徐華超+樊傳剛+馬遠(yuǎn)+李家茂+雷團(tuán)結(jié)+陳賀

摘要：文中采用磨細(xì)石英粉末為活性粉末，污泥燒脹陶粒為粗輕集料，和采用膨脹珍珠巖同時(shí)兼作細(xì)集料和發(fā)泡劑載體，制備出了系列輕混凝土試樣，并對其力學(xué)性能和熱學(xué)性能等進(jìn)行了系統(tǒng)表征。研究發(fā)現(xiàn)：1）輕混凝土試樣的（絕干）體積密度、28d抗折和劈裂抗拉強(qiáng)度隨著磨細(xì)石英粉末量增加而增大，當(dāng)石英粉末量從0%增加到16%時(shí)，試樣的抗壓強(qiáng)度從17.3 MPa增加到20.4 MPa，劈裂抗拉強(qiáng)度從1.7 MPa增加到2.1 MPa（提高了24%）；2）石英粉末的加入對輕混凝土試樣的干縮率和導(dǎo)熱系數(shù)影響幅度較小，當(dāng)石英粉量從0%到4%變化時(shí)，輕混凝土試樣的干縮率有輕微變化，當(dāng)石英粉末從4%增加至16%時(shí)，試樣的干縮率隨之減?。◤?.3×10-4減小到3.8×10-4）；當(dāng)石英粉末量從0%增加到16%時(shí)，試樣的導(dǎo)熱系數(shù)從0.24 W·m-1·K-1增大到0.27 W·m-1·K-1。

關(guān)鍵詞：磨細(xì)石英粉末；輕混凝土；原位化學(xué)發(fā)泡；力學(xué)性能

1引言

住宅產(chǎn)業(yè)化是建筑現(xiàn)代化的必要途徑，而采用裝配式輕質(zhì)墻材是獲得隔音、隔熱和抗震裝配式建筑的必要手段，同時(shí)裝配式墻材單位容重的減輕，也會使住宅產(chǎn)業(yè)化的重要環(huán)節(jié)，PC件的搬運(yùn)和吊裝成本大幅度降低[1]。發(fā)泡和采用輕集料是使水泥基混凝土輕化的兩種主要手段[2-3]，但輕化同時(shí)會導(dǎo)致混凝土材料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低。筆者所在實(shí)驗(yàn)室曾開發(fā)出原位發(fā)泡的輕混凝土制備方法，通過氣泡發(fā)生過程可控的手段獲得了力學(xué)性能增強(qiáng)的輕集料混凝土[4]。通用水泥制品役期碳化問題是導(dǎo)致其長期力學(xué)性能下降的主要原因[5]，在膠凝體系中引入硅灰等活性粉末，可使膠結(jié)部分的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度得到增強(qiáng)，從而會提高輕混凝土的整體力學(xué)性能和耐久性[6]，但是作為鐵合金冶煉副產(chǎn)的硅灰，其產(chǎn)生量無法滿足高性能混凝土的大量需求，因此尋求硅灰替代物的工作顯得極為關(guān)鍵。在石英礦開采、加工和玻璃原料加工過程中會產(chǎn)生大量的石英粉塵，這些粉塵是導(dǎo)致"矽肺病"的主要原因[7]。石英粉塵主要為SiO2微粒，具有較高活性，若能作為活性粉末加以資源化利用，將會具有重要環(huán)保意義。因此本文模擬以回收石英粉塵（磨細(xì)石英粉）作為活性粉末，將其摻入到原位發(fā)泡輕集料混凝土中，制備出了系列輕混凝土試樣，并系統(tǒng)研究了石英粉末量對輕混凝土試樣的力學(xué)、熱學(xué)等性能的影響規(guī)律。

2. 實(shí)驗(yàn)部分

2.1實(shí)驗(yàn)原料

（1）水泥：海螺牌PO 42.5級普通硅酸鹽水泥，安徽馬鞍山海螺水泥有限責(zé)任公司生產(chǎn)。

（2）粉煤灰：I級粉煤灰，馬鞍山第二電廠提供，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足GB/T1596-2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》的要求。

（3）輕集料：污泥燒脹陶粒（以下簡稱"陶粒"），舒城縣盛宏陶粒廠產(chǎn)，其中干污泥占陶粒配料組成的40%，陶粒的基本性能指標(biāo)見表1。

（4）膨脹珍珠巖：產(chǎn)地信陽，最大粒徑為2 mm，最小粒徑0.1 mm，堆積容重100 kg/m3。

（5）活性粉末：磨細(xì)石英粉（平均粒度為2～15 μm），SiO2≥98%。

（6）其他試劑：化學(xué)發(fā)泡劑，濃度30%的H2O2溶液，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)；增稠劑，羧丙基甲基纖維素（HPMC），分析純，粘度為150000 mpa s，安徽磬琮建材有限公司提供；催化劑，一種過渡金屬化合物，分析純；明膠，分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)；減水劑，聚羧酸類減水劑（無色，液態(tài)），安徽馬鞍山中海新材料公司產(chǎn)（推薦量為0.8 %～1.2 %，減水率為25 %～30 %）；增強(qiáng)纖維，聚丙烯纖維（PP纖維），長度為9 mm，直徑為5 μm。

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器及設(shè)備

采用陶瓷研磨球和陶瓷研磨罐的球磨機(jī)研磨石英粉末，研磨體的直徑3cm；混凝土的攪拌設(shè)備為一臺可變速砂漿攪拌機(jī)，拌合好新鮮LAC試樣在10 cm 10 cm 10 cm和10 cm×10 cm×51.5 cm的混凝土標(biāo)準(zhǔn)試模中澆注成型，并采用標(biāo)準(zhǔn)塌落度筒測試其塌落度。采用萬能試驗(yàn)機(jī)（WE-1000A型液壓式萬能試驗(yàn)機(jī)，濟(jì)南試金集團(tuán)有限公司產(chǎn)）測試28d齡期的LAC試樣抗壓和劈裂強(qiáng)度，采用YBF-3型導(dǎo)熱系數(shù)測定儀（杭州大華儀器制造有限公司產(chǎn)）測量其導(dǎo)熱系數(shù)。

2.3 實(shí)驗(yàn)過程

2.3.1 配合比設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)中采用的基準(zhǔn)輕混凝土配合比確定為：水灰比為0.36（質(zhì)量比）；采用等量取代法加入I級粉煤灰等量取代水泥，取代率為20%；PP纖維的體積量為1 kg/m？；陶粒（堆積體積，單位：L）與膠凝材料（質(zhì)量，單位：kg）的比例為5：3；發(fā)泡劑雙氧水（濃度30 %）用量為膠凝材料質(zhì)量的2.8 %；穩(wěn)泡劑（明膠）用量為加入水質(zhì)量的1.5 %；增稠劑（HPMC）用量為膠凝材料量的0.125 %；催化劑質(zhì)量占過氧化氫溶液質(zhì)量的1.5 %；減水劑選用聚羧酸高效減水劑（占膠凝材料的1.33 %）；在保持上述配比不變的情況下，用石英粉末等量取代粉煤灰，取代量分別占凝膠材料質(zhì)量的0、4 %、8 %、12 %和16 %（分別記作石英粉0、4 %、8 %、12 %、16 %），制備了5組輕混凝土試樣。

2.3.2 試樣制備與性能表征

按設(shè)計(jì)配合比稱取一定量的水泥、粉煤灰、石英粉、PP纖維、發(fā)泡劑、穩(wěn)泡劑溶液、催化劑溶液、增稠劑、水、陶粒和膨脹珍珠巖。將發(fā)泡劑均勻攪入膨脹珍珠巖中，使其成為發(fā)泡劑載體。將水泥、粉煤灰、石英粉、PP纖維和增稠劑喂入攪拌機(jī)中，先干拌30 s，再依次加入水、減水劑、穩(wěn)泡劑和催化劑溶液，并依次慢攪30 s和快攪90 s，攪拌均勻后向其中加入污泥燒脹陶粒（陶粒表面預(yù)先潤濕），并慢攪120 s，然后向其中連續(xù)加入載有發(fā)泡劑的膨脹珍珠巖，并繼續(xù)慢攪60 s，使發(fā)泡劑從集料堆積間隙中的載體內(nèi)釋放出來進(jìn)行原位發(fā)泡。待發(fā)泡過程結(jié)束后，將發(fā)泡陶?；炷翝踩?0 cm×10 cm×10 cm和10 cm×10 cm×51.5 cm的混凝土標(biāo)準(zhǔn)試模中，并進(jìn)行振動(dòng)以脫出攪拌過程引入的大氣泡，靜養(yǎng)1 d后脫模，脫模試樣在（20±2）℃水中養(yǎng)護(hù)至28 d齡期，從水中取出擦干，然后進(jìn)行各項(xiàng)性能測試。

2.3.3 性能檢測

養(yǎng)護(hù)28 d的LAC試樣抗壓、劈裂強(qiáng)度按GB/T50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行分析，（絕干）體積密度和吸水率按GB/T11970-1997《加氣混凝土體積密度、含水率和吸水率的試驗(yàn)方法》進(jìn)行分析。其中抗壓、劈裂強(qiáng)度和體積密度的測試試樣尺寸為10 cm 10 cm 10 cm，干縮率測試試樣為10 cm×10 cm×51.5 cm的四方柱。采用穩(wěn)態(tài)法測定導(dǎo)熱系數(shù)，試樣尺寸為 13.5 cm 4 cm。

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1石英粉末的顆粒形貌

圖1所示為磨細(xì)石英粉末的顯微形貌照片。將工業(yè)級石英粉繼續(xù)研磨40h，所獲得的磨細(xì)石英粉末全部過200目標(biāo)準(zhǔn)篩。從圖中可以看出，石英粉末顆粒分布明顯出現(xiàn)了雙峰分布，即以2 m左右和15 m左右的顆粒為主。這樣的顆粒分布將有助于和水泥顆粒（3～30 m）[8]共同組成密堆填隙結(jié)構(gòu)，有利于強(qiáng)化水泥石的膠結(jié)結(jié)構(gòu)。

3.2體積密度

圖2所示為石英粉量變化對輕混凝土試樣28 d（絕干）體積密度的影響。從圖2可以看出，隨著石英粉量的增加，輕混凝土的絕干密度逐漸增大。細(xì)磨石英粉的粒徑為2～15 m，且以2 m顆粒為主，小于水泥粒徑（3 m～30 m），符合最大密度堆積原理，提高了致密度。同時(shí)石英粉的加入，由于其為球磨的產(chǎn)物，形狀無規(guī)則，因此加入水泥漿體后，降低了流動(dòng)性，使其發(fā)泡過程的阻力增大，雙氧水發(fā)泡所生成氣泡的直徑縮小[4]，也會導(dǎo)致輕混凝土試樣的絕干密度隨之增大。

3.3力學(xué)性能

（1）28 d 抗壓強(qiáng)度

圖3 所示為石英粉末量變化對輕混凝土試樣抗壓強(qiáng)度的影響。從圖中看出：輕混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著石英粉末量的增加而增大，未摻入石英粉末時(shí)，輕混凝土試樣的抗壓強(qiáng)度為17.3 MPa；當(dāng)石英粉量為16 %時(shí)，其抗壓強(qiáng)度達(dá)到了20.4 MPa，抗壓強(qiáng)度持續(xù)提高。這主要?dú)w因于磨細(xì)石英粉末的活性粉末填充作用和所起的火山灰反應(yīng)作用，提高了氣泡壁的密實(shí)度，使其強(qiáng)度得到合理提高。

（2）28 d劈裂抗拉強(qiáng)度

圖4中所示為石英粉末量變化對輕混凝土試樣劈裂強(qiáng)度的影響。從圖5看出輕混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度隨石英粉量的增加而增大。未摻入石英粉時(shí)，其劈裂抗拉強(qiáng)度為1.7 MPa；當(dāng)石英粉量為16 %時(shí)，其劈裂抗拉強(qiáng)度達(dá)到2.1 MPa，其劈裂強(qiáng)度提高了24 %。石英粉末的加入提高輕混凝土中氣泡壁的密實(shí)性，對輕混凝土的劈裂強(qiáng)度提高有一定的貢獻(xiàn)。

3.4其他物理性能

（1）28d干縮率

圖5所示為石英粉末量變化對輕混凝土試樣28 d干縮率的影響。隨著石英粉的加入，輕混凝土的干縮率呈下降趨勢：未摻入石英粉時(shí)，試樣干縮率為4.2×10-4；石英粉摻入量為16 %時(shí)，試樣的干縮率減小到3.8×10-4（均低于行業(yè)中的規(guī)定值6.5×10-4[9]）。上述變化也和石英粉末加入提高了輕混凝土的實(shí)體部分的密實(shí)性相關(guān)，即通過減少混凝土中的微孔、微管系統(tǒng)，使得輕混凝土試樣的干縮率降低。

（2）導(dǎo)熱系數(shù)

圖6所示為石英粉末量變化對輕混凝土試樣導(dǎo)熱系數(shù)的影響，從圖中可看出，輕混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)隨著石英粉末量的增加而輕微增大，未摻入石英粉末時(shí)，輕混凝土試樣的導(dǎo)熱系數(shù)為0.24 W·m-1·K-1；當(dāng)石英粉量為16 %時(shí)，其導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到了0.27 W·m-1·K-1，導(dǎo)熱系數(shù)提高了13 %。這主要是因?yàn)槭⒎哿磕┑脑黾樱岣吡溯p混凝土中實(shí)體部分的密實(shí)度，導(dǎo)熱性提高。但是在輕混凝土試樣中，隔熱作用主要由輕集料、多孔膠結(jié)部位的膨脹珍珠巖、PP纖維以及所發(fā)氣泡等承擔(dān)，所以當(dāng)石英粉末量從0增加到16 %時(shí)，其導(dǎo)熱系數(shù)僅隨之增加了13 %，仍具有顯著隔熱功能。

4.結(jié)論

通過采用磨細(xì)石英粉末作為發(fā)泡輕集料混凝土改性用的活性粉末，制備出了系列輕混凝土試樣，在對其力學(xué)性能和熱學(xué)性能等進(jìn)行系統(tǒng)表征后，得到如下的結(jié)論。

（1）輕混凝土試樣的絕干密度隨著磨細(xì)石英粉末量增加而增大，當(dāng)石英粉量從0增加到16 %時(shí)，其絕干密度也從1068 kg/m3增加到1208 kg/m3。

（2）輕混凝土試樣的28d抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度隨著磨細(xì)石英粉末量的增加而增大，當(dāng)石英粉末量從0%增加到16%時(shí)，試樣的抗壓強(qiáng)度從17.3 MPa增加到20.4 MPa，劈裂抗拉強(qiáng)度從1.7 MPa增加到2.1 MPa

（3）當(dāng)石英粉量從0%到4%變化時(shí)，輕混凝土試樣的干縮率變化幅度較小，當(dāng)石英粉末從4%增加至16%時(shí)，試樣的干縮率隨之減?。◤?.3×10-4減小到3.8×10-4），均低于行業(yè)中的規(guī)定值（6.5×10-4）。

（4）輕混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)隨磨細(xì)石英粉的增加而輕微增大，當(dāng)石英粉末量從0%增加到16%時(shí)，試樣的導(dǎo)熱系數(shù)從0.24 W·m-1·K-1增大到0.27 W·m-1·K-1（僅增加13%）。

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作者簡介：

徐華超（1992.9-），男，漢族，安徽當(dāng)涂人，碩士研究生在讀，主要從事固廢資源綜合利用研究。

基金項(xiàng)目：安徽省重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目，項(xiàng)目編號：1301042105