曾智，李小華，覃向陽(yáng)，蘇歡，李文菁，劉煒凡

（1.湖南工程學(xué)院 建筑工程學(xué)院，湖南 湘潭 411104；2.綠色低碳建筑節(jié)能與材料技術(shù)湖南省工程研究中心，湖南 湘潭 411104；3.湖南英碩建筑節(jié)能材料有限公司，湖南 湘潭 411104）

0 引言

在大部分國(guó)家中約1/3的能源消耗和30%的溫室氣體排放來(lái)源于建筑能耗[1]，而建筑能耗在很大程度上取決于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料的導(dǎo)熱系數(shù)[2]。加氣混凝土由于其低導(dǎo)熱性而被廣泛應(yīng)用在建筑節(jié)能墻體中，然而加氣混凝土的導(dǎo)熱性能受到許多因素的影響，對(duì)此國(guó)內(nèi)外已有大量學(xué)者進(jìn)行了研究。Murat等[3]用H2O2和水玻璃溶液的混合物活化爐渣，以礦渣作為摻合料研究了不同固化條件下固化試樣的性能，制備出了表觀密度為516～1199kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.117～0.206W/（m·K）的加氣混凝土砌塊。Anuar和Eldar[4]在Kim等[5]對(duì)混凝土導(dǎo)熱系數(shù)模型的基礎(chǔ)上，分析了加氣混凝土砌塊的水料比、相對(duì)濕度、養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)其導(dǎo)熱系數(shù)的影響，并建立了預(yù)測(cè)模型。張樂樂[6]采用鋼渣、粉煤灰、石灰、石膏及外加劑，通過(guò)蒸壓工藝制備出了符合GB/T 11968—2020《蒸壓加氣混凝土砌塊》A3.5、B06等級(jí)的合格產(chǎn)品。任毅[7]采用雙氧水為發(fā)氣材料，制備了導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.1429、0.1264W/（m·K）的加氣混凝土，并研究了雙氧水用量與其導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系。熊蒼[8]以鋼渣為摻合料通過(guò)鋁粉發(fā)泡工藝，再經(jīng)過(guò)碳酸化工藝，制備了干密度為589.3 kg/m3，抗壓強(qiáng)度為1.01 MPa的鋼渣加氣混凝土試塊，并研究了水灰比及水泥摻量對(duì)其導(dǎo)熱性能的影響。宋起運(yùn)等[9]通過(guò)試驗(yàn)研究了養(yǎng)護(hù)制度對(duì)礦渣加氣混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)其導(dǎo)熱系數(shù)影響程度為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)>蒸汽養(yǎng)護(hù)>蒸壓養(yǎng)護(hù)。

目前國(guó)內(nèi)外研究大多為粉煤灰或砂等其他常規(guī)加氣混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)，然而對(duì)鋼渣-礦渣加氣混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響因素研究較少。本文通過(guò)單因素控制法分析了養(yǎng)護(hù)時(shí)間、鋼渣與礦渣比例、含水率、鋁粉對(duì)其導(dǎo)熱系數(shù)的影響，可為鋼渣-礦渣加氣混凝土的生產(chǎn)、應(yīng)用以及推廣提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

鋼渣：鋼渣微粉，比表面積400 m2/kg，湘潭某鋼渣處理公司。礦渣：礦渣微粉，S95級(jí)，市售，鐵礦石在冶煉生鐵時(shí)所產(chǎn)生的副產(chǎn)品，在加氣混凝土中主要用作骨料，并與鋼渣發(fā)生水化反應(yīng)。鋼渣與礦渣的主要化學(xué)成分見表1。水泥：P·O42.5。灰加氣鋁膏粉：GLS-65-05型。石灰：有效氧化鈣含量96%，市售。穩(wěn)泡劑：α-烯基磺酸鈉。脫硫石膏：CaSO4·2H2O。聚羧酸減水劑：粉狀，YT-P2。無(wú)水硫酸鈉：99%含量，工業(yè)級(jí)。水玻璃：模數(shù)1.2。氫氧化鈉，三乙醇胺，自來(lái)水。

表1 鋼渣、礦渣的化學(xué)成分 %

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

101-1AB電熱鼓風(fēng)干燥箱、HS-DR-5型瞬態(tài)平面熱源法導(dǎo)熱儀、NJ-160A水泥凈漿攪拌機(jī)、養(yǎng)護(hù)箱、恒溫水槽、SU3500日立掃描電子顯微鏡。

1.3 試驗(yàn)方法

鋼渣-礦渣加氣混凝土的基準(zhǔn)配比與制備工藝參考文獻(xiàn)[10]：水料比為0.45，水溫55℃，水泥20%、石灰6%、石膏5%、水玻璃1%、減水劑1%、無(wú)水硫酸鈉2%、三乙醇胺0.06%、氫氧化鈉0.09%、穩(wěn)泡劑0.04%、鋁粉0.08%，鋼渣和礦渣總量為65%。

2 結(jié)果與討論

2.1 鋼渣與礦渣比例對(duì)加氣混凝土性能的影響

控制鋼渣和礦渣總量為65%，其余工藝和配比一致，研究鋼渣摻量分別為20%、30%、40%（對(duì)應(yīng)礦渣摻量分別為45%、35%、25%）時(shí)對(duì)加氣混凝土性能的影響，結(jié)果見圖1。

由圖1可以看出，隨著鋼渣摻量的增加，鋼渣-礦渣加氣混凝土基材的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸增大，抗壓強(qiáng)度逐漸降低，這是由于鋼渣中含有一定量的鐵元素，而鐵元素的導(dǎo)熱系數(shù)高于混凝土，因此導(dǎo)致鋼渣摻量越大，加氣混凝土基材導(dǎo)熱系數(shù)越大；而抗壓強(qiáng)度逐漸降低的原因主要是因?yàn)殇撛钚暂^低。

2.2 養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)加氣混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響

在加氣混凝土中的水化產(chǎn)物不僅對(duì)抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生影響，還對(duì)其導(dǎo)熱性能有很大的影響，而水化產(chǎn)物的形成隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)而增多[11]。對(duì)此，在鋼渣摻量分別為20%、30%、40%（對(duì)應(yīng)礦渣摻量分別為45%、35%、25%），水料比為0.45，鋁粉摻量為0時(shí)，分別養(yǎng)護(hù)7、14、28 d，測(cè)試了基材的導(dǎo)熱系數(shù)，結(jié)果見圖2。

由圖2可以看出，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)，鋼渣-礦渣加氣混凝土基材的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸增大。這是因?yàn)槠胀ɑ炷恋膶?dǎo)熱系數(shù)取決于混凝土基材的導(dǎo)熱系數(shù)和基材與基材之間的氣孔結(jié)構(gòu)，而隨著膠凝材料水化的進(jìn)行，基材之間的孔隙率逐漸減小。當(dāng)膠凝材料進(jìn)一步水化時(shí)，孔隙之間將慢慢充滿水化產(chǎn)物，剩余的孔隙間距隨后成為多孔固體，其特征為一個(gè)連續(xù)的孔隙系統(tǒng)，通常稱為毛細(xì)孔隙度。這種毛細(xì)孔由許多納米尺寸的孔隙組成。隨著水化的持續(xù)進(jìn)行，更多的水化產(chǎn)物生成，大孔的數(shù)量減少。這就導(dǎo)致導(dǎo)熱系數(shù)提高，因此，混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)而增大。為了驗(yàn)證上述的分析，鋼渣、礦渣摻量分別為30%、35%時(shí)，通過(guò)SEM電鏡分析了養(yǎng)護(hù)時(shí)間為7、14 d鋼渣-礦渣加氣混凝土的氣孔結(jié)構(gòu)，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出，在鋼渣-礦渣加氣混凝土水化過(guò)程中，其水化產(chǎn)物充實(shí)的孔隙較小，這是因?yàn)榈V渣具有一定的黏度，并且顆粒較小，可以有效改善混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密，防止出現(xiàn)大孔[12]，但其水化產(chǎn)物充實(shí)的孔隙較小，從而使鋼渣-礦渣加氣混凝土隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)其導(dǎo)熱系數(shù)增加不明顯。

2.3 含水率對(duì)加氣混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響

由于加氣混凝土的低導(dǎo)熱性主要源于其高孔隙率，然而高孔隙率往往伴隨著試件的高吸水率，當(dāng)加氣混凝土吸水后其導(dǎo)熱性能會(huì)急劇下降，因此在實(shí)際情況下往往需要考慮加氣混凝土含水率對(duì)其導(dǎo)熱系數(shù)的影響。在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，B06（密度為600～625 kg/m3）、B07（密度為700～725 kg/m3）、B08（密度為800～825 kg/m3）等級(jí)的加氣混凝土使用最廣泛，因此，本文對(duì)這3種等級(jí)的加氣混凝土作為樣本進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)研究。按鋼渣30%、礦渣35%，水料比0.5的配比，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為7 d，通過(guò)控制鋁粉摻量制備了B06、B07、B08級(jí)加氣混凝土砌塊。通過(guò)控制加氣混凝土在恒溫水箱的時(shí)間，改變?cè)嚰馁|(zhì)量含水率[13]，測(cè)試鋼渣-礦渣加氣混凝土在不同含水率的導(dǎo)熱系數(shù)，研究加氣混凝土含水率與導(dǎo)熱系數(shù)之間的關(guān)系。圖4為B06、B07、B08級(jí)加氣混凝土在不同含水率下的導(dǎo)熱系數(shù)。

由圖4可以看出：

（1）隨著含水率的增大，3種不同等級(jí)鋼渣-礦渣加氣混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)均呈線性增加，這與于明志等[14]的研究結(jié)果類似，其原因是因?yàn)閷?duì)于干燥試樣，其初始階段的有效導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)低于水的有效導(dǎo)熱系數(shù)，且此時(shí)試樣具有較強(qiáng)的吸濕性能，所以其有效導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)含水率的變化較為敏感，均呈現(xiàn)相同的變化狀態(tài)，且當(dāng)含水率逐漸增大時(shí)，孔隙內(nèi)部水分逐漸累積并散布在基材中，將獨(dú)立的孔連接形成液橋，導(dǎo)致了加氣混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的增大。

（2）在相同含水率下，鋼渣-礦渣加氣混凝土的密度等級(jí)越高導(dǎo)熱系數(shù)越大，這是由于干密度越大孔隙率越小，且當(dāng)含水率逐漸增大時(shí)，孔隙內(nèi)部水分逐漸累積并散布在基材中，獨(dú)立的孔連接形成液橋，因此導(dǎo)致了加氣混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的增大，這與姚曉麗等[15]的研究結(jié)果一致。通過(guò)擬合加氣混凝土導(dǎo)熱系數(shù)與含水率的關(guān)系式發(fā)現(xiàn)均滿足線性關(guān)系，這是由于材料內(nèi)部孔隙表面存在毛細(xì)吸附力，吸附了水分子并形成較為穩(wěn)定的結(jié)合水層，因此，材料孔隙內(nèi)部的水分形成了緊密結(jié)合水[16]，從而使B06、B07、B08級(jí)鋼渣-礦渣加氣混凝土導(dǎo)熱系數(shù)y與含水率h均呈現(xiàn)線性關(guān)系，如式（1）～式（3）表示。

2.4 鋁粉摻量對(duì)加氣混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響

對(duì)于加氣混凝土而言，其導(dǎo)熱系數(shù)主要由基材占比和加氣混凝土中的孔隙含量決定。而鋁粉在加氣混凝土中主要是產(chǎn)生氣泡。以鋼渣30%、礦渣35%為骨料配比的基礎(chǔ)上，按鋁粉摻量分別為0、0.02%、0.04%、0.06%、0.08%、0.10%制備了6組試樣，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為7 d。鋁粉摻量對(duì)加氣混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響見圖5。

由圖5可以看出，隨著鋁粉摻量的增加，鋼渣-礦渣加氣混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸下降，但下降速率逐漸變緩，這是由于當(dāng)鋁粉摻量由0開始增加時(shí)，混凝土內(nèi)氣泡增加，導(dǎo)熱系數(shù)變化明顯，而鋁粉繼續(xù)增加時(shí)，其與漿體接觸面積也增大，因此發(fā)氣速度變快且氣泡增多，但加氣混凝土的凝結(jié)時(shí)間不變，因此會(huì)導(dǎo)致部分氣體會(huì)在凝結(jié)之前溢出，使得鋁粉摻量在持續(xù)增加時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)下降速率變緩。

通過(guò)對(duì)鋼渣-礦渣加氣混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)y與鋁粉摻量x進(jìn)行擬合，得到擬合公式：

為了更好地解釋鋁粉在鋼渣-礦渣加氣混凝土的作用。以鋼渣30%、礦渣35%為骨料配比的基材基礎(chǔ)上，通過(guò)改變鋁粉摻量制備了10組試驗(yàn)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為7 d，其孔隙率與導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系見圖6。

由圖6可以看出，隨著孔隙率的增加，鋼渣-礦渣加氣混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸下降，但下降速率逐漸變緩，這與上述鋁粉摻量試驗(yàn)結(jié)果類似。

通過(guò)擬合孔隙率x與導(dǎo)熱系數(shù)y的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，其滿足式（5）關(guān)系：

2.5 不同因素對(duì)鋼渣-礦渣加氣混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響程度

以上試驗(yàn)結(jié)果表明：鋼渣-礦渣比例、養(yǎng)護(hù)時(shí)間、含水率和鋁粉摻量對(duì)加氣混凝土導(dǎo)熱系數(shù)有不同程度的影響，為了更加科學(xué)、合理地分析這些因素的影響程度，采用L9（34）正交試驗(yàn)。選取鋼渣-礦渣比例、養(yǎng)護(hù)時(shí)間、含水率、鋁粉摻量4個(gè)因素，每個(gè)因素取3個(gè)水平。正交試驗(yàn)因素水平見表2，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與極差分析見表3。

表2 正交試驗(yàn)因素水平

表3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與極差分析

由表3可以看出，對(duì)鋼渣-礦渣加氣混凝土導(dǎo)熱系數(shù)影響最為顯著的因素是含水率，其次是鋁粉摻量、鋼渣-礦渣比例和養(yǎng)護(hù)時(shí)間。為了降低加氣混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)，應(yīng)該在制備過(guò)程中增大鋁粉摻量，并在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中減小加氣混凝土自身含水率。

3 結(jié)論

（1）養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)鋼渣-礦渣加氣混凝土導(dǎo)熱系數(shù)影響較??；隨著鋼渣摻量的增加，鋼渣-礦渣加氣混凝土導(dǎo)熱系數(shù)逐漸增加；隨著含水率的增加，B06、B07、B08三種密度等級(jí)的鋼渣-礦渣加氣混凝土導(dǎo)熱系數(shù)逐漸增加且均滿足線性關(guān)系。

（2）隨著鋁粉摻量的增加，鋼渣-礦渣加氣混凝土導(dǎo)熱系數(shù)逐漸減小，鋁粉摻量從0.06%增加到0.10%，導(dǎo)熱系數(shù)的下降速度開始減小，通過(guò)擬合鋁粉與其導(dǎo)熱系數(shù)關(guān)系發(fā)現(xiàn)其滿足公式y(tǒng)=171 300x2-390.1x+0.3101。

（3）4個(gè)因素對(duì)鋼渣-礦渣加氣混凝土導(dǎo)熱系數(shù)影響順序?yàn)椋汉剩句X粉摻量＞鋼渣-礦渣比例＞養(yǎng)護(hù)時(shí)間。