吳宇豪，盤榮俊，周治洲，魏鑫

（廣西科技大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西柳州 545000）

0 引言

隨著綠色節(jié)能建筑的發(fā)展，新型綠色建筑墻體保溫材料將沿著低導(dǎo)熱系數(shù)、多孔、輕質(zhì)的方向發(fā)展[1]。有機(jī)保溫材料有聚氨酯泡沫、膨脹聚苯乙烯泡沫、酚醛泡沫，無(wú)機(jī)保溫材料有巖棉、多孔混凝土、泡沫玻璃、陶粒等[2]，它們共同的特點(diǎn)為內(nèi)部具有豐富的閉口孔。常用的陶?；炷翆?dǎo)熱系數(shù)為0.20～0.32 W/（m·K）[3]，仍具有很大的提升空間。陶粒從制備方式上可分為燒結(jié)陶粒和免燒陶粒，現(xiàn)階段研究的陶粒大多為免燒陶粒，其成分主要由粉煤灰作為主體材料，水泥作為粘結(jié)劑以及其他添加劑組成[4]。

保溫材料內(nèi)部具有豐富且分散均勻的封閉小孔，是材料能夠達(dá)到保溫隔熱效果的外在因素[5-6]，有研究者在陶粒制備完畢后，通過低溫加熱發(fā)泡的處理方法提升陶粒的孔隙率[7]。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)[8]，50 kHz超聲波對(duì)煙煤毛細(xì)孔的形成有著顯著作用。本試驗(yàn)以粉煤灰為主要原料生產(chǎn)免燒陶粒，對(duì)制備的陶粒進(jìn)行超聲處理，研究其處理后的保溫隔熱效果。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

水泥：P·O42.5，廣西魚峰水泥股份有限公司；粉煤灰：Ⅰ級(jí)，主要成分為SiO2和Al2O3，二者總含量達(dá)84.3%（見表1），主要晶體形態(tài)為莫來石和石英（見圖1），來賓市發(fā)電廠；石膏：熟石膏粉，廣西環(huán)球石膏制品廠；石灰：純生石灰，柳江向陽(yáng)礦石加工廠。

將混合料按m（粉煤灰）∶m（水泥）∶m（熟石膏粉）∶m（生石灰）=75.8∶15.1∶6.1∶3.0配比混合后通過Beckman Coulter激光粒度儀LS13320測(cè)得其粒度如圖1所示，可知混合料的d10=1.85 μm，d50=12.68 μm，d90=65.59 μm。

表1 粉煤灰的主要化學(xué)成分 %

圖1 粉煤灰的X光衍射圖譜

圖2 混合料的粒徑分布及其含量的累積百分比

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與過程

按m（粉煤灰）∶m（水泥）∶m（熟石膏粉）∶m（生石灰）=75.8∶15.1∶6.1∶3.0配比攪拌后置入造粒機(jī)中，對(duì)其噴入適量的水，造粒結(jié)束后進(jìn)行自然養(yǎng)護(hù)，再進(jìn)行不同功率及不同時(shí)間的超聲波處理。本實(shí)驗(yàn)采用科普達(dá)HL-2600超聲波清洗儀，將陶粒養(yǎng)護(hù)若干時(shí)間后，放入含有水溶液的超聲波清洗儀器中?？刂?個(gè)因素，對(duì)陶粒處理前的養(yǎng)護(hù)時(shí)間分別為2、4、6 d，超聲波功率分別為648、1296、1944 W，超聲波處理時(shí)間分別為0、10、20、30、40、50 min（其中0 min為非超聲波處理的對(duì)照組），處理完畢后自然養(yǎng)護(hù)至28 d，然后測(cè)其相關(guān)性能。

1.3 測(cè)試方法

本實(shí)驗(yàn)主要控制指標(biāo)為孔隙率，使用阿基米德排水法計(jì)算其開口孔隙率，將制備的干燥陶粒（質(zhì)量為m1）放入沸水中浸泡1 h，使其吸水飽和（質(zhì)量為m2），開口孔隙率ρ0計(jì)算公式為：

式中：V——試驗(yàn)陶粒的總體積，cm3。

然后將其放入烘箱中以（105±5）℃烘干8 h以上，將其磨碎至粉末狀（質(zhì)量為m3），將固定容量的比重瓶裝滿水（本實(shí)驗(yàn)使用200 ml比重瓶），其質(zhì)量為m4，將磨碎的粉末倒入比重瓶中加滿水，并稱其質(zhì)量m5，按式（2）計(jì)算其閉口孔隙率ρc[10]：

堆積密度和筒壓強(qiáng)度的測(cè)試方法參考GB/T17431.1—2010《輕集料及其試驗(yàn)方法第1部分：輕集料》、GB/T 17431.2—2010《輕集料及其試驗(yàn)方法第2部分：輕集料試驗(yàn)方法》，通過瑞典Hot Disk TPS-1500熱常數(shù)分析儀測(cè)試陶粒的導(dǎo)熱系數(shù)，陶粒表面的孔隙以及其部分水化產(chǎn)物通過日本日立公司（Hitachi）型號(hào)為S-3400N的場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 陶粒的開口孔隙率和閉口孔隙率（見圖3）

圖3 不同實(shí)驗(yàn)條件下陶粒的開口孔隙率和閉口孔隙率

由圖3可見，本實(shí)驗(yàn)結(jié)果通過0、10、20、30、40 min作為處理時(shí)間的變量，在3種功率下（648 W、1296 W、1944 W），陶粒中所含水分的氣孔通過在超聲波的震動(dòng)下從而產(chǎn)生空化作用[10]，開口孔隙率和閉口孔隙率都有所提升，且在3種超聲功率下處理時(shí)間為30 min時(shí)其閉口孔隙率均較高。

相比于28 d自然養(yǎng)護(hù)的對(duì)照組，在功率較低的648 W，超聲處理前養(yǎng)護(hù)6 d且至少處理30 min，開口孔隙率能夠達(dá)到50.53%，相同情況下處理40 min，開口孔隙率變化不顯著，為50.98%，而在相同情況使用1944W較高功率處理下，開口孔隙率稍有提升，最高達(dá)到52.06%。從功率變化的角度分析，養(yǎng)護(hù)6 d后再進(jìn)行超聲波處理得到的開口孔隙率較大。在相同的處理時(shí)間內(nèi)，高功率的超聲波處理能夠給予陶粒更多的振動(dòng)，且在較高頻率下的超聲處理使得孔隙體積增長(zhǎng)率比低頻處理的大，在超聲處理期間，微孔不斷傳播至更大孔，隨著超聲處理時(shí)間延長(zhǎng)，部分內(nèi)部存在裂紋的陶粒會(huì)破裂[8]。

相對(duì)于開口孔的提升而言，超聲處理后的閉口孔隙率提高效果顯著，其提升率高達(dá)169.4%。陶粒養(yǎng)護(hù)6 d后在1944 W的功率下處理30 min閉口孔隙率最高可達(dá)12.77%，在處理時(shí)間只有10 min時(shí)，較低功率的超聲波能夠使養(yǎng)護(hù)2 d后處理的陶粒相比養(yǎng)護(hù)時(shí)間更長(zhǎng)再處理的陶粒得到更高的閉口孔隙率。在超聲波處理時(shí)間超過30 min時(shí)，從閉口孔隙率可得出，閉口孔遭到一定的破壞。究其原因是陶粒中所含的水泡產(chǎn)生的空化作用，隨著超聲時(shí)間的延長(zhǎng)，氣泡在陶粒中產(chǎn)生、膨脹、收縮、潰滅的過程不斷重復(fù)，使得陶粒中的閉口孔連通即閉口孔遭到了破壞，進(jìn)而增加了開口孔隙率[11]。

2.2 陶粒的導(dǎo)熱系數(shù)（見圖4）

圖4 不同實(shí)驗(yàn)條件下陶粒的導(dǎo)熱系數(shù)

由圖4可見，經(jīng)過超聲波處理的陶粒其導(dǎo)熱系數(shù)隨處理時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，在30 min的1296 W與1944 W兩種超聲功率下，導(dǎo)熱系數(shù)到達(dá)最低值，分別為0.188、0.175 W/（m·K），綜合超聲波處理前的養(yǎng)護(hù)時(shí)間而言，養(yǎng)護(hù)6 d后進(jìn)行超聲波處理能夠達(dá)到較好效果，超聲波處理的時(shí)間超過30 min也對(duì)陶粒導(dǎo)熱系數(shù)的降低造成一定程度的負(fù)作用。原因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間的超聲處理使陶粒內(nèi)所含水分的微孔產(chǎn)生空化作用時(shí)間延長(zhǎng)，空化作用進(jìn)行到一定的程度即可達(dá)到最高閉口孔隙率，進(jìn)而達(dá)到最低的導(dǎo)熱系數(shù)。類似煤炭的煤化過程，閉口孔隙率隨著氣孔的成長(zhǎng)可達(dá)到一個(gè)峰值，閉口孔隨之增長(zhǎng)而破壞[12]。導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)隨著孔隙率的增加而下降，尤其是閉口孔隙，內(nèi)部氣孔使熱量傳導(dǎo)受阻，延緩了熱量的傳導(dǎo)[13]。

2.3 陶粒的堆積密度（見圖5）

圖5 不同實(shí)驗(yàn)條件下陶粒的堆積密度

由圖5可見，通過超聲波處理的陶粒，其堆積密度隨處理時(shí)間的延長(zhǎng)呈下降趨勢(shì)，開口孔隙率在超聲波處理后增大，即開口孔數(shù)量較多，雖然閉口孔隙率相對(duì)于對(duì)照組增加，但其增長(zhǎng)速率并沒有保持正值，導(dǎo)致堆積密度隨著超聲處理時(shí)間變化較緩，在1944 W高功率下處理40 min，處理前養(yǎng)護(hù)6 d的陶粒堆積密度達(dá)到最低值671.6 kg/m3，但在648 W較低功率處理40 min，處理前養(yǎng)護(hù)時(shí)間（2、4、6 d）的影響微弱，堆積密度分別為698.3、687.8、700.4 kg/m3。由于陶粒在超聲波作用下，周期性產(chǎn)生的氣泡會(huì)進(jìn)入孔隙內(nèi)繼續(xù)進(jìn)行空化效應(yīng)，空化效應(yīng)的氣泡破裂過程瞬間造成局部高溫高壓[14]，破壞一部分水化程度低的產(chǎn)物，一定程度上相當(dāng)于增加了內(nèi)部孔隙，堆積密度受到孔隙率的影響，總孔隙率越高，堆積密度相應(yīng)降低。

2.4 陶粒的筒壓強(qiáng)度（見圖6）

圖6 不同實(shí)驗(yàn)條件下陶粒的筒壓強(qiáng)度

由圖6可見，隨著超聲處理時(shí)間的延長(zhǎng)，的粒的筒壓強(qiáng)度總體上呈下降趨勢(shì)，在處理時(shí)間為20 min時(shí)，筒壓強(qiáng)度比處理時(shí)間為10 min的高，在最高的功率1944 W下，筒壓強(qiáng)度降到最低，最低值為1.12 MPa。從孔隙率的指標(biāo)來看，在最高的功率1944 W下處理40 min，總孔隙率在60%左右，其對(duì)應(yīng)的筒壓強(qiáng)度較低。

2.5 陶粒的SEM分析（見圖7）

圖7 不同實(shí)驗(yàn)條件下陶粒的SEM照片

由圖7可見，經(jīng)過超聲處理后的陶粒，其表面存在未水化的粉煤灰較對(duì)照組的多。28 d自然養(yǎng)護(hù)對(duì)照組的陶粒，其外表面較為密實(shí)，水化產(chǎn)物多。超聲處理的時(shí)間與功率都可增加陶粒的孔隙，對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的降低亦有一定的促進(jìn)作用。

2.6 陶粒的XRD分析（見圖8）

由圖8可見，陶粒在28 d自然養(yǎng)護(hù)時(shí)C-S-H含量相比在超聲波處理?xiàng)l件下較高，從圖7（a）可以看出，28 d自然養(yǎng)護(hù)下的陶粒表面孔隙較少，相比超聲陶粒而言，其表面較為密實(shí)。自然養(yǎng)護(hù)下的陶粒在2θ=48°附近有二水鈣長(zhǎng)石的衍射峰，在22°～23°有少量纖維石，其主要成分為二水硫酸鈣，兩者的硬度與石英相當(dāng)，可斷定28 d自然養(yǎng)護(hù)的陶粒強(qiáng)度較高。由圖6可得出，28 d自然養(yǎng)護(hù)下陶粒的筒壓強(qiáng)度為2.66 MPa，遠(yuǎn)高于經(jīng)超聲處理的陶粒。經(jīng)過超聲處理后再養(yǎng)護(hù)至28 d時(shí)，C-S-H含量降低。

圖8 不同實(shí)驗(yàn)條件下陶粒的XRD圖譜

3 結(jié)論

（1）采用超聲波處理能提升陶粒內(nèi)部的孔隙率，閉口孔隙率在養(yǎng)護(hù)6 d后用1944 W功率下超聲30 min時(shí)能夠達(dá)到閉孔孔隙率的最大值，而開口孔隙率則隨著超聲時(shí)間的延長(zhǎng)而增大。

（2）經(jīng)超聲波處理后，陶粒中的水化硅酸鈣（C-S-H）的含量降低，筒壓強(qiáng)度顯著下降，超聲波會(huì)破壞水化產(chǎn)物，降低顆粒之間的粘結(jié)性。

（3）經(jīng)超聲處理的陶?？紫堵曙@著增大，導(dǎo)熱系數(shù)可降至0.175 W/（m·K），保溫性能提高。