建筑渣土對泡沫混凝土孔結構與傳熱的影響

摘要：為促進建筑渣土在建筑保溫領域的資源化利用，以建筑渣土料漿為成孔介質，取代預制泡沫，輔以物理發泡工藝，制備了400 kg/m3和600 kg/m3密度等級泡沫混凝土，研究了渣土對其孔結構及傳熱行為的影響。結果表明：密度400 kg/m3泡沫混凝土的渣土料漿體積取代率從0% 增至60%，導熱系數從0.09 W/（m·K） 降至0.07 W/（m·K）；密度600 kg/m3泡沫混凝土的渣土料漿體積取代率從0% 增至100%，導熱系數從0.14 W/（m·K） 降至0.10 W/（m·K）；渣土料漿的摻入細化了泡沫混凝土孔結構，增加了微觀孔隙率。由于孔結構細化帶來傳熱路徑延長、氣相導熱系數與多孔基體導熱系數下降，泡沫混凝土保溫隔熱性能提升。

關鍵詞：建筑渣土 泡沫混凝土 孔結構 保溫隔熱性能

中圖分類號：TU528.2" 文獻標志碼：A" 文章編號：1671-8755（2024）02-0032-08

Effects of Construction Residue Soil on Pore Structure and Heat Transfer of Foamed Concrete

YANG Chenxi1，2， JIN Chao3， JIANG Jun1， WU Yanping3， LIU Tie3， HUANG Jinqiao3

（1. State Key Laboratory of Environment-friendly Energy Materials， Southwest University of Science and Technology， Mianyang 621010， Sichuan， China; 2. School of Materials and Chemistry， Southwest University of Science and Technology， Mianyang 621010， Sichuan， China; 3. Ningbo Construction Engineering Group Co.， Ltd.， Ningbo 315040， Zhejiang， China）

Abstract：" To promote the resource utilization of construction residue soil in the field of building insulation， foamed concrete with density grades of 400 kg/m3 and 600 kg/m3 was prepared by using construction residue soil paste as the pore-forming medium to replace prefabricated foam and applying physical foaming process. The influence of construction residue soil on the pore structure and heat transfer behavior of foamed concrete was investigated. The results show that for foamed concrete with a density of 400 kg/m3， the volume replacement rate of construction residue soil paste ranges from 0% to 60% and the thermal conductivity decreases from 0.09 W/（m·K） to 0.07 W/（m·K）. For foamed concrete with a 600 kg/m3 density， the volume replacement rate of construction residue soil paste ranges from 0% to 100% and the thermal conductivity decreases from 0.14 W/（m·K） to 0.10 W/（m·K）. The addition of construction residue soil paste refines the pore structure of foamed concrete and increases the microscopic porosity. The refinement of the pore structure is attributed to the elongation of heat transfer paths and the decrease of thermal conductivity of the gas-phase and porous matrix， which improves the thermal insulation performance of foamed concrete.

Keywords：" Construction residue soil; Foamed concrete; Pore structure; Thermal insulation performance

泡沫混凝土作為典型的水泥基多孔保溫材料，生產工藝簡單、生產成本低且防火阻燃、性能可控，常用作裝配式墻板、墻體保溫芯材，降低裝配式建筑外圍護結構傳熱系數，實現建筑節能減碳［1-3］。通常情況下，干密度為400～1 600 kg/m3 的這類輕質保溫材料，導熱系數為 0.11～0.30 W/（m·K），具備較好的保溫隔熱能力。然而，相對于有機保溫隔熱材料而言，導熱系數仍較高，保溫隔熱性能存在較大差距［4-6］。材料結構決定其性能，泡沫混凝土保溫隔熱功能源于其基體內部封閉大量空氣，形成了豐富的氣孔、表/界面微結構，因此對于同一基體的保溫隔熱材料，在相同密度或孔隙率情況下，微納米孔結構越多，材料保溫隔熱性能越好［7-8］。國內外研究表明［9-12］，利用蒙脫石等硅鋁質粒子可實現水泥基材料微觀孔結構的大量構筑，達到提升保溫隔熱性能的目的。但以硅鋁質納米粒子為主的傳統微納米成孔劑成本高，制約了其在建筑保溫領域的應用。建筑渣土通常由硅鋁質礦物、細砂、細石等構成［13-14］，富含蒙脫石等硅鋁質粒子，在用作微納米成孔劑強化泡沫混凝土保溫隔熱性能方面有巨大潛力?；诖耍疚囊越ㄖ翞槌煽讋?，協同物理發泡工藝，設計制備400 kg/m3和600 kg/m3密度等級泡沫混凝土，對其孔結構、導熱系數及傳熱行為進行了研究，以期為保溫隔熱性能優良的泡沫混凝土的制備及建筑渣土資源化利用提供參考。

1 試驗

1.1 原材料

膠凝材料：水泥基軟土固化劑，強度等級為1.0R，化學成分見表1，主要物相見圖1。

成孔劑：建筑渣土，化學組成和主要物相分別見表1、圖1。

發泡劑：自制動物發泡劑。

1.2 配合比設計

新拌泡沫混凝土料漿由泡沫、建筑渣土料漿、固化劑漿體構成。本研究采用建筑渣土料漿取代泡沫，并與固化劑漿體混合攪拌，制備400 kg/m3和600 kg/m3密度等級泡沫混凝土，為保持芯材干密度一致，隨渣土料漿用量的增加，固化劑的用量亦會減少，配合比設計方法如式（1）-式（4）所示，因渣土料漿體積取代率超過60%難以設計出400 kg/m3泡沫混凝土，因此，400 kg/m3泡沫混凝土最高體積取代率為60%。

1 m3新拌泡沫混凝土料漿中建筑渣土料漿用量（ms）和固化劑用量（mc）計算方法分別如式（1）和式（2）所示：

ms=γρs［（1+k）ρ-αρcp］γρsws（1+k）-αρcp（1）

mc=ρ-wsmsα（2）

式中：ms，mc分別為建筑渣土料漿和固化劑的質量，kg；ρ為泡沫混凝土的設計干密度，kg/m3；ρs，ρcp分別為建筑渣土料漿和固化劑漿體的密度，kg/m3；γ為建筑渣土料漿體積取代率，%；ws為建筑渣土料漿的固含量（固體質量分數），%；α 為固化劑水化常數，取值1.2。

1 m3新拌泡沫混凝土料漿中用水量（mw）計算如式（3）所示：

mw=kmc（3）

式中：mw為用水量，kg；k為固化劑水灰比。

1 m3新拌泡沫混凝土料漿中泡沫用量（mf）計算如式（4）所示：

mf=（1-msρs-（1+k）mcρcp）×ρf×1.25（4）

式中：mf為泡沫的質量，kg；ρf為泡沫的密度，kg/m3；系數1.25為泡沫富余系數。

1.3 試件制備

根據表2配合比，將稱量的水和固化劑放入膠砂攪拌機攪拌均勻后加入建筑渣土料漿（0.3 mm標準方孔篩過篩建筑渣土，加水稀釋至1 300 kg/m3，固含量為42.5%）均勻攪拌，再向漿體中摻入相應體積的泡沫（發泡劑與水質量比為1∶20，泡沫密度為35 kg/m3）并攪拌均勻，裝入40 mm×40 mm×40 mm模具，1 d后拆模，標準養護（溫度（20±2） ℃，相對濕度≥95%）至齡期，測試其相關性能。

1.4 測試與表征

干密度：按JG/T 266—2011《泡沫混凝土》進行測試，試塊尺寸為40 mm×40 mm×40 mm。

孔結構：采用美國AutoPore V9500壓汞儀對烘干試樣的微觀孔結構進行測試（壓力：0～206.84 MPa）；泡沫混凝土實際氣孔率的測定參考文獻［15］。

導熱系數：按照GB/T 32064—2015《建筑用材料導熱系數和熱擴散系數瞬態平面熱源測試法》測定烘干試樣的導熱系數，儀器為湘潭湘科儀器有限公司DRE-2C導熱系數測定儀，試塊尺寸為40 mm×40 mm×40 mm。

傳熱分析：采用東莞博晟BC200-3電子顯微鏡對泡沫混凝土表面宏觀氣孔結構進行拍照，使用圖像分析軟件對圖片進行二值化，并裁剪成尺寸為6.94 mm×6.94 mm的圖片，然后導入有限元分析平臺進行傳熱分析。

2 結果與討論

2.1 孔結構

圖2和圖3分別反映了泡沫混凝土在不同渣土料漿體積取代率下的宏觀氣孔結構變化和實際氣孔率。隨著渣土料漿體積取代率的增加，泡沫混凝土內部氣孔孔徑變小，氣孔率下降，小孔數量明顯增加，孔徑得到細化，主要原因在于泡沫混凝土基體的總水膠比增加，改善泡沫之間的黏度，減少泡沫的破泡、合并和長大，導致氣孔變小。因泡沫摻量隨渣土料漿體積取代率的增加而減少，實際氣孔率下降，但連通孔有所增加，主要歸結于泡沫混凝土氣孔細化導致氣孔內表面積增大，連通可能性增強。

不同渣土料漿體積取代率下的泡沫混凝土微觀孔分布和累積孔體積、微觀孔隙率如圖4和圖5所示。隨渣土料漿體積取代率的上升，泡沫混凝土內部 ＞1 μm孔徑的孔體積增加，微觀孔隙率上升。

如圖4 （a）和圖4 （b）所示，400 kg/m3泡沫混凝土，當渣土料漿體積取代率為0%時，孔徑主要集中在15 ，75 ，2 687 nm附近，微觀孔隙率為49.9%，累計微觀孔體積為0.49 mL/g；當渣土料漿體積取代率為40%時，孔徑向小孔徑方向移動，在1 646 nm附近，孔徑分布范圍變寬，7，20，39 nm小孔峰位凸顯，表明渣土對孔徑的細化有一定積極作用，此時的微觀孔隙率增至59.5%，累計微觀孔體積為0.71 mL/g，微觀孔隙率上升；隨著渣土料漿體積取代率的增加，小孔峰位消失，1 μm以上的孔體積增加，微觀孔隙率增至62.4%，累計微觀孔體積為0.73 mL/g。如圖4 （c） 和圖4 （d） 所示，600 kg/m3泡沫混凝土，當渣土料漿體積取代率從0% 分別增至40%，60%，80% 時，1 μm以下的孔體積逐漸減少，1 μm以上的孔體積顯著增加，孔徑分布范圍變寬，對應的微觀孔隙率為51.2%，55.7%，55.9%，累計微觀孔體積分別為0.41， 0.69， 0.81 mL/g。

圖5反映了不同渣土料漿體積取代率下泡沫混凝土微觀孔隙率的變化。隨渣土料漿的摻入，水泥基固化劑水化生成CSH等凝膠物質，增強顆粒之間的膠結，泡沫混凝土內部未被水化產物占據的空間形成大量毛細孔，代替被渣土料漿取代的那部分泡沫，從而改善泡沫混凝土的孔結構，促使泡沫混凝土實際氣孔率下降，微米孔含量增加和微觀孔隙率上升；當渣土料漿體積取代率較高時，固化劑與水反應生成水化產物不足以完全膠結渣土顆粒，基體骨架結構強度得不到保證，因坍塌而導致固相繼續填充孔隙，部分孔得到細化的同時造成基體微觀孔隙率提升不明顯，如圖5中渣土料漿取代率為80%時的600 kg/m3泡沫混凝土。

2.2 保溫隔熱性能

圖6反映了泡沫混凝土導熱系數隨渣土料漿體積取代率的變化。從圖6可以看出，在保持干密度一致的條件下，導熱系數隨渣土料漿體積取代率的增加呈下降趨勢。如圖6（a）所示，400 kg/m3泡沫混凝土隨渣土料漿體積取代率的增加，導熱系數先保持不變，然后逐漸下降，分別為0.09，0.09，0.08，0.07 W/（m·K），渣土料漿體積取代率為60%時，其導熱系數降低了22.2%； 如圖6（b）所示， 600 kg/m3泡沫混凝土，渣土料漿體積取代率從0%增至100%，導熱系數隨渣土料漿體積取代率的增加逐漸降低，分別為0.14，0.12，0.12，0.11，0.10，0.10 W/（m·K），渣土料漿體積取代率為100%時，導熱系數降低了28.6%。建筑渣土的摻入，細化氣孔，導致泡沫混凝土氣孔尺寸減小，傳熱路徑增長，使傳熱效率降低，同時泡沫混凝土微米孔含量增加，也導致其導熱系數降低；另一方面，泡沫混凝土由多孔基體與氣相組成，多孔基體的導熱系數均隨渣土料漿體積取代率的增加而降低（見表3），亦會導致泡沫混凝土的導熱系數降低。

2.3 傳熱行為

為了進一步明確泡沫混凝土的傳熱特點，采用有限元分析平臺對其進行了二維穩態傳熱分析，邊界溫度條件如圖7所示，黑色部分表示氣孔，白色部分表示多孔基體，左邊界高溫壁面溫度為318.15 K，右邊界低溫壁面溫度為293.15 K，上下邊界絕熱。其中，多孔基體導熱系數受到建筑渣土的影響，其實測值如表3所示，呈現不同程度降低。

圖8和圖9分別反映了400 kg/m3和600 kg/m3泡沫混凝土的溫度云圖和熱流分布云圖。圖10為不同渣土料漿體積取代率下泡沫混凝土的溫度云圖等值線。在保證干密度一致的情況下，泡沫混凝土保溫隔熱性能更加依賴于其孔結構的變化。如圖8 （a）和圖9 （a）所示，隨著渣土料漿體積取代率的增加，泡沫混凝土內部氣孔發生明顯變化，氣孔細化，封閉孔減少，連通孔增加，傳熱路徑增長，并且多孔基體的導熱系數降低，從而降低泡沫混凝土導熱系數。由傅里葉定律可知，導熱系數與熱流密度成正比［16-17］，從圖8 （b）和圖9 （b）可以看出，泡沫混凝土內部傳熱主要是通過多孔基體進行，芯材多孔基體的熱流密度明顯大于氣孔的熱流密度，并且隨渣土料漿體積取代率的增加，傳熱路徑變復雜，迫使一部分傳熱通過氣相進行，從而導致泡沫混凝土內部熱流密度逐漸減少，導熱系數降低。

從圖10可以看出，隨渣土料漿體積取代率的增加，等溫線逐漸趨于平直，主要原因是當渣土料漿體積取代率為0%時，泡沫混凝土內部大孔小孔并存，經過多孔基體和氣相時的溫度差異導致熱流密度不同，進而導致等溫線的曲折變化。隨渣土料漿的引入，傳熱途徑變復雜，孔徑細化，泡沫混凝土內部多孔基體與氣相之間相互穿插，兩相在泡沫混凝土內的分布變得均勻，迫使一部分熱流通過氣相傳輸，從而導致內部等溫線逐漸趨于平直，導熱系數降低。

3 結論

以建筑渣土料漿取代預制泡沫制備了不同密度等級的泡沫混凝土，研究了渣土對其孔結構及傳熱行為的影響，得到如下結論： （1）建筑渣土可以優化泡沫混凝土的孔結構，細化孔徑，降低氣孔率，增加微觀孔含量和微觀孔隙率；（2） 密度400 kg/m3泡沫混凝土，當渣土料漿體積取代率從0%增至60%，導熱系數從0.09 W/（m·K）降至0.07 W/（m·K），密度600 kg/m3泡沫混凝土，當渣土料漿體積取代率從0%增至100%，導熱系數從0.14 W/（m·K）降至0.10 W/（m·K），說明建筑渣土可以降低泡沫混凝土的導熱系數，提升泡沫混凝土的保溫隔熱性能；（3）渣土料漿取代預制泡沫提升泡沫混凝土的保溫隔熱性能的作用機制為建筑渣土優化泡沫混凝土孔結構，改善內部氣固相分布均勻性，延長了傳熱路徑，降低了多孔基體的導熱系數和熱流密度，從而降低了泡沫混凝土的導熱系數，提高其保溫隔熱性能。

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基金項目：四川省自然科學基金項目（2022NSFSC1135）；寧波市科技計劃項目（科技創新2025創新挑戰賽2022T003）

作者簡介：第一作者，楊晨熙（1996— ），男，碩士研究生，E-mail： ycx_chenxi@163.com； 通信作者，蔣?。?991— ），男，副教授，研究方向為建筑節能材料，E-mail： jiangjun@swust.edu.cn