正交分析免蒸壓粉煤灰加氣混凝土性能

英志剛，雷一鳴，喬 林，李金凱，劉宗明

(1. 山東創偉外墻保溫材料有限公司，山東 濟南 250013； 2. 濟南大學 材料科學與工程學院，山東 濟南 250022)

加氣混凝土是一種新型綠色砌筑混凝土，具有高強輕質、保溫隔熱、吸聲降噪、耐火減震等優點。在經濟節能和利用工業廢渣、粉塵等方面有顯著效益，是具有廣闊前景的外墻保溫材料。至今為止，加氣混凝土大多需要借助蒸壓釜蒸壓養護的方式制備，投資高、能耗大，增加了生產成本。隨著對建筑節能要求的進一步提高，免蒸壓加氣混凝土受到了研究者青睞[1-4]。

加氣混凝土常摻雜礦渣、 煤矸石、 鉬尾礦、 粉煤灰等固體廢棄物降低成本，調整性能。姜玉鳳等[5]在加氣混凝土中添加鋼渣微粉、 水玻璃，在60 ℃常壓養護28 d后，抗壓強度達到4.0 MPa，密度為575 kg/m3；Li等[6]研究發現，以50%(質量分數，下同)脫硫殘渣替代水泥得到的最佳試樣，抗壓強度和密度分別為2.83 MPa和543 kg/m3；續入銀等[7]通過摻加煤矸石，在常溫條件下養護28 d，獲得抗壓強度為5.0 MPa、 密度為520 kg/m3的免蒸壓煤矸石加氣混凝土；Usama等[8]以23%粉煤灰、礦渣混合粉料替代水泥，免蒸壓加氣混凝土密度從1 610 kg/m3降至1 145 kg/m3，同時發現當鋁粉摻量減少0.5%時，免蒸壓加氣混凝土密度增加58%，抗壓強度平均增加101%。相比較而言，續入銀等在常溫下進行試樣制備，提高應用的可能性。在此基礎上，通過在原料中加入添加劑顯著提高加氣混凝土的性能，如多碳壁納米管[9]、 減水劑[10]、 改性劑[11]、 新型添加劑[12]等；另外，纖維的摻雜顯著提升加氣混凝土的抗折、 抗壓強度[13-15]。

上述研究在加氣混凝土的研究過程中，實驗設計比較簡單，大多研究單因素對加氣混凝土的影響，且沒有分析加氣混凝土的孔徑分布對抗壓強度的影響。本文中以粉煤灰取代部分水泥，設計L16(45)5因素4水平的正交實驗，制備常溫免蒸壓粉煤灰加氣混凝土試樣，研究粉煤灰摻量、 鋁粉摻量、 氫氧化鈉摻量、 水膠比、 水溫等5因素對免蒸壓粉煤灰加氣混凝土抗壓強度、 密度的影響,得出了最佳配方，并分析加氣混凝土的孔徑分布對強度的影響。

1 實驗

1.1 材料與儀器設備

材料：氫氧化鈉(96%，白色顆粒狀，上海廣諾化學科技有限公司)；水泥(42.5R,山東山水水泥有限公司);粉煤灰(二級粉煤灰，浙江合力新型建材有限公司)；鋁粉(粒徑為30～48 μm，鄒平縣精創顏料有限公司)；羥丙基甲基纖維素醚(白色粉末狀，北京天維寶辰化學產品有限公司)。水泥和粉煤灰的化學組分如表1所示。

表1 水泥和粉煤灰的化學組分Tab.1 Chemical composition of cement and fly ash

儀器設備：水泥膠砂攪拌機(JJ-5，無錫新建試驗儀器有限公司);恒溫恒濕箱(HBY-30，紹興市上虞道墟鑫科儀器設備廠);微機控制保溫材料專用試驗機(WDW-B20，濟南中正試驗機制造有限公司);電子天平(JA-C, 上海高致精密儀器有限公司);掃描電子顯微鏡(SEM, S-2500,日本日立公司)；全自動壓汞儀(AutoPore IV 9500 V1.07，麥克默瑞提克(上海)儀器有限公司)。

1.2 試樣的制備與測試

1.2.1 發泡機理

鋁粉作為國際通用的發氣劑，其活潑的金屬性能夠置換水中的氫，但鋁粉非常容易被空氣氧化成氧化鋁，因此需借助強堿(氫氧化鈉)破壞鋁粉表面的氧化層，從而實現金屬鋁與水的反應放出氣體，使混凝土砂漿內部形成尺寸適當、大小均勻的氣泡，其主要反應為

Al2O3+2NaOH=2NaAlO2+H2O ，

2Al+6H2O=2Al(OH)3+3H2↑ 。

形成的Al(OH)3凝膠會包覆住未反應的鋁粉，抑制了發氣反應，而氫氧化鈉與Al(OH)3凝膠會進一步反應，即

Al(OH)3+NaOH=NaAlO2+2H2O 。

借助反應消除掉Al(OH)3凝膠后，金屬鋁就能夠繼續在混凝土中發氣形成氣孔。

1.2.2 試樣制備與測試

根據正交表因素配比稱量物料，將粉煤灰、水泥加入到攪拌鍋中慢速攪拌2 min；將氫氧化鈉在溫水中溶解后，倒入攪拌鍋中快速攪拌1 min；用少量水與穩泡劑、鋁粉混合攪拌均勻后加入攪拌鍋中，快速攪拌30 s后，在10 cm×10 cm×10 cm模具中成型，置于養護箱中養護，養護箱設定溫度為20 ℃，濕度為50%。養護24 h后，切除面包頭，并拆除模具，繼續置于養護箱中養護7 d，測試抗壓強度和密度。并使用壓汞法、SEM對試樣分別進行孔徑分析、微觀結構分析。

本實驗暫不考慮實驗因素之間的交互作用，僅通過正交實驗研究各因素對加氣混凝土抗壓強度、密度的影響。選取粉煤灰摻量、鋁粉摻量、氫氧化鈉摻量、水膠比(水的質量與水泥、粉煤灰質量和的比)、水溫為因素，設計免蒸壓粉煤灰加氣混凝土正交實驗方案，以試樣抗壓強度、密度作為性能指標。5個因素設計各4項水平，完成L16(45)正交實驗。實驗中水泥和粉煤灰的粉料總質量固定為700 g。其中穩泡劑(羥丙基甲基纖維素醚)摻量是鋁粉的2倍。正交實驗因素水平表如表2所示。

表2 正交實驗因素水平表Tab.2 Factor level table of orthogonal experiment

2 結果與討論

2.1 正交實驗配比及結果

正交實驗配比及試樣的密度、 7 d抗壓強度如表3所示。

表3 正交實驗配比及結果Tab.3 Proportion and results of orthogonal experiment

2.2 正交實驗數據分析

2.2.1 正交實驗極差分析

本實驗中對正交實驗數據進行極差處理[16-17]，正交實驗的密度、抗壓強度的數據處理結果如表4、 表5所示。加氣混凝土性能指標設定為密度和抗壓強度，抗壓強度越大、密度越小則加氣混凝土的性能指標越好。根據表4、表5的極差計算得到各性能指標的極差分析結果，如表6所示。

表4 密度極差計算表Tab.4 Range calculation table of density

表5 抗壓強度極差計算表Tab.5 Range calculation table of compressive strength

表6 各性能指標的極差分析結果Tab.6 Range analysis results of each performance index

2.2.2 各因素對加氣混凝土性能的影響

為便于實驗分析，將各因素水平對加氣混凝土抗壓強度和密度的影響置于同一圖中，如圖1所示。依據表6和圖1進行綜合平衡分析。

鋁粉對加氣混凝土性能的影響。由表6可知,鋁粉因素對兩項指標均為主要因素，鋁粉摻量對免蒸壓粉煤灰加氣混凝土性能影響最大。由圖1可知，鋁粉摻量遞增，加氣混凝土的密度、抗壓強度均減小，其中鋁粉摻量為B1、B4時，抗壓強度、密度性能分別最優。鋁粉作為加氣混凝土的發氣物料，為了保證加氣混凝土的發氣質量，綜合2個指標后鋁粉的最佳摻量為B3。

水溫對加氣混凝土性能的影響。由表6可知，水溫是影響密度的次要因素，對抗壓強度的影響最低。由圖1可知，當水溫的升高時，加氣混凝土的2項性能指標逐漸降低，當水溫為E4時，加氣混凝土的密度最低。這是由于料漿溫度升高，鋁粉的活性增強，在漿體硬化之前可達到更高的發氣率。綜合2個指標，水溫最佳為E2。

水膠比對加氣混凝土性能的影響。由表6可知，水膠比是影響粉煤灰加氣混凝土抗壓強度的次要因素，是影響加氣混凝土密度的第3因素。由圖1可知，當水膠比遞增時，加氣混凝土抗壓強度逐漸下降；密度則先降低，后出現波動。這是因為隨著水膠比的增加，料漿流動性增加，發氣膨脹阻力減小，過大則容易引起氣泡的合并，造成抗壓強度減小；發氣膨脹阻力的減小，減少了憋氣現象，利于密度的減小，但氣泡上浮減少了內部氣孔體積。在D1、D2處，加氣混凝土的抗壓強度和密度達到最優。綜合2項指標，最佳水膠比為D1。

圖1 各因素對加氣混凝土性能的影響Fig.1 Influence of various factors on performance of aerated concrete

粉煤灰和氫氧化鈉對加氣混凝土密度的影響。由表6可知，粉煤灰摻量是影響加氣混凝土抗壓強度的第3因素。由圖1可知，隨著粉煤灰摻量的遞增，加氣混凝土抗壓強度略有降低，主要是由于粉煤灰相比于水泥的更慢的火山灰效應，粉煤灰的SiO2尚未激活。由表4可知，粉煤灰摻量對加氣混凝土密度的影響較小。由表6可知，氫氧化鈉的摻量對加氣混凝土的密度影響最小，原因是最低C1的氫氧化鈉摻量已經形成適合鋁粉發氣的pH環境；由圖1可知，隨著氫氧化鈉摻量的增加加氣混凝土的抗壓強度先增大后減小，原因是過多的氫氧化鈉與鋁粉反應過快，短時間內產生大量氣孔，氣孔合并降低了抗壓強度。綜合2項性能指標，粉煤灰的最佳摻量為A3，氫氧化鈉的最佳摻量為C3。

綜上所述，本次正交實驗的最優實驗方案為A3B3C3D1E2，正交表中未出現此種方案，但7號方案除粉煤灰和氫氧化鈉外其余相符，且本次正交實驗中粉煤灰和氫氧化鈉摻量不是影響加氣混凝土性能的主要因素。最優方案物料配比如表7所示，抗壓強度及密度為1.2 MPa和672.16 kg/m3。

表7 物料最優配比Tab.7 Optimal material ratio

2.2.3 孔徑分析

為了研究加氣混凝土的孔徑分布與抗壓強度的關系，對試樣進行壓汞分析，大孔徑氣孔越多混凝土的抗壓強度越小[18]。將氣孔劃分為多害孔(≥200 nm)、 有害孔(100～200 nm)、 少害孔(20～100 nm)、 無害孔(<20 nm)[19]。并選取了表3中的第1、 4、 7組(G1、 G4、 G7)進行孔徑分析，G1、 G4、 G7的孔徑分布頻率如圖2所示。圖3是加氣混凝土斷面的SEM圖像。

由圖2可以看出，G4含有的多害孔最多(71.09%)且無害孔最少(5.20%)，導致在3組中抗壓強度最弱。如表6所示，鋁粉摻量、水膠比是影響抗壓強度的主要的2個因素，G4的配料中含有最多的鋁粉及最高的水膠比，混凝土中會有更高的發氣量、更低的料漿黏度，所以氣泡容易融合產生更多的多害孔，如圖3 a)所示。由圖2可知，G7無害孔頻率高于G4的，且有害孔頻率低于G4的10.96%，是G7抗壓強度優于G4的主要原因，因此，通過調控鋁粉摻量、水膠比獲得更高頻率的無害孔、降低多害孔的頻率是提高加氣混凝土強度的有效方法。由圖3 b)所示，能夠觀察到嵌入在孔壁上的球狀粉煤灰顆粒，40%～60%粉煤灰替換水泥后混凝土的后期強度相差不高于5 MPa[19-20]。

圖2 G1、 G4、 G7孔徑分布頻率Fig.2 Aperture distribution frequency of G1, G4 and G7

a)氣泡融合產生的多害孔b)嵌入在孔壁上的球狀粉煤灰顆粒圖3 加氣混凝土斷面的SEM圖像Fig.3 SEM images of aerated concrete section

3 結論

以粉煤灰取代部分水泥，設計正交實驗，制備常溫免蒸壓粉煤灰加氣混凝土試樣，研究粉煤灰摻量、 鋁粉摻量、 氫氧化鈉摻量、 水膠比、 水溫等5因素對免蒸壓粉煤灰加氣混凝土抗壓強度、密度的影響,得出如下結論：

1)影響加氣混凝土密度和抗壓強度的因素主次順序為B(鋁粉)→E(水溫)→D(水膠比)→A(粉煤灰)→C(氫氧化鈉)和B(鋁粉)→D(水膠比)→A(粉煤灰)→C(氫氧化鈉)→E(水溫)。

2)鋁粉對加氣混凝凝土性能影響最顯著，粉煤灰摻量在40%～55%之間沒有造成抗壓強度的明顯降低。水溫對加氣混凝土的密度影響較大，對抗壓強度影響最小。水膠比對加氣混凝土抗壓強度影響較大，對密度影響最小。

3)正交實驗的最優實驗配比為7號方案，即粉煤灰為45%、 鋁粉為0.12%、 氫氧化鈉為0.34%、 水膠比為49%、 水溫為45 ℃，加氣混凝土的抗壓強度和密度分別為1.2 MPa和672.16 kg/m3。

4)通過調控鋁粉摻量、 水膠比提高無害孔頻率、 降低多害孔頻率是提高加氣混凝土強度的有效方法。

5)在砂漿中可嘗試加入添加劑進一步提高加氣混凝土的性能，如多碳壁納米管、 減水劑、 改性劑、 新型添加劑等；另外，可嘗試添加短纖維提升加氣混凝土的抗折、 抗壓強度。