徐勤敏,朱亞光,徐培蓁

(青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院,青島 266525)

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,能源消耗猛增,致使國(guó)家大力推廣節(jié)能建筑材料[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì),2018年我國(guó)建筑總能耗量和CO2排放量分別占全國(guó)的46.5%和51.2%;水泥生產(chǎn)和生活取暖均在建筑能耗與碳排放中占據(jù)較大比重[2]。因此,加大節(jié)能建筑材料的使用是減少建筑行業(yè)能耗與碳排放的解決途徑之一。泡沫混凝土是一種輕質(zhì)多孔的節(jié)能建筑材料,由水泥、發(fā)泡劑、水、外摻劑等材料組成,具有輕質(zhì)、保溫、可隔音和耐久等優(yōu)點(diǎn),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(yīng)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(qiáng)度[6]。陳立延等針對(duì)粉煤灰摻量對(duì)泡沫混凝土性能的影響進(jìn)行研究,得出摻入粉煤灰可以改善漿體和易性和孔隙的結(jié)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(qiáng)度的結(jié)論[4]。劉淼用再生粉體制備泡沫混凝土,得出復(fù)配粉體中的細(xì)顆?？梢?xún)?yōu)化孔結(jié)構(gòu)的結(jié)論[8]。張景文用再生微粉制備泡沫混凝土,研究結(jié)果表明不同粒徑的材料按照一定比例復(fù)摻可以提高微集料的協(xié)同效應(yīng)[9]。

另一方面,我國(guó)道路交通建設(shè)也處于快速發(fā)展階段,瀝青混凝土在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的大量粉塵導(dǎo)致環(huán)境污染。鐘小霞用瀝青拌和站回收粉制備中強(qiáng)度等級(jí)混凝土,得出回收粉的填充效應(yīng)可以改善混凝土孔結(jié)構(gòu),但摻量過(guò)多會(huì)對(duì)混凝土強(qiáng)度產(chǎn)生負(fù)面影響的結(jié)論[10]。郭伶伶設(shè)計(jì)了三種水膠比的路用混凝土,得出回收粉摻量為10%時(shí)對(duì)混凝土性能影響較小的結(jié)論[11]。吳國(guó)林選取三種細(xì)度的石灰石粉制備泡沫混凝土,發(fā)現(xiàn)石灰石粉中細(xì)粉含量為37.93%時(shí),石灰石粉可以發(fā)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(xiàn)供不應(yīng)求的局面;將回收粉作為摻和料應(yīng)用于泡沫混凝土,既可打破粉煤灰等摻和料供不應(yīng)求的局面,又可增加回收粉的應(yīng)用途徑,具有重大意義[10-12]。因此,本試驗(yàn)設(shè)計(jì)干密度等級(jí)為A06的泡沫混凝土基準(zhǔn)組,在基準(zhǔn)組配比的基礎(chǔ)上用回收粉以不同比例取代復(fù)合摻和料(粉煤灰∶硅灰=1∶1),以此研究回收粉摻量的增加對(duì)泡沫混凝土物理性能的影響規(guī)律,并對(duì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

1) 瀝青拌和站回收粉:試驗(yàn)使用青島冠通市政市區(qū)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(jiàn)圖1?；厥辗鄣牡V物組成以CaCO3和SiO2為主,礦物組成見(jiàn)圖2?；厥辗鄣谋碛^密度、堆積密度、需水量比和活性指數(shù)均參照標(biāo)準(zhǔn)《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T 1596-2017)[13]進(jìn)行測(cè)試;燒失量參照標(biāo)準(zhǔn)《水泥化學(xué)分析方法》(GB/T 176-2017)[14]中的灼燒差減法進(jìn)行測(cè)試;化學(xué)組成與技術(shù)指標(biāo)分別見(jiàn)表1、表2。

表1 回收粉、水泥的化學(xué)組成 %

表2 回收粉技術(shù)指標(biāo)

2) 水泥:試驗(yàn)使用P·O 42.5山水牌普通硅酸鹽水泥,化學(xué)組成見(jiàn)表1,物理性能見(jiàn)表3。

表3 水泥的物理性能

3) 粉煤灰:試驗(yàn)使用鞏義市生產(chǎn)的二級(jí)粉煤灰,物理性能見(jiàn)表4。

表4 粉煤灰的物理性能

4) 硅灰:試驗(yàn)使用四川朗天硅灰,物理性能見(jiàn)表5。

表5 硅灰的物理性能

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

6) 拌和水:試驗(yàn)使用的拌和水為自來(lái)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(fù)合摻和料(粉煤灰∶硅灰=1∶1)等質(zhì)量取代20%的水泥,設(shè)計(jì)干密度等級(jí)為A06的泡沫混凝土基準(zhǔn)組;在基準(zhǔn)組配合比的基礎(chǔ)上,選取研磨3 min的回收粉以0%,20%,40%,60%,80%,100%的取代率等質(zhì)量取代復(fù)合摻和料。配合比見(jiàn)表6。

表6 泡沫混凝土配合比

1.3 試塊制備

根據(jù)表6中所示的混合比例稱(chēng)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(guò)物理發(fā)泡,制備出相應(yīng)體積的泡沫,后用手將漿體與泡沫混合2 min,手動(dòng)混合完畢后將其在120 r/min的轉(zhuǎn)速下混合3 min,攪拌完畢后立即進(jìn)行流動(dòng)度試驗(yàn),將泡沫混凝土裝入尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的模具中。養(yǎng)護(hù)1 d后拆模,置于標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下((20±2)℃,相對(duì)濕度≥95%)固化到規(guī)定齡期后進(jìn)行測(cè)試。

1.4 試驗(yàn)方法

泡沫混凝土的流動(dòng)度參照標(biāo)準(zhǔn)《泡沫混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 341-2014)[16]進(jìn)行測(cè)試。泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度、干密度、吸水率參照標(biāo)準(zhǔn)《泡沫混凝土》(JG/T 266-2011)進(jìn)行測(cè)試。泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)參照標(biāo)準(zhǔn)《泡沫混凝土制品性能試驗(yàn)方法》(JC/T 2357-2016)[17]進(jìn)行測(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 回收粉取代率對(duì)流動(dòng)度的影響

泡沫混凝土的流動(dòng)度隨回收粉取代率變化的趨勢(shì)如圖3所示。由圖3可知,泡沫混凝土的流動(dòng)度隨著回收粉取代率的增加呈上升趨勢(shì)。這是因?yàn)殡S著回收粉取代率的增加,粉煤灰與硅灰在復(fù)合摻和料中所占比例逐漸降低,回收粉的比表面積遠(yuǎn)低于硅灰,浸潤(rùn)回收粉顆粒表面所需的水分遠(yuǎn)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(dǎo)致漿體的黏聚性降低,因此泡沫混凝土的流動(dòng)度逐漸增加[18-21]。

圖3 回收粉取代率對(duì)泡沫混凝土流動(dòng)度的影響

2.2 回收粉取代率對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

泡沫混凝土的7,14,28 d抗壓強(qiáng)度隨回收粉取代率變化的趨勢(shì)如圖4所示。由圖4可知,泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著回收粉取代率的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì),當(dāng)回收粉取代率為20%,40%,60%,80%,100%時(shí)泡沫混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度較基準(zhǔn)組的分別提高了25.23%,8.72%,6.19%,3.21%和-6.19%?？箟簭?qiáng)度的提高是因?yàn)榛厥辗哿捷^小且主要集中于6～40 μm,致使摻入回收粉在增強(qiáng)復(fù)合摻和料微集料協(xié)同效應(yīng)的同時(shí)改善漿體流動(dòng)度,提高孔壁密實(shí)度使結(jié)構(gòu)變得更加密實(shí)的同時(shí)減少泡沫混凝土在攪拌過(guò)程中的泡沫破損;且有文獻(xiàn)表明,含有較多鋁相的摻和料與回收粉以適當(dāng)比例復(fù)摻可以提高CaCO3的反應(yīng)比例,加速早期水化并在后期水化中生成化學(xué)物質(zhì)比較穩(wěn)定的單碳水化鋁酸鈣,SiO2可參與水化反應(yīng)產(chǎn)生水化硅酸鈣,在一定程度上可提高基體強(qiáng)度與密實(shí)度,改善內(nèi)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(shí)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(zhuǎn)化導(dǎo)致絮狀、網(wǎng)狀結(jié)晶較少,水化結(jié)晶之間的連接力降低,導(dǎo)致泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度降低[10,20]。

2.3 回收粉取代率對(duì)干密度和導(dǎo)熱系數(shù)的影響

泡沫混凝土的干密度和導(dǎo)熱系數(shù)隨回收粉取代率變化的趨勢(shì),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(xiàn)出先增加后減少再增加的趨勢(shì)?；厥辗蹞搅繛?0%時(shí),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(jí)配,微集料協(xié)同效應(yīng)加強(qiáng),顆粒較好地填充泡沫混凝土內(nèi)部的孔隙,漿體孔壁密實(shí)度增大,泡沫混凝土的干密度得到提升?；厥辗蹞搅繛?0%～60%時(shí),漿體的流動(dòng)性逐漸增大減弱了水泥顆粒間的內(nèi)摩擦力,攪拌過(guò)程中受水泥顆粒剪切作用而破裂的泡沫數(shù)量逐漸減少;微集料協(xié)同效應(yīng)逐漸減弱,泡沫的孔壁密實(shí)度逐漸降低,泡沫混凝土干密度降低?；厥辗蹞搅繛?0%及以上時(shí),漿體黏聚力驟降,但較多的不規(guī)則回收粉顆粒在攪拌過(guò)程中導(dǎo)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(duì)泡沫混凝土干密度的影響

圖6 回收粉取代率對(duì)泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響

由圖6可知,泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)與干密度的變化趨勢(shì)一致,這是因?yàn)榕菽炷恋膶?dǎo)熱系數(shù)與干密度有較高的相關(guān)性[25]?；厥辗蹞搅繛?0%時(shí),導(dǎo)熱系數(shù)較基準(zhǔn)組增加了6.1%,這是因?yàn)檩^高的孔壁密實(shí)度增加了傳熱能力;回收粉摻量為20%～60%時(shí),導(dǎo)熱系數(shù)逐漸降低,這是因?yàn)殡S著回收粉取代率的增加孔壁密實(shí)度逐漸降低,氣孔所占比例逐漸增大,熱量傳導(dǎo)速度逐漸減緩;當(dāng)回收粉摻量為60%及以上時(shí),氣孔所占比例開(kāi)始持續(xù)降低并存在較多的劣化孔,導(dǎo)致傳熱速率快速增加[21]。

2.4 回收粉取代率對(duì)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(shì)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(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì)?；厥辗蹞搅繛?0%時(shí),對(duì)泡沫混凝土的吸水率有改善效果;呈現(xiàn)出這種趨勢(shì)是因?yàn)楫?dāng)回收粉摻量為20%時(shí),泡沫混凝土的孔壁結(jié)構(gòu)得到改善,硅灰、粉煤灰、回收粉的微集料協(xié)同效應(yīng)可以較好地填充孔隙,摻和料的火山灰效應(yīng)產(chǎn)生C-S-H凝膠增加水化結(jié)晶黏結(jié)力,泡沫混凝土的吸水率出現(xiàn)短暫降低。但當(dāng)回收粉摻量繼續(xù)增加時(shí),過(guò)剩的鈣礬石弱化晶體之間的連接,微集料協(xié)同效應(yīng)逐漸減弱,泡沫混凝土的孔結(jié)構(gòu)出現(xiàn)劣化產(chǎn)生較多的連通孔,導(dǎo)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(duì)泡沫混凝土吸水率的影響

3 結(jié)論

1) 回收粉可以作為摻和料應(yīng)用于泡沫混凝土。

2) 隨著回收粉取代復(fù)合摻和料比例的增加,泡沫混凝土的流動(dòng)度持續(xù)增加;抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì);干密度和導(dǎo)熱系數(shù)均呈現(xiàn)先增加后降低再增加的趨勢(shì);吸水率呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì)。

3) 回收粉取代摻和料的20%時(shí),FC-20的干密度等級(jí)為A06,流動(dòng)度、28 d抗壓強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)和吸水率分別為109.5 mm,5.46 MPa,0.1392 W/(m·K)和35.88%,較基準(zhǔn)組分別提高了12.89%,25.22%,4.27%,-2.71%。