新型墻體材料輕質(zhì)陶粒泡沫混凝土的配比與性能研究

楊冰川 ，周 旭 ，劉 港 ，韓付超

（1聊城大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 山東 聊城 252000）

（2山東大學(xué)的環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 山東 濟(jì)南 250100）

1 前言

作為世界第一建筑大國(guó)，中國(guó)的建筑能耗日趨多量化和多元化，傳統(tǒng)的低效率建筑工藝已遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到社會(huì)生產(chǎn)和環(huán)保發(fā)展的要求，且龐大的建筑能耗早已成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的沉重負(fù)擔(dān)。因此，研究和發(fā)展以節(jié)能環(huán)保為主題的新型建筑材料具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景，也終究會(huì)成為我國(guó)建筑材料發(fā)展新的戰(zhàn)略走向。

傳統(tǒng)的建筑材料和建筑工藝具有材料強(qiáng)度低、施工難度大，且效率低、能耗大、污染嚴(yán)重的缺點(diǎn)，這對(duì)可持續(xù)發(fā)展的建筑行業(yè)目標(biāo)帶來(lái)了負(fù)面的社會(huì)效益。而輕骨料混凝土材料為目前新興的一種建筑材料，其主要特征為輕骨料的低密度、高強(qiáng)度及保溫性結(jié)合混凝土的高抗壓強(qiáng)度和耐久性等優(yōu)點(diǎn)，集高強(qiáng)度、低密度、寬適用范圍為一體，逐漸成為建筑領(lǐng)域的新型節(jié)能研究方向。國(guó)內(nèi)外將陶粒和泡沫混凝土分開(kāi)研究的情況較多，而將陶粒摻入泡沫混凝土進(jìn)行性能研究的各方面成果較少。有研究表明不僅泡沫摻量對(duì)混凝土的強(qiáng)度會(huì)造成影響，氣泡的孔徑及結(jié)構(gòu)也會(huì)產(chǎn)生影響，且不同品種的引氣劑對(duì)孔徑分布的影響是不同的，進(jìn)而對(duì)強(qiáng)度的影響也各異[1]。另一方面，引入氣泡可減少用水量，同時(shí)可以改善陶粒過(guò)輕及吸水所引起的不良現(xiàn)象[1]。很多研究表明，當(dāng)泡沫摻量在10%以內(nèi)時(shí)，孔的數(shù)量增加，含氣量降低，泡沫的增加降低孔的平均半徑，提高陶粒混凝土的強(qiáng)度[6]。當(dāng)泡沫摻量超過(guò)10%以后，陶粒混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著泡沫摻量的增加而降低，摻量超過(guò)20%以后，陶粒混凝土的抗壓強(qiáng)度下降較快[2-6]。

故進(jìn)行發(fā)泡也為本文的背景亮點(diǎn)之一。同時(shí)，與普通同等強(qiáng)度混凝土比較，以輕質(zhì)陶粒為骨架的墻體材料可減輕結(jié)構(gòu)自身重量約30%，這極大推進(jìn)了輕質(zhì)陶粒泡沫混凝土在大跨及多高層建筑中的應(yīng)用，對(duì)于節(jié)能環(huán)保的新型建筑材料起到了推陳出新的帶頭作用。

所以，在節(jié)能減排地位被日益提高的中國(guó)，以輕質(zhì)節(jié)能陶粒混凝土結(jié)合泡沫為基礎(chǔ)的建筑材料必然有著廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景，研究輕集料新型建筑材料的意義也及其重大。基于此，我們進(jìn)行了關(guān)于輕集料混凝土配合發(fā)泡技術(shù)的材料制備研究。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及試劑

圖1 一體式SX2-5--12高溫1200度馬弗爐及陶粒

圖2 輕質(zhì)陶粒的燒制結(jié)果與燒制環(huán)境

主要測(cè)試儀器：一體式SX2-5--12高溫1200度馬弗爐、壓縮空氣泡沫輸出裝置、堆積密度儀、DFG-4S電熱鼓風(fēng)干燥箱、冰箱、SW-CJ-2D超凈工作臺(tái)精密pH計(jì)、JT-302N電子天平、HWCL-1恒溫磁力攪拌浴、數(shù)字式低真空測(cè)壓儀、氮?dú)怃撈俊?4-1磁力攪拌控溫電熱套、磁力攪拌器。

主要測(cè)試試劑：一級(jí)粉煤灰、P·F粉煤灰硅酸鹽水泥、活性炭、碳酸氫鈉、聚丙烯酰胺、含硅尾礦、生石灰、鋁粉、硫酸鈣（AR）、硅酸鈣（AR）、碳酸鉀（AR），試劑均為市面銷售分析純化學(xué)試劑。

2.2 實(shí)驗(yàn)原理

利用粉煤灰與活性炭、膨脹劑等進(jìn)行結(jié)合復(fù)配，用馬弗爐燒制成密度在300～1000kg/m，抗壓強(qiáng)度值為3.0～6.0MPa（常用），導(dǎo)熱系數(shù)大約在0.09～0.17W/(m·K)的多孔硅酸鹽陶粒。再將陶粒與石灰、水泥混合，摻加發(fā)氣劑（鋁粉），加水?dāng)嚢韬蟀l(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成孔隙，通過(guò)澆注成型、預(yù)養(yǎng)切割、蒸壓養(yǎng)護(hù)等工藝過(guò)程制成輕集料陶粒發(fā)泡混凝土。

2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

首先將粉煤灰、發(fā)泡劑、活性炭、碳酸氫鈉、聚丙烯酰胺、助脹劑與助融劑等原料復(fù)配均勻，攪拌幾分鐘后，加入適量水?dāng)嚢杈鶆颍^續(xù)攪拌約10min。將復(fù)配體系轉(zhuǎn)入SW-CJ-2D超凈工作臺(tái)進(jìn)行搓丸，搓丸直徑約為1.5cm，搓丸后放入一體式SX2-5--12高溫1200度馬弗爐中進(jìn)行多段程序控溫?zé)Y(jié)。約7h后取出，自然冷卻晾干后將陶粒放入已經(jīng)利用壓縮空氣發(fā)泡技術(shù)進(jìn)行發(fā)泡操作的泡沫混凝土中，攪拌15min，得到陶粒泡沫混凝土產(chǎn)品。

2.4 輕質(zhì)陶粒泡沫混凝土的性能測(cè)試及CMA檢測(cè)

通過(guò)儀器及實(shí)驗(yàn)測(cè)試，所制陶粒表觀密度在300～1000kg/m，抗壓強(qiáng)度值為3.0～6.0MPa（常用），導(dǎo)熱系數(shù)大約在0.09～0.17W/(m·K)疏松多孔且強(qiáng)度足夠建筑需求。

同時(shí)將樣品送至山東省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究設(shè)計(jì)院進(jìn)行毒性檢測(cè)（CMA檢測(cè)）。檢測(cè)過(guò)程中對(duì)樣品利用原子吸收分光光度法，進(jìn)行了GB5085.3-2007附錄D專業(yè)浸出毒性檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果顯示樣品中銅含量＜0.32mg/L，鉛含量＜0.10mg/L，鋅含量＜1.23mg/L，鎘含量＜0.005mg/L。檢測(cè)結(jié)果證明該產(chǎn)品對(duì)人體接觸無(wú)害、對(duì)環(huán)境無(wú)污染，使用安全。

3 結(jié)果與討論

輕質(zhì)陶粒的燒制結(jié)果如圖2所示，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中加入膨脹劑使得陶粒發(fā)脹，在擴(kuò)大體積的同時(shí)提高了陶粒本身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和承重適用范圍，同時(shí)利用蒸汽自然養(yǎng)護(hù)可以防止應(yīng)用過(guò)程中的墻體裂縫問(wèn)題。在摻入陶粒的初期由于輕質(zhì)陶粒具有一定的吸水性，會(huì)與混凝土中的水分部分結(jié)合，使得混凝土與陶粒的結(jié)合更為緊密、牢固，陶粒混凝土的表觀強(qiáng)度和抗壓適用范圍也會(huì)得到大幅度提高。在混凝土凝結(jié)后的具體實(shí)用階段隨著其齡期年份延長(zhǎng)，混凝土內(nèi)部水分會(huì)部分散失，若繼續(xù)進(jìn)行將會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生裂縫及降低強(qiáng)度的副作用，而這時(shí)在早期吸水飽和的輕質(zhì)陶粒則可以向膠漿返水，起到繼續(xù)水化混凝土塊的目的。綜上所述，陶粒的摻入不僅對(duì)墻體材料本身產(chǎn)生密度、強(qiáng)度以及抗壓度等各方面的優(yōu)質(zhì)影響，也能起到很好的“以土融粒，以粒養(yǎng)土”的內(nèi)部養(yǎng)護(hù)作用。完全滿足了新型節(jié)能高效的輕質(zhì)墻體材料的基本工藝結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度和作用要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以水泥、粉煤灰為膠凝材料，輕質(zhì)陶粒為骨料，采用壓縮空氣發(fā)泡技術(shù)，摻入一定量泡沫，并根據(jù)性能要求選用合適的外加劑，開(kāi)發(fā)了一種新型陶粒墻體材料。探尋出能滿足建筑性能要求的最佳原料配比及合適的生產(chǎn)工藝控制參數(shù)，并進(jìn)行了性能測(cè)試研究。對(duì)樣品利用原子吸收分光光度法進(jìn)行了CMA檢測(cè)，方法為GB5085.3-2007附錄D專業(yè)浸出毒性檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果證明該產(chǎn)品對(duì)人體接觸無(wú)害、對(duì)環(huán)境無(wú)污染，使用安全。該產(chǎn)品具有低成本、高強(qiáng)度、低密度的建筑結(jié)構(gòu)特征，為建筑材料的成本降低提供了一條新的途徑。