引氣型玻化微珠粉煤灰保溫混凝土性能試驗研究

方張平，黃 偉

(淮南聯合大學 建筑工程系，安徽 淮南 232038)

我國“十三五”節能減排政策中明確提出實施綠色建筑全產業鏈發展計劃，推行綠色施工方式，推廣節能綠色建材.建筑物外墻圍護結構是室內外能耗運轉的關鍵部位，據統計每年因冬季采暖、夏季制冷至少有30%以上的熱量是通過門窗、墻體散失，外墻保溫技術要求越來越高.傳統外墻保溫技術的施工方法是等建筑主體結構成型后，在外墻粘貼或涂刷保溫材料，工序多，施工速度慢，造價高，且保溫材料與主體結構材料物理力學性能差異大，易因受力不均造成保溫層空鼓開裂甚至脫落.自保溫混凝土是指將摻合料和保溫材料適量加入普通混凝土中來改善其熱工性能.

近年來，隨著混凝土技術的快速發展，引氣技術被廣泛應用于各種混凝土建筑領域.在普通混凝土中摻入適量引氣劑可形成引氣型混凝土.引氣劑的引入可在混凝土內部產生豐富穩定封閉的有益小氣泡，且這些小氣泡做均勻定向排列(小氣泡不會連通形成有害大氣泡，使混凝土密度降低)，呈現出多孔海綿狀結構，有效降低混凝土導熱系數，保溫性能增強[1].玻化微珠因其特殊加工工藝，表面玻化封閉形成一定顆粒強度，內部空腔多孔具有輕質、保溫、隔熱、防火和吸音等優異性能，屬理化性能穩定的環保型高性能無機輕質絕熱材料，被廣泛用于自保溫混凝土中[2-3].

粉煤灰是從燃煤電廠煙囪中收集到的一種顆粒狀固體工業廢棄物，為促進廢棄物的二次利用，降低造價，推進綠色建筑環保材料的應用，結合安徽淮南及周邊地區煤礦產業特性，在混凝土中添加適量粉煤灰.目前，國內外諸多學者對此已展開研究，并取得一定的成果，如黃偉等[4-10]對不同配合比的玻化微珠混凝土進行正交試驗，證實了玻化微珠摻入普通混凝土中的可行性，且能與混凝土中其他組成材料有良好的相容性，具有實際施工的可操作性；蔣榮等[11-12]對引氣型玻化微珠混凝土砌塊進行試驗研究，試驗結果表明引氣劑不但能改善混凝土的綜合工作性能，還能有效降低混凝土的導熱系數.

本課題組利用輕集料玻化微珠和電廠工業廢棄物粉煤灰制備引氣型玻化微珠粉煤灰保溫混凝土，雙摻不同摻量的玻化微珠和粉煤灰，通過正交試驗測定其抗壓強度和劈裂抗拉強度，得出混凝土最大強度下玻化微珠和粉煤灰的最佳摻量，并測定該摻量下混凝土的導熱系數.這一方面可為引氣型玻化微珠粉煤灰保溫混凝土在今后建筑工程中的應用提供試驗數據參考；另一方面還可以有效解決當地工業廢棄物粉煤灰的回收利用問題，降低生產成本，減輕環境污染.

1 試驗條件

1.1 試驗方案設計

混凝土設計強度等級為C30，水灰比0.5，砂率為36%，基準混凝土配合比為水泥∶砂∶石∶水=480 kg∶648 kg∶1 146 kg∶240 kg.為能在混凝土內部引入數量豐富的小粒徑有益氣泡，改善混凝土孔結構，增大整個拌合物漿液體系的表面積，使固體顆粒之間的潤滑作用加強，提高和易性，緩解泌水和輕重骨料離析現象，增強混凝土的保溫隔熱性能，摻入0.3%的引氣劑.為減小水膠比，增大漿體粘度，提高混凝土后期強度，摻入5%的硅灰和0.5%的減水劑.由于輕集料玻化微珠顆粒的密度僅有100～250 kg/m3，在混凝土拌和時易上浮，造成在混凝土內部分布不均，此外玻化微珠易破損，破損后內部孔隙空腔外露，吸水性較大，為抑制因玻化微珠的上浮導致分層離析所引起混凝土強度不均勻，且為保證混凝土拌合物水膠比的穩定，在混凝土攪拌之前需對玻化微珠顆粒進行加水充分預濕.

以玻化微珠等體積替代砂子0，20%，40%和60%，粉煤灰等質量替代膠凝材料0，10%，20%和30%為變量，采用正交試驗法設計16 組不同配合比的引氣型玻化微珠粉煤灰保溫混凝土，分別測試其抗壓強度和劈裂抗拉強度，分析強度變化趨勢，得出玻化微珠和粉煤灰的最優摻量，并對此摻量引氣型玻化微珠粉煤灰保溫混凝土的導熱系數進行測定，分析承重和保溫雙指標之間的關系.

1.2 試驗原材料

1)水泥：安徽省淮南市八公山牌P.O 42.5 普通硅酸鹽水泥.

2)石子：普通碎石，粒徑為5～15 mm，級配連續. 3)砂：普通河砂，細度模數為2.3，中粗砂. 4)玻化微珠：河北廊坊信義鼎節能保溫建材公司生產，物理性能指標見表1.

5)粉煤灰：安徽省淮南市平圩電廠提供，物理性能指標見表2.

6)硅灰：Sio2含量≧92%，容重1 600～1 700 kg/m3.

7)引氣劑：高純度型引氣劑.

8)減水劑：聚羧酸系高效減水劑.

9)水：當地飲用水.

表1 玻化微珠物理性能指標

表2 粉煤灰物理性能指標

1.3 試驗制備

抗壓強度和劈裂抗拉強度試驗均采用尺寸為150 mm×150 mm×150 mm 的標準混凝土試件，各制作成16 小組，每組3 個，共計96 個.混凝土拌合料入模、振搗、抹平，靜置24 h 后脫模，搬入恒溫恒濕養護箱內標準養護28 d 后在型號為WAW-1000 kN 微機控制電液伺服萬能試驗機上進行強度測試.導熱系數測試采用DR3030 智能平板導熱系數測定儀，為避免因試件表面不平整導致接觸時產生空隙熱阻影響測試數據的準確性，按照試驗設計要求定制6 個尺寸為300 mm×300 mm×30 mm 鋼模平板，充分保證平整度.

2 試驗結果與分析

2.1 試件斷面觀察

圖1 不摻玻化微珠和粉煤灰混凝土試件斷面

仔細觀察圖1 中不摻玻化微珠和粉煤灰混凝 土試件受力破壞后的斷面，可以清晰直觀地看到混凝土內部存在2 種形態差異較大的孔洞.一種是因加入適量引氣劑產生數量豐富且分布均勻的微小孔洞，這些微小孔洞在混凝土硬化后仍能穩定存在，使混凝土呈現多孔海綿狀結構；另外一種是混凝土在攪拌過程中不可避免裹入空氣產生的相對較大且數量不多形狀不規則的孔洞.當雙摻玻化微珠和粉煤灰時，如圖2 所示，白色玻化微珠顆粒在混凝土粗細骨料和膠凝漿體中分布均勻，部分因引氣劑產生的微小孔洞被白色玻化微 珠小顆粒有效填充，粉煤灰的摻入使膠凝材料增加，由于粉煤灰粒徑比水泥顆粒更細，粉煤灰與水泥等膠凝材料形成的漿液能有效改善混凝土的流動性，混凝土內部不規則大孔洞數量明顯減少，膠凝材料粘度和均勻性提高，混凝土試件斷面看起來更加平整細膩密實，大小孔洞均被部分有效填充，且水泥等膠凝材料均勻牢固地吸附在玻化微珠周圍，有效保護玻化微珠的完整性.

圖2 雙摻玻化微珠和粉煤灰混凝土試件斷面

2.2 試驗強度數據與分析

在普通引氣型混凝土中雙摻玻化微珠和粉煤灰，以玻化微珠等體積替代砂0，20%，40%和60%，粉煤灰等質量替代膠凝材料0，10%，20%和30%，進行正交強度試驗，抗壓強度測試控制加載速度為0.6 MPa/s，劈裂抗拉強度測試控制加載速度為0.06 MPa/s，不同配合比混凝土試件強度數據如表3 所示.

表3 不同配合比混凝土試件強度試驗結果

為提高不同配比混凝土試件強度數據對比的直觀性，對表3 中數據進行曲線分析，以玻化微珠不同摻量為橫坐標，抗壓強度和劈裂抗拉強度分別為縱坐標繪制強度變化曲線，如圖3 和圖4所示.

圖3 抗壓強度變化曲線

圖4 劈裂抗拉強度變化曲線

從圖3、圖4 中能明顯看出2 號曲線所代表的混凝土試件抗壓強度和劈裂抗拉強度數值顯著大于1，3，4 號曲線，且有明顯數據峰值，引氣型混凝土試件雙摻玻化微珠和粉煤灰存在最優摻量.結合表3 中強度數據對比分析，可知2 號曲線所代表的混凝土試件在玻化微珠摻量為20%、粉煤灰摻量為10%時的抗壓強度數值達到最大值35.4 MPa；相對玻化微珠摻量為0，粉煤灰摻量為0，10%，20%和30%時分別提高48.30%，42.94%， 13.56%和50.85%；相對玻化微珠摻量為20%，粉煤灰摻量為0，20%和30%時分別提高18.08%，38.70%和43.22%；此摻量下混凝土試件的劈裂抗拉強度數值達到最大值2.15 MPa.相對不摻玻化微珠，粉煤灰摻量為0，10%，20%和30%時分別提高35.35%，29.77%，13.49%和47.44%；相對玻化微珠摻量為20%，粉煤灰摻量為0，20%，30%時分別提高16.74%，23.72%和35.81%；當玻化微珠摻量為40%時，抗壓強度和劈裂抗拉強度數值都存在明顯遞減趨勢；玻化微珠摻量為60%時，強度數值均進一步減小.即引氣型玻化微珠粉煤灰保溫混凝土中玻化微珠和粉煤灰強度最優摻量為：玻化微珠摻量為20%，粉煤灰摻量為10%.

當粉煤灰摻量為10 %時，即2 號曲線，引氣型玻化微珠粉煤灰保溫混凝土抗壓強度和劈裂抗拉強度隨玻化微珠摻量的變化呈現相同的變化規律，均是先逐漸增大，隨后減小.玻化微珠和粉煤灰雙摻入引氣型混凝土中，玻化微珠部分替代砂子，在混凝土拌合物成型時，會以自空腔結構形式均勻填充到混凝土粗細骨料和水泥漿液的間隙之中，且還會填充到因引氣劑產生的微小氣泡之中，使混凝土結構更加密實緊致.此外，玻化微珠小顆粒在混凝土中充當了類似固體引氣劑作用，這些固體小顆粒具有較高的彈性，存在較大的自由變形空間，當小顆粒界面受到外力作用時，其與粗細骨料接觸產生的應力集中所導致的應變會因這些固體小顆粒的存在而得以釋放，阻止了界面的破壞，促進混凝土抗壓強度和劈裂抗拉強度的形成[13].隨著玻化微珠摻量的繼續增加，混凝土內部充斥著大量空腔結構，這些空腔結構降低了混凝土結構的密室程度，且玻化微珠本身強度較低，在受到外部荷載作用時，粗細骨料變形位移加強，混凝土內部的孔洞和玻化微珠的空腔結構均發生壓裂和塌陷現象，微小裂紋延伸貫通成大的空隙裂縫，大大降低混凝土強度，即本試驗中玻化微珠的最優摻量為20%.同時，當玻化微珠摻量為20%時，在引氣型混凝土中摻入適量粉煤灰，粉煤灰中富含潛在的火山活性空心微珠，尤其在堿性環境中可以充分發揮粉煤灰的活性和填充作用，加速粉煤灰的火山灰效應，使水化反應更加均勻充分，且粉煤灰具有多孔結構，比表面積大，使膠凝漿體密度降低，粘度和均勻性增大，減弱骨料分離，有效改善和易性，混凝土強度得以提高.但隨著粉煤灰摻量的繼續增大，會一定程度上降低膠凝材料的濃度，使得粘結團聚作用減弱，且由于粉煤灰后期水化較慢，過多的粉煤灰將不再繼續參加水化反應，還會包裹住周邊的水泥漿液阻止其水化，進一步導致混凝土強度降低.

2.3 導熱系數測定

圖5 300 mm×300 mm×30 mm 平板試件

通過強度試驗可知當玻化微珠摻量為20%、粉煤灰摻量為10%時，引氣型玻化微珠粉煤灰保溫混凝土抗壓強度和劈裂抗拉強度達到最大值，滿足混凝土結構承重需求.對此配合比混凝土進行導熱系數測定.試驗中制作尺寸為 300 mm×300 mm×30 mm 的混凝土試件，6 個為1 組，如圖5 所示.試件成型后靜置24 h 拆模，拆模后 對混凝土板表面進行及時磨平處理，保證試件厚度均勻，2 表面平行，然后放置養護箱內標準養護28 d.在進行導熱系數測定前需將試件放入烘箱內烘干至恒重，然后將烘干后的2 塊板緊貼冷熱板放入DR3030 智能平板導熱系數測定儀內夾緊，確保各試件的接觸面平整且貼合緊密，最后關好保護蓋將整個測試體系封閉密實，避免外界因素對其數值產生影響，如圖6 所示.試驗環境保持干燥狀態，熱板控制溫度設為35 ℃，冷板控制溫度設為15 ℃，冷熱板溫差為20 ℃，啟動電源，開始試驗.大約3 h 后待數據穩定收斂，試驗自動停止，測得導熱系數數值.

圖6 DR3030 智能平板導熱系數測定儀

取3 組混凝土板試件導熱系數的平均值得出該配合比引氣型玻化微珠粉煤灰保溫混凝土導熱系數為0.431 73 W/(m·K)，相對普通混凝土導熱系數1.74 W/(m·K)降低了75.19%，滿足我國建筑節能設計標準中對圍護結構導熱系數設計限值0.77 W/(m·K)的要求.

3 結論

1)在普通引氣型混凝土中雙摻玻化微珠和粉煤灰制備成的引氣型玻化微珠粉煤灰保溫混凝土具有施工可操作性.玻化微珠等體積部分替代砂子后，與混凝土其他組成材料結合良好，能均勻分布于混凝土粗細骨料和膠凝漿體之中共同協作；粉煤灰等質量部分替代膠凝材料可以有效改善混凝土拌合物的和易性，提高混凝土綜合性能.

2)引氣型玻化微珠粉煤灰保溫混凝土抗壓強度和劈裂抗拉強度隨玻化微珠和粉煤灰摻量的增加呈現相同的變化趨勢，均是先逐漸增大而后下降.即引氣型玻化微珠粉煤灰保溫混凝土中玻化微珠和粉煤灰強度最優摻量分別為：玻化微珠摻量為20%，粉煤灰摻量為10%.

3)最優摻量下的引氣型玻化微珠粉煤灰保溫混凝土抗壓強度數值為35.4 MPa，劈裂抗拉強度數值為2.15 MPa，導熱系數為0.431 73 W/(m·K)，力學性能和熱工性能均能達到我國建筑墻體材料的設計標準，滿足建筑節能需求.