多排孔納米粉煤灰?jiàn)A芯砌塊抗折強(qiáng)度研究

宋國(guó)芳 方娥 蔣榮

1.湖南工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖南 長(zhǎng)沙 410151 2.湖南高速鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖南 衡陽(yáng) 421001

正文：

1 引言

有關(guān)水泥和混凝土摻納米材料研究極具前沿意義，混凝土的微孔隙可被納米材料填充，混凝土的強(qiáng)度和密實(shí)度也會(huì)大大提高，這得益于摻加的納米材料具有較小的顆粒尺寸，并且納米材料具有比表面積大、反應(yīng)活性高等特點(diǎn)。有研究表明，混凝土砌塊中添加納米SiO2材料后，配制出的混凝土砌塊，不僅具有可持續(xù)性好的特點(diǎn)，并且其抗壓強(qiáng)度非常高。我們前期研究了納米SiO2粉煤灰?jiàn)A心砌塊，該砌塊強(qiáng)度較高、保溫性能較好。摻粉煤灰的普通砌塊，有的具有承重能力但不具備保溫性能，有的具有一定的保溫效果但承重性能差，我們研究的砌塊有利于粉煤灰的充分利用，生產(chǎn)的砌塊有利于保溫、節(jié)能及承重。實(shí)驗(yàn)表明70%左右的熱能是通過(guò)建筑物的圍護(hù)結(jié)構(gòu)損失的，而25%的熱量是通過(guò)外墻散失的。增加外墻的節(jié)能措施，減少?lài)o(hù)結(jié)構(gòu)熱能損失，是建筑節(jié)能關(guān)鍵。隨著建筑節(jié)能的標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，如何進(jìn)一步提高納米SiO2粉煤灰?jiàn)A芯砌塊的熱性能，減少熱橋損耗值得進(jìn)一步研究。

在我們之前的研究基礎(chǔ)上，采用正交實(shí)驗(yàn)方法，以砌塊抗壓強(qiáng)度為主要指標(biāo)，優(yōu)化孔洞的排列方式，研制了新一代砌塊---多排孔納米粉煤灰?jiàn)A芯砌塊。砌塊的抗折強(qiáng)度對(duì)砌體抗壓強(qiáng)度具有重要影響，這說(shuō)明砌塊的抗折強(qiáng)度對(duì)于砌體抗壓強(qiáng)度具有重要影響，也說(shuō)明砌體承受復(fù)雜應(yīng)力及獲得較高的抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度有賴(lài)于砌塊的抗折強(qiáng)度。研究者目前未發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)外應(yīng)用納米材料于砌塊的相關(guān)研究，本文通過(guò)正交試驗(yàn)研究了影響摻納米粉SiO2煤灰?jiàn)A芯砌塊抗折強(qiáng)度的因素，為今后同類(lèi)砌塊研究提供參考。

2 試驗(yàn)材料

2.1 水泥

試驗(yàn)中使用的水泥是42.5R普通硅酸鹽水泥（南方牌），部分物理性能如表1所示。

表1 水泥的物理性能（部分）

2.2 粉煤灰

III級(jí)濕排原狀粉煤灰（來(lái)自耒陽(yáng)電廠），見(jiàn)表2。

表2 粉煤灰的部分物理性能及化學(xué)成分

2.3 納米SiO2

納米SiO2（唐山曹妃甸泰弘晟達(dá)新材料有限公司生產(chǎn)）技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表3。

表3 納米SiO2（部分物理性質(zhì)）

2.4 集料

細(xì)集料采用表觀密度為2.167 g/cm3，堆積密度為1.52 g/cm3，細(xì)度模數(shù)為2.162的本地河砂。本實(shí)驗(yàn)使用的粗集料為本地碎石，密度為2.63 g/cm3、粒徑為5～10 mm，我們采用的集料配比為：砂/(砂+石)=0.39。

2.5 其他

本研究采用符合孔洞形狀的聚苯乙烯板及由有機(jī)和無(wú)機(jī)材料組成的外加劑。本研究用水采用自來(lái)水。

3 本研究的設(shè)計(jì)方案

3.1 砌塊大小

本研究為粉煤灰混凝土小型空心砌塊，砌塊大小采用190寬系列，主要砌塊的尺寸為390 mm×190 mm×190 mm。

3.2 孔型設(shè)計(jì)

先前研究的納米粉煤灰?jiàn)A心砌塊具有熱橋現(xiàn)象，采用何種結(jié)構(gòu)形式阻斷熱橋？采用什么樣的成型工藝？是本研究的前提和基礎(chǔ)。孔洞的數(shù)量和尺寸對(duì)砌塊的強(qiáng)度有一定影響，同時(shí)對(duì)聚苯板插入的數(shù)量具有限制作用，從而對(duì)砌塊的保溫隔熱性能產(chǎn)生較大影響。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，我們選擇了一種三排孔設(shè)計(jì)方案，該方案砌塊的優(yōu)點(diǎn)為：砌塊的納米粉煤灰肋的熱傳導(dǎo)路徑被保溫層完全阻擋，故砌塊可獲得較好的保溫隔熱性能，如圖1所示。

圖1 多排孔納米粉煤灰?jiàn)A芯砌塊示意圖（單位：mm）

4 試驗(yàn)方法

4.1 粉煤灰改性

粉煤灰活性對(duì)砌塊的耐久性和強(qiáng)度均有影響，而濕排粉煤灰堆放時(shí)間越長(zhǎng)，其活性越差。本實(shí)驗(yàn)前期研究顯示，粉煤灰占比增多時(shí)，水泥中早期水化產(chǎn)物減少，毛細(xì)孔增大，孔隙率增加，強(qiáng)度下降。本實(shí)驗(yàn)前期研究表明，可提高砌塊早期強(qiáng)度的改性劑，以及無(wú)機(jī)堿類(lèi)激發(fā)劑可使粉煤灰的活性被激發(fā)，這些成分可與 Ca(OH)2產(chǎn)生反應(yīng)，使Al3＋、Si4＋等離子變成有活性的狀態(tài)，水泥的水化及硬化狀態(tài)進(jìn)一步增強(qiáng)，從而提高砌塊的強(qiáng)度，砌塊的后期強(qiáng)度的提高尤為明顯；外加劑的摻加可使毛細(xì)孔道變少，混凝土的性能更好。

4.2 試制砌塊

本研究在湖南高速鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院的建材實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，砌塊通過(guò)加壓振動(dòng)成型的方式來(lái)成型。砌塊成型采用如下工藝：將機(jī)油涂刷于模具壁→組裝好模具→在模具中填料、并將料搗實(shí)→蓋料并將其壓制成型→拆模并將砌塊取出→將聚苯乙烯板插入砌塊的孔內(nèi)。本研究試驗(yàn)分為9組，每組制作6個(gè)砌塊，采用的齡期為28天。

4.3 砌塊的養(yǎng)護(hù)

需要養(yǎng)護(hù)多排孔納米粉煤灰?jiàn)A芯砌塊以獲得所需的強(qiáng)度并降低收縮率。水泥水化反應(yīng)與環(huán)境溫度、濕度和時(shí)間直接相關(guān)。養(yǎng)護(hù)過(guò)程中將環(huán)境相對(duì)濕度保持在90%以上，通過(guò)足夠的養(yǎng)護(hù)時(shí)間，有利于砌塊各成分的物理、化學(xué)過(guò)程的進(jìn)行。湖南省年均氣溫較高，在常溫常壓下養(yǎng)護(hù)砌塊，可以達(dá)到各指標(biāo)和設(shè)計(jì)強(qiáng)度的要求。水泥水合后產(chǎn)生的Ca(OH)2與粉煤灰中的活性成分可發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，該過(guò)程產(chǎn)生的低鈣化合物與摻入的納米進(jìn)一步發(fā)生反應(yīng)，形成了更好的硬化效果，使砌塊的強(qiáng)度得到了進(jìn)一步增加。養(yǎng)護(hù)時(shí)間越長(zhǎng)，性能越好，這是因?yàn)樵谠缙陔A段，粉煤灰對(duì)混凝土的活性作用還沒(méi)有充分表現(xiàn)出來(lái)，而時(shí)間越長(zhǎng)，粉煤灰活性增強(qiáng)，改善了混凝土的孔徑，使其致密性增加，砌塊內(nèi)部孔隙率降低，砌塊強(qiáng)度提高。

4.4 試件分組

根據(jù)正交設(shè)計(jì)原理，計(jì)算每組的材料量，如表4所示。

表4 各組材料用量

4.5 測(cè)定砌塊抗折強(qiáng)度

依照《混凝土砌塊和磚試驗(yàn)方法》(GB-T 4111-2013)的相關(guān)規(guī)定準(zhǔn)備砌塊及進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，砌塊抗折強(qiáng)度試驗(yàn)于砌塊養(yǎng)護(hù)28d后進(jìn)行，以（250±50）N/s的速度加載直至試件破壞，記錄最大破壞荷載P。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果的計(jì)算：依照公式（1）來(lái)計(jì)算抗折強(qiáng)度，精確至0.1Mpa。

本公式中，fz：抗折強(qiáng)度，單位為MPa；P：破壞荷載，單位為N；L：兩支撐鋼棒軸心間距，單位為mm；B：砌塊寬度，單位為mm；H：砌塊高度，單位為mm。

4.6 研究結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)采用正交試驗(yàn)，取L9(34)方案，粉煤灰、水泥、納米材料和水（聚苯乙烯板為非獨(dú)立因素）作為因素，每個(gè)因素選取三個(gè)水平。表5為試驗(yàn)結(jié)果及相關(guān)分析，每個(gè)水平/因素的砌塊制作6個(gè)，6個(gè)砌塊的平均值作為該水平/因素的結(jié)果；養(yǎng)護(hù)的第28 d的抗折強(qiáng)度作為表中數(shù)值；水摻量值為：（水泥+粉煤灰）*%。

表5 L9(34) 28d抗折強(qiáng)度和極差分析

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及相關(guān)分析

5.1 抗折強(qiáng)度與粉煤灰含量的關(guān)系

由于粉煤灰具有潛在火山灰活性，該活性隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間變長(zhǎng)而逐漸增強(qiáng)，從而粉煤灰混凝土后期強(qiáng)度也逐步增加，使得粉煤灰砌塊墻體具有足夠的承載力，進(jìn)一步提高了建筑物的安全性。本研究發(fā)現(xiàn)（見(jiàn)圖3），摻45%和40%粉煤灰對(duì)比，抗折強(qiáng)度下降17.8%；摻40%和35%粉煤灰對(duì)比，抗折強(qiáng)度下降約4.2%，強(qiáng)度下降不多，但明顯增加了粉煤灰的添加量，故認(rèn)為40%摻量較為理想。

圖3 抗折強(qiáng)度與粉煤灰摻量關(guān)系

5.2 抗折強(qiáng)度與水泥含量的關(guān)系

其他條件相同時(shí)，當(dāng)水泥摻量增多時(shí)，砌塊的強(qiáng)度呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，由圖4可見(jiàn)，水泥含量由10%提高到12%時(shí)，砌塊的強(qiáng)度提高21.5%；水泥含量由12%提高到14%，砌塊的強(qiáng)度提高14.9%。本研究結(jié)果顯示，與其他因素相比，對(duì)砌塊抗折強(qiáng)度影響最大的因素為水泥含量。

圖4 抗折強(qiáng)度與水泥的關(guān)系

5.3 抗折強(qiáng)度與含水量的關(guān)系

水摻量在砌塊制備和養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，對(duì)于砌塊強(qiáng)度和吸水率有重要影響。砌塊制備過(guò)程中，當(dāng)摻水量過(guò)少時(shí)，將使材料混合不均，制備的砌塊具有較大差異性，砌塊強(qiáng)度也會(huì)受到影響。如圖5所示，當(dāng)水含量為22%時(shí)，砌塊強(qiáng)度更大。

圖5 抗折強(qiáng)度與水摻量的關(guān)系

我們前期研究發(fā)現(xiàn)，與不摻納米SiO2粉煤灰?jiàn)A芯砌塊相比，摻入納米SiO2的粉煤灰?jiàn)A芯砌塊具有更高的抗壓強(qiáng)度，而本研究有同樣的結(jié)果，即入摻納米的SiO2粉煤灰?jiàn)A芯砌塊具有更高的抗折強(qiáng)度。但不同添加量納米SiO2對(duì)砌塊的抗折強(qiáng)度影響不明顯，但不同添加量納米SiO2砌塊成本不同，摻量越少，成本越低，故優(yōu)選配方1中的納米SiO2添加量。

綜合考慮，選取40%的粉煤灰，14%的水泥，配方1的納米SiO2和22%的水為最佳組合。

6 討論

研究表明，多排孔納米粉煤灰?jiàn)A芯砌塊選用因素水平組合試驗(yàn)6號(hào)，即粉煤灰含量為40%，水泥含量為14，納米材料的配方為1，水的含量為22%，具有良好的抗壓強(qiáng)度。砌塊中粉煤灰的含量高對(duì)于增加粉煤灰的消耗有益，考慮成本效益，在不影響強(qiáng)度前提下，納米材料則取低摻量組，此配比抗壓強(qiáng)度也較高（15.12MPa）。該配合比砌塊也取得了較高的抗折強(qiáng)度（5.63MPa），與抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)取得的結(jié)果相近。

對(duì)于粉煤灰小型空心砌塊的研究中，抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度相比，其數(shù)值約為20%，本研究最佳配比砌塊，其抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度相比，其比值為37.2%（5.63/15.12）。采用粉煤灰含量為40%，水泥含量為14%，納米材料為配方1，含水量為22%的納米粉煤灰?jiàn)A芯砌塊具有較大的抗折強(qiáng)度。雖然粉煤灰水化反應(yīng)速率與水泥水化反應(yīng)速率相比較慢，但是在粉煤灰水化的后期，當(dāng)添加的粉煤灰量增加到一定程度時(shí)，其中的Al2O3、SiO2等活性成分同Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)，形成更多的硅酸鈣凝膠，使水化產(chǎn)物的孔隙致密化得到增強(qiáng)并改善了混凝土砌塊的后期強(qiáng)度 。

7 結(jié)論與建議

1）選用粉煤灰含量為40%，水泥含量為14%，納米材料為配方1，含水量為22%，該配比砌塊獲得了較高的抗壓強(qiáng)度，并且取得了較高的抗折強(qiáng)度，故認(rèn)為應(yīng)應(yīng)用此配合比來(lái)制備多排孔納米粉煤灰?jiàn)A芯砌塊。

2）試制的納米粉煤灰?jiàn)A芯砌塊不僅具有較高的抗折強(qiáng)度，且抗折強(qiáng)度為其抗壓強(qiáng)度的37.2%，應(yīng)用此配比砌塊砌筑砌體，可獲得較好的抗壓能力和抗剪能力。

3）將納米材料改性粉煤灰混凝土，有利于將新材料和新技術(shù)應(yīng)用到建筑材料領(lǐng)域中去。多排孔的新型設(shè)計(jì)，對(duì)于該新型砌塊保溫性能的提高更有利，我們將通過(guò)進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)去研究、證實(shí)。

4）由于納米材料的摻入，本研究砌塊獲得了較高的抗折強(qiáng)度，可能與納米材料改善砌塊的微觀結(jié)構(gòu)相關(guān)，具體機(jī)制值得進(jìn)一步探討。