等級達到MU7.5。

圖10 燒結(jié)頁巖復合保溫砌塊抗壓強度測試Fig.10 Test of compressive strength of sintered shale composite insulation block

表8 燒結(jié)頁巖復合保溫砌塊干密度及抗壓強度Table 8 Dry density and compressive strength of sintered shale composite insulation block

3 結(jié)論

以普通硅酸鹽水泥為膠凝材料，摻入粉煤灰、硅灰及外加劑，應用化學發(fā)泡方法制備了一種超輕質(zhì)泡沫混凝土，將其填充入燒結(jié)頁巖空心砌塊中，研制成一種高性能燒結(jié)頁巖復合保溫砌塊。(1)根據(jù)不同原料(粉煤灰、水膠比、雙氧水)配比對超輕質(zhì)泡沫混凝土熱工性能的影響，確定超輕質(zhì)泡沫混凝土最佳配比為：粉煤灰質(zhì)量分數(shù)30%，雙氧水質(zhì)量分數(shù)11.7%，水膠比0.55。超輕質(zhì)泡沫混凝土的導熱系數(shù)為0.056～0.062 W·m-1·K-1，表觀密度100～115 kg/m3。(2)燒結(jié)頁巖復合保溫砌塊砌筑墻體傳熱系數(shù)測試值為0.69 W·m-1·K-1，較普通燒結(jié)頁巖空心磚塊熱工性能提升42.5%，達到傳熱系數(shù)0.7 級;28 d平均抗壓強度為5.78 MPa，強度等級達到MU7.5。滿足夏熱冬冷地區(qū)建筑節(jié)能規(guī)范要求，可以作為墻體自保溫系統(tǒng)的應用材料。