瀝青拌和站回收粉制備泡沫混凝土的性能研究

徐勤敏,朱亞光,徐培蓁

(青島理工大學 土木工程學院,青島 266525)

隨著國家經濟的快速發展,能源消耗猛增,致使國家大力推廣節能建筑材料[1]。據統計,2018年我國建筑總能耗量和CO2排放量分別占全國的46.5%和51.2%;水泥生產和生活取暖均在建筑能耗與碳排放中占據較大比重[2]。因此,加大節能建筑材料的使用是減少建筑行業能耗與碳排放的解決途徑之一。泡沫混凝土是一種輕質多孔的節能建筑材料,由水泥、發泡劑、水、外摻劑等材料組成,具有輕質、保溫、可隔音和耐久等優點,摻入粉煤灰、硅灰、礦渣等摻和料還可減少水泥的用量,因此被廣泛應用[3-5]。王靜文等指出,適量的粉煤灰可以改善泡沫混凝土的后期強度[6]。陳立延等針對粉煤灰摻量對泡沫混凝土性能的影響進行研究,得出摻入粉煤灰可以改善漿體和易性和孔隙的結論[7]。黃玉琴等以納米二氧化硅、硅灰、礦粉為摻和料取代水泥制備泡沫混凝土,得出硅灰的二次水化可以提高泡沫混凝土后期強度的結論[4]。劉淼用再生粉體制備泡沫混凝土,得出復配粉體中的細顆粒可以優化孔結構的結論[8]。張景文用再生微粉制備泡沫混凝土,研究結果表明不同粒徑的材料按照一定比例復摻可以提高微集料的協同效應[9]。

另一方面,我國道路交通建設也處于快速發展階段,瀝青混凝土在生產過程中產生的大量粉塵導致環境污染。鐘小霞用瀝青拌和站回收粉制備中強度等級混凝土,得出回收粉的填充效應可以改善混凝土孔結構,但摻量過多會對混凝土強度產生負面影響的結論[10]。郭伶伶設計了三種水膠比的路用混凝土,得出回收粉摻量為10%時對混凝土性能影響較小的結論[11]。吳國林選取三種細度的石灰石粉制備泡沫混凝土,發現石灰石粉中細粉含量為37.93%時,石灰石粉可以發揮最好的填充效果[12]。

目前降低水泥用量的常用方式為加入摻和料,但是粉煤灰、礦渣粉等摻和料已出現供不應求的局面;將回收粉作為摻和料應用于泡沫混凝土,既可打破粉煤灰等摻和料供不應求的局面,又可增加回收粉的應用途徑,具有重大意義[10-12]。因此,本試驗設計干密度等級為A06的泡沫混凝土基準組,在基準組配比的基礎上用回收粉以不同比例取代復合摻和料(粉煤灰∶硅灰=1∶1),以此研究回收粉摻量的增加對泡沫混凝土物理性能的影響規律,并對結果進行對比分析。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

1) 瀝青拌和站回收粉:試驗使用青島冠通市政市區分公司的回收粉,球磨3 min后得到的回收粉粒徑集中于6～40 μm,粒徑分布見圖1。回收粉的礦物組成以CaCO3和SiO2為主,礦物組成見圖2。回收粉的表觀密度、堆積密度、需水量比和活性指數均參照標準《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T 1596-2017)[13]進行測試;燒失量參照標準《水泥化學分析方法》(GB/T 176-2017)[14]中的灼燒差減法進行測試;化學組成與技術指標分別見表1、表2。

表1 回收粉、水泥的化學組成 %

表2 回收粉技術指標

2) 水泥:試驗使用P·O 42.5山水牌普通硅酸鹽水泥,化學組成見表1,物理性能見表3。

表3 水泥的物理性能

3) 粉煤灰:試驗使用鞏義市生產的二級粉煤灰,物理性能見表4。

表4 粉煤灰的物理性能

4) 硅灰:試驗使用四川朗天硅灰,物理性能見表5。

表5 硅灰的物理性能

5) 發泡劑:試驗使用的發泡劑是主要由十二烷基苯磺酸鈉組成的陰離子發泡劑,生產的泡沫密度為63 kg/m3。發泡劑的性能均符合標準《泡沫混凝土》(JG/T 266-2011)[15]中的要求。

6) 拌和水:試驗使用的拌和水為自來水。

1.2 泡沫混凝土的制備

為研究瀝青拌和站回收粉泡沫混凝土的性能,采用復合摻和料(粉煤灰∶硅灰=1∶1)等質量取代20%的水泥,設計干密度等級為A06的泡沫混凝土基準組;在基準組配合比的基礎上,選取研磨3 min的回收粉以0%,20%,40%,60%,80%,100%的取代率等質量取代復合摻和料。配合比見表6。

表6 泡沫混凝土配合比

1.3 試塊制備

根據表6中所示的混合比例稱取材料,精確至0.1 g,將所有固體材料攪拌均勻,與水混合后攪拌1 min得到漿體。通過物理發泡,制備出相應體積的泡沫,后用手將漿體與泡沫混合2 min,手動混合完畢后將其在120 r/min的轉速下混合3 min,攪拌完畢后立即進行流動度試驗,將泡沫混凝土裝入尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的模具中。養護1 d后拆模,置于標準環境下((20±2)℃,相對濕度≥95%)固化到規定齡期后進行測試。

1.4 試驗方法

泡沫混凝土的流動度參照標準《泡沫混凝土應用技術規程》(JGJ/T 341-2014)[16]進行測試。泡沫混凝土的抗壓強度、干密度、吸水率參照標準《泡沫混凝土》(JG/T 266-2011)進行測試。泡沫混凝土的導熱系數參照標準《泡沫混凝土制品性能試驗方法》(JC/T 2357-2016)[17]進行測試。

2 試驗結果與分析

2.1 回收粉取代率對流動度的影響

泡沫混凝土的流動度隨回收粉取代率變化的趨勢如圖3所示。由圖3可知,泡沫混凝土的流動度隨著回收粉取代率的增加呈上升趨勢。這是因為隨著回收粉取代率的增加,粉煤灰與硅灰在復合摻和料中所占比例逐漸降低,回收粉的比表面積遠低于硅灰,浸潤回收粉顆粒表面所需的水分遠少于硅灰,從而增加了漿體中的可用水用量;而且,粉煤灰與硅灰的減少導致漿體的黏聚性降低,因此泡沫混凝土的流動度逐漸增加[18-21]。

圖3 回收粉取代率對泡沫混凝土流動度的影響

2.2 回收粉取代率對抗壓強度的影響

泡沫混凝土的7,14,28 d抗壓強度隨回收粉取代率變化的趨勢如圖4所示。由圖4可知,泡沫混凝土的抗壓強度隨著回收粉取代率的增加呈現先增加后降低的趨勢,當回收粉取代率為20%,40%,60%,80%,100%時泡沫混凝土的28 d抗壓強度較基準組的分別提高了25.23%,8.72%,6.19%,3.21%和-6.19%。抗壓強度的提高是因為回收粉粒徑較小且主要集中于6～40 μm,致使摻入回收粉在增強復合摻和料微集料協同效應的同時改善漿體流動度,提高孔壁密實度使結構變得更加密實的同時減少泡沫混凝土在攪拌過程中的泡沫破損;且有文獻表明,含有較多鋁相的摻和料與回收粉以適當比例復摻可以提高CaCO3的反應比例,加速早期水化并在后期水化中生成化學物質比較穩定的單碳水化鋁酸鈣,SiO2可參與水化反應產生水化硅酸鈣,在一定程度上可提高基體強度與密實度,改善內部孔隙[4,10,20,22-23]。但隨著回收粉摻量的增加,漿體黏聚性降低的同時泡沫混凝土中氣孔破裂概率變大,閉孔連通孔減少,CaCO3抑制鈣礬石轉化導致絮狀、網狀結晶較少,水化結晶之間的連接力降低,導致泡沫混凝土的抗壓強度降低[10,20]。

2.3 回收粉取代率對干密度和導熱系數的影響

泡沫混凝土的干密度和導熱系數隨回收粉取代率變化的趨勢,分別如圖5、圖6所示。由圖5可知,泡沫混凝土的干密度隨著回收粉取代率的增加呈現出先增加后減少再增加的趨勢。回收粉摻量為20%時,漿體黏度較好,水泥、粉煤灰、硅灰與回收粉之間形成了良好的級配,微集料協同效應加強,顆粒較好地填充泡沫混凝土內部的孔隙,漿體孔壁密實度增大,泡沫混凝土的干密度得到提升。回收粉摻量為20%～60%時,漿體的流動性逐漸增大減弱了水泥顆粒間的內摩擦力,攪拌過程中受水泥顆粒剪切作用而破裂的泡沫數量逐漸減少;微集料協同效應逐漸減弱,泡沫的孔壁密實度逐漸降低,泡沫混凝土干密度降低。回收粉摻量為60%及以上時,漿體黏聚力驟降,但較多的不規則回收粉顆粒在攪拌過程中導致泡沫破裂程度加大,泡沫混凝土干密度逐漸增加[9-10,18,24]。

圖5 回收粉取代率對泡沫混凝土干密度的影響

圖6 回收粉取代率對泡沫混凝土導熱系數的影響

由圖6可知,泡沫混凝土的導熱系數與干密度的變化趨勢一致,這是因為泡沫混凝土的導熱系數與干密度有較高的相關性[25]。回收粉摻量為20%時,導熱系數較基準組增加了6.1%,這是因為較高的孔壁密實度增加了傳熱能力;回收粉摻量為20%～60%時,導熱系數逐漸降低,這是因為隨著回收粉取代率的增加孔壁密實度逐漸降低,氣孔所占比例逐漸增大,熱量傳導速度逐漸減緩;當回收粉摻量為60%及以上時,氣孔所占比例開始持續降低并存在較多的劣化孔,導致傳熱速率快速增加[21]。

2.4 回收粉取代率對吸水率的影響

泡沫混凝土的吸水率隨回收粉取代率變化的趨勢如圖7所示。由圖7可知,泡沫混凝土的吸水率隨著回收粉取代率的增加呈現先降低后增加的趨勢。回收粉摻量為20%時,對泡沫混凝土的吸水率有改善效果;呈現出這種趨勢是因為當回收粉摻量為20%時,泡沫混凝土的孔壁結構得到改善,硅灰、粉煤灰、回收粉的微集料協同效應可以較好地填充孔隙,摻和料的火山灰效應產生C-S-H凝膠增加水化結晶黏結力,泡沫混凝土的吸水率出現短暫降低。但當回收粉摻量繼續增加時,過剩的鈣礬石弱化晶體之間的連接,微集料協同效應逐漸減弱,泡沫混凝土的孔結構出現劣化產生較多的連通孔,導致泡沫混凝土的吸水率逐漸增加[4,7,11,20]。

圖7 回收粉取代率對泡沫混凝土吸水率的影響

3 結論

1) 回收粉可以作為摻和料應用于泡沫混凝土。

2) 隨著回收粉取代復合摻和料比例的增加,泡沫混凝土的流動度持續增加;抗壓強度呈現先增加后降低的趨勢;干密度和導熱系數均呈現先增加后降低再增加的趨勢;吸水率呈現先降低后增加的趨勢。

3) 回收粉取代摻和料的20%時,FC-20的干密度等級為A06,流動度、28 d抗壓強度、導熱系數和吸水率分別為109.5 mm,5.46 MPa,0.1392 W/(m·K)和35.88%,較基準組分別提高了12.89%,25.22%,4.27%,-2.71%。