引氣型?；⒅榉勖夯冶鼗炷量箟簭?qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)研究

方張平，黃 偉

(淮南聯(lián)合大學(xué) 建筑與藝術(shù)學(xué)院，安徽 淮南232038)

近年來(lái)，我國(guó)建筑行業(yè)能耗占社會(huì)總能耗比重越來(lái)越大，建筑節(jié)能和綠色建筑成為研究熱點(diǎn)﹒據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年冬季采暖和夏季制冷至少有30%以上的能量是通過(guò)門窗和墻體散失，這就要求建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)除了要有基本力學(xué)性能之外，還應(yīng)具備良好的保溫隔熱性能﹒目前，國(guó)內(nèi)研究方向主要是通過(guò)在普通混凝土中摻入外加劑或具有保溫性能的輕集料形成自保溫混凝土體系來(lái)改善其熱工性能[1-6]﹒玻化微珠是由珍珠巖經(jīng)電熱管多級(jí)加熱膨脹而形成的玻璃質(zhì)熔巖礦物質(zhì)，特殊的加工工藝使其表面?；忾]，內(nèi)部呈現(xiàn)不規(guī)則的多孔空腔結(jié)構(gòu)，可以有效阻隔混凝土結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)通道，提高熱阻性能，被廣泛應(yīng)用于自保溫混凝土中﹒黃偉等[7]對(duì)?；⒅榛炷疗鰤K進(jìn)行試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了玻化微珠能與混凝土中其他組分材料有良好的相容性；趙琳[8]研究了?；⒅楸鼗炷猎趯?shí)際工程中的應(yīng)用，證實(shí)了其施工中的可操作性﹒引氣型混凝土是在普通混凝土中摻入適量引氣劑，它屬于一種化學(xué)表面活性劑，可在混凝土拌合物中引入大量粒徑較小的有益獨(dú)立微細(xì)氣泡，且在混凝土內(nèi)部分布均勻，氣泡體系穩(wěn)定，在攪拌過(guò)程中不會(huì)聚結(jié)形成有害大氣泡，能長(zhǎng)久保留在混凝土硬化體內(nèi)部，使其形成海綿狀多孔結(jié)構(gòu)，降低混凝土密度，提高保溫性能﹒蔣榮等[9]對(duì)引氣型?；⒅榛炷帘仄鰤K強(qiáng)度進(jìn)行了優(yōu)化研究，證實(shí)引氣劑有利于改善混凝土的工作性能；李磊等[10]測(cè)試了不同因素對(duì)引氣型混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響程度；李丹等[11]研究了引氣混凝土的微觀孔結(jié)構(gòu)，證實(shí)適量引氣劑有助于增加混凝土內(nèi)部孔道連通性﹒

本文結(jié)合安徽淮南及周邊地區(qū)粉煤灰被肆意浪費(fèi)的現(xiàn)象，利用輕集料玻化微珠和電廠工業(yè)廢棄物(粉煤灰)制備引氣型?；⒅榉勖夯冶鼗炷?，通過(guò)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試試驗(yàn)，研究?；⒅楹头勖夯以诓煌瑩搅肯碌牧W(xué)性能和熱工性能，并找出兩者最優(yōu)摻量，分析其作用機(jī)理﹒該試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)后續(xù)自保溫混凝土的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要參考價(jià)值，有利于促進(jìn)我國(guó)建筑節(jié)能和綠色建筑的健康發(fā)展﹒

1 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原材料

水泥選用P.O 42.5 普通硅酸鹽水泥(安徽省淮南市八公山牌)；石子采用淮南砂石廠普通碎石，粒徑5～15 mm，級(jí)配連續(xù)；砂采用ISO標(biāo)準(zhǔn)砂；保溫輕集料采用河北廊坊信義鼎節(jié)能保溫建材公司生產(chǎn)的?；⒅?，其物理性能指標(biāo)見(jiàn)表1；粉煤灰由安徽省淮南市平圩電廠提供，密度2 140 kg/m3，堆積密度780 kg/m3，表面積3 400 cm2/g，吸水率106%；硅灰由河南遠(yuǎn)恒環(huán)保工程有限公司生產(chǎn)，SiO2含量≥92%，容重1 600～1 700 kg/m3，平均粒徑0.1～0.3μm，比表面積20～28 m2/g；引氣劑和減水劑均選用山東省萊陽(yáng)市宏祥建筑外加劑廠生產(chǎn)的高純度型引氣劑和聚羧酸系高效減水劑；采用當(dāng)?shù)仫嬘盟韬烯q

表1 ?；⒅槲锢硇阅苤笜?biāo)

1.2 試驗(yàn)配合比

混凝土強(qiáng)度等級(jí)按C30設(shè)計(jì)，水灰比0.5，砂率36%﹒為在混凝土內(nèi)部引入數(shù)量豐富的小粒徑有益氣泡，摻入0.3%引氣劑；為減小水膠比，增大漿體粘性，提高混凝土后期強(qiáng)度，摻入5%硅灰和0.5%減水劑，基準(zhǔn)配合比見(jiàn)表2﹒

表2 實(shí)驗(yàn)室混凝土基準(zhǔn)配合比 kg/m3

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室混凝土基準(zhǔn)配合比的基礎(chǔ)上以輕集料玻化微珠等體積替代細(xì)集料砂子0%，20%，40%和60%，工業(yè)廢棄料粉煤灰等質(zhì)量替代膠凝材料0%，10%，20%和30%為變量，采用正交試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)16組不同配合比的引氣型?；⒅榉勖夯冶鼗炷粒瑴y(cè)試其抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)，分析兩者之間的變化規(guī)律，找出能同時(shí)滿足承重和保溫雙向性能要求的?；⒅楹头勖夯易顑?yōu)摻量﹒

2 試驗(yàn)方法與結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)方法

1)抗壓強(qiáng)度測(cè)試﹒依據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081-2016)[12]，采用WAW-1000 kN 微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試混凝土抗壓強(qiáng)度，制備16組，每組3個(gè)，共48個(gè)尺寸為150 mm×150mm×150 mm 立方體混凝標(biāo)準(zhǔn)試件﹒混凝土各組成材料按拌合順序依次投入強(qiáng)制式攪拌機(jī)內(nèi)，攪拌充分后入模、振搗、抹平，靜置24 h 后脫模，放入養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)標(biāo)養(yǎng)28 d后取出，及時(shí)進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試，荷載加載速度控制為0.6MPa/s﹒

2)導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試﹒采用DR3030智能平板導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀測(cè)試混凝土導(dǎo)熱系數(shù)，導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定范圍0.01～1.50 W/(m·K)，測(cè)量誤差±3%，溫度測(cè)量范圍(10～90)℃，測(cè)量精度0.06℃，試驗(yàn)室溫(20～25)℃，濕度(20～80)%RH﹒依據(jù)《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測(cè)定：防護(hù)熱板法》(GB/T 10294-2008)[13]測(cè)試要求，制備16組，每組6個(gè)，共96 個(gè)尺寸為300mm×300mm×30mm混凝土平板試件，用來(lái)進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定，如圖1所示﹒為避免因試件表面不平整導(dǎo)致與平板接觸時(shí)產(chǎn)生空隙熱阻影響測(cè)試數(shù)據(jù)精準(zhǔn)性，試驗(yàn)?zāi)＞卟捎枚ㄖ其撃０?，試件成型后靜置24 h 拆模，拆模后用砂紙對(duì)混凝土板表面及時(shí)磨平處理，保證試件厚度均勻，兩表面平行，然后放置養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)標(biāo)養(yǎng)28 d﹒在進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定前需將試件放入(105～110)℃烘箱內(nèi)烘干至恒重，冷卻至常溫狀態(tài)后將2塊混凝土試件板緊貼冷熱板放入測(cè)定儀內(nèi)夾緊，確保各接觸面平整且貼合緊密，為避免外界因素對(duì)數(shù)值產(chǎn)生影響，最后需關(guān)好保護(hù)蓋將整個(gè)測(cè)試體系封閉密實(shí)，見(jiàn)圖2﹒試驗(yàn)環(huán)境保持干燥狀態(tài)，熱板控制溫度設(shè)為35℃，冷板控制溫度設(shè)為15℃，冷熱板溫差20℃；啟動(dòng)電源，開(kāi)始試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后試驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定收斂，測(cè)試設(shè)備自動(dòng)停止，系統(tǒng)顯示導(dǎo)熱系數(shù)具體數(shù)值﹒

圖1 混凝土平板試件

圖2 導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

表3為?；⒅楹头勖夯以诓煌瑩搅肯轮苽涑傻?6組不同配合比混凝土試件的抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)算術(shù)平均值﹒

由表3可知混凝土試件抗壓強(qiáng)度數(shù)值區(qū)間為13.9～35.4MPa，導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)值區(qū)間為0.371～0.432 W/(m·K)﹒

表3 混凝土試件抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖3(a)為玻化微珠摻量20%，粉煤灰摻量0%，10%，20%和30%時(shí)的引氣型?；⒅榉勖夯冶鼗炷猎嚰箟簭?qiáng)度與導(dǎo)熱系數(shù)關(guān)系曲線圖；圖3(b)為粉煤灰摻量10%，玻化微珠摻量0%，20%，40%和60%時(shí)的引氣型?；⒅榉勖夯冶鼗炷猎嚰箟簭?qiáng)度與導(dǎo)熱系數(shù)關(guān)系曲線圖﹒從圖3中看出，混凝土的抗壓強(qiáng)度與導(dǎo)熱系數(shù)呈現(xiàn)相同變化規(guī)律﹒這表明混凝土強(qiáng)度與保溫性能之間具有矛盾性，且玻化微珠和粉煤灰的不同摻量對(duì)兩者有明顯影響﹒

圖3 抗壓強(qiáng)度與導(dǎo)熱系數(shù)關(guān)系變化曲線

熱量傳導(dǎo)是從高溫區(qū)向低溫區(qū)傳遞，要想使材料熱阻性能增強(qiáng)，需通過(guò)延長(zhǎng)熱量傳導(dǎo)時(shí)間和增加傳導(dǎo)路線來(lái)降低熱量傳遞效率，以提高保溫隔熱性﹒熱量傳導(dǎo)路徑分為在固態(tài)中的傳導(dǎo)和在氣態(tài)中的傳導(dǎo)﹒固態(tài)是混凝土強(qiáng)度產(chǎn)生的主要原因，但熱傳導(dǎo)時(shí)由于引氣型混凝土內(nèi)部豐富的有益穩(wěn)定微氣孔的存在，使得熱量在固態(tài)中的傳導(dǎo)路線發(fā)生轉(zhuǎn)折，總傳導(dǎo)路線增加，熱量傳遞速率降低，導(dǎo)熱系數(shù)減小，保溫隔熱性能增強(qiáng)﹒此外，熱量在氣態(tài)中的傳導(dǎo)主要以微氣孔中的空氣為媒介，而空氣的導(dǎo)熱系數(shù)很低，僅有0.025 9 W/(m·K)，引氣型混凝土內(nèi)部呈現(xiàn)的海綿狀多孔結(jié)構(gòu)中的封閉氣孔被空氣完全填充，封閉氣孔的尺寸越小數(shù)量越多，空氣對(duì)流幅度也相應(yīng)減少，內(nèi)部氣孔壁表面積增大，增加了混凝土固體的反射面，減少了空氣的對(duì)流傳熱效率和輻射傳熱效率，混凝土保溫隔熱性能提高，導(dǎo)熱系數(shù)下降[14-15]﹒但同時(shí)也正是因?yàn)橐龤庑捅鼗炷羶?nèi)部海綿狀多孔結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致水泥漿體與粗細(xì)骨料界面的粘結(jié)能力下降，且隨玻化微珠和粉煤灰摻量的遞增，細(xì)集料和水泥摻量相對(duì)減少，這種粘結(jié)強(qiáng)度削弱現(xiàn)象更加嚴(yán)重，混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷和孔隙增多，在外力作用時(shí)混凝土內(nèi)部因密實(shí)度不夠，多孔結(jié)構(gòu)易被壓裂破碎塌陷，進(jìn)而直接影響混凝土的強(qiáng)度﹒

從表3中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得出，在?；⒅閾搅?0%和粉煤灰摻量10%時(shí)，引氣型玻化微珠粉煤灰保溫混凝土的抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)均達(dá)到最大值，分別為35.4 MPa 和0.432W/(m·K)，抗壓強(qiáng)度符合C30混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)小于普通混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)1.51W/(m·K)，保溫隔熱性能提高了71.41%，符合我國(guó)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)中對(duì)墻體材料導(dǎo)熱系數(shù)小于1.0 W/(m·K)的要求[16-17]﹒試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在引氣型混凝土中雙摻?；⒅楹头勖夯覞M足最佳摻量后會(huì)形成疊加效應(yīng)，該配比的引氣型?；⒅榉勖夯冶鼗炷镣瑫r(shí)具有承重混凝土的力學(xué)性能和良好的保溫隔熱性能，滿足承重與保溫材料一體化的雙向性能要求﹒

2.3 影響因素分析

1)?；⒅橛绊懸蛩胤治雯q圖4為不摻粉煤灰，玻化微珠摻量分別為0%，20%，40%和60%時(shí)，混凝土試件抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)關(guān)系曲線﹒

從圖4中可明顯看出，未摻粉煤灰時(shí)，隨玻化微珠摻量的遞增，混凝土試件抗壓強(qiáng)度與導(dǎo)熱系數(shù)呈現(xiàn)相同變化規(guī)律，均是先增大后減小，且都在玻化微珠摻量為20%時(shí)達(dá)到最大值﹒?；⒅閾搅繛?0%時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度相對(duì)摻量為0%，40%和60%時(shí)分別增幅58.47%，22.36%和56.76%，導(dǎo)熱系數(shù)分別增幅1.71%，4.51%和6.11%，表明?；⒅榈膿搅繉?duì)混凝土承重和保溫性能均有較大影響﹒

圖4 未摻粉煤灰時(shí)抗壓強(qiáng)度與導(dǎo)熱系數(shù)關(guān)系變化曲線

玻化微珠部分等體積替代細(xì)集料砂子，預(yù)濕后與混凝土組成材料進(jìn)行充分拌合，能有效填充到引氣型混凝土粗細(xì)骨料與水泥凈漿的孔隙以及其內(nèi)部海綿狀多孔結(jié)構(gòu)中，增大粗細(xì)骨料與水泥凈漿的粘結(jié)程度，細(xì)化混凝土內(nèi)部孔徑，提高混凝土整體密實(shí)程度，在受壓狀態(tài)下各組成材料能夠做到共同受力，相互匹配抵抗外力，提高強(qiáng)度，且增加了熱量在混凝土內(nèi)部的傳導(dǎo)路線，提高其保溫隔熱性能﹒此外，?；⒅橐蛱厥饧庸すに?，使其呈現(xiàn)表面玻化、封閉內(nèi)部多孔空腔的異型，與混凝土組成材料充分拌合后因其多孔球狀結(jié)構(gòu)可充當(dāng)空心砂子和固體引氣劑的角色，這些“固態(tài)小氣泡”彈性較好，有較大的自由變形空間，在受到外力作用時(shí)能有效釋放部分應(yīng)變，增大強(qiáng)度，而且它的球狀結(jié)構(gòu)還能吸附水泥的水化凝膠產(chǎn)物，堵塞混凝土內(nèi)部毛細(xì)孔，減少微裂縫的產(chǎn)生，促進(jìn)強(qiáng)度增大﹒隨著?；⒅榈润w積替代砂子的比例越來(lái)越高，水泥砂漿的粘結(jié)能力大大減小，混凝土內(nèi)部充斥著因引氣劑作用產(chǎn)生的氣態(tài)空腔和過(guò)量?；⒅樽陨砉虘B(tài)空腔，這些空腔的存在降低混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量的同時(shí)也降低了其密實(shí)程度﹒混凝土承重骨架呈現(xiàn)多孔疏松狀，且?；⒅閺?qiáng)度較低，在外力作用下，易被壓碎，造成內(nèi)部微小裂縫拓展成孔隙裂縫，強(qiáng)度降低﹒大量空腔的存在，降低混凝土強(qiáng)度的同時(shí)又阻隔了熱量在混凝土內(nèi)部的傳導(dǎo)通道，延長(zhǎng)了熱量的傳遞時(shí)間和路線，提高了其熱阻性能，使混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)一步降低﹒

2)粉煤灰影響因素分析﹒圖5為不摻?；⒅椋勖夯覔搅糠謩e為0%，10%，20%和30%時(shí)，混凝土試件抗壓強(qiáng)度與導(dǎo)熱系數(shù)關(guān)系曲線﹒

圖5 未摻?；⒅闀r(shí)抗壓強(qiáng)度與導(dǎo)熱系數(shù)關(guān)系變化曲線

從圖5中可明顯看出，未摻?；⒅闀r(shí)，隨粉煤灰摻量的遞增，混凝土試件的抗壓強(qiáng)度與導(dǎo)熱系數(shù)呈現(xiàn)相同變化規(guī)律，均是先增大后降低，且均在粉煤灰摻量為20%時(shí)達(dá)到最大值﹒粉煤灰摻量20%時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度相對(duì)摻量為0%，10%和30%時(shí)分別增幅67.21%，51.49%和75.86%，導(dǎo)熱系數(shù)分別增幅2.43%，2.68%和8.79%﹒

粉煤灰的適量摻入，水泥被部分取代，粉煤灰表觀密度相對(duì)水泥較小，能使?jié){體密度降低，粘度增大，改善混凝土拌合物的和易性，減弱骨料分層，增加密實(shí)度，提高混凝土強(qiáng)度；此外，粉煤灰中火山空心微珠在水泥水化的堿性環(huán)境中能充分發(fā)揮潛在活性，其化學(xué)組分中的氧化硅和氧化鋁等活性物質(zhì)能與水泥水化后的產(chǎn)物氫氧化鈣發(fā)生二次水化反應(yīng)生成大量凝膠產(chǎn)物，促使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，強(qiáng)度進(jìn)一步增大，使得熱量在固態(tài)中的傳導(dǎo)路線變長(zhǎng)，提高保溫隔熱性能﹒但隨著粉煤灰摻量進(jìn)一步增大，水泥摻量相應(yīng)減少，水化產(chǎn)物氫氧化鈣的生成量變少，降低了粉煤灰二次水化反應(yīng)速度，凝膠產(chǎn)物濃度過(guò)低，與粗細(xì)骨料的黏結(jié)作用減弱，且過(guò)量的粉煤灰還會(huì)包裹在周邊水泥漿上阻止其水化，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部孔隙增多，在受到外部荷載時(shí)，骨料位移變形加強(qiáng)，裂紋延伸，抗壓強(qiáng)度降低﹒

3 結(jié)論

1)引氣型玻化微珠粉煤灰保溫混凝土試件抗壓強(qiáng)度數(shù)值區(qū)間為13.9～35.4MPa，導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)值區(qū)間為0.371～0.432 W/(m·K)﹒抗壓強(qiáng)度與導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)值成正比關(guān)系，證實(shí)抗壓強(qiáng)度的提高與導(dǎo)熱系數(shù)的降低是相互矛盾的﹒

2)?；⒅閾搅繛?0%，粉煤灰摻量為10%時(shí)，引氣型玻化微珠粉煤灰保溫混凝土的抗壓強(qiáng)度為35.4 MPa，導(dǎo)熱系數(shù)為0.432 W/(m·K)，此時(shí)，其兼具承重混凝土的力學(xué)性能和良好的熱工性能，符合我國(guó)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)中對(duì)墻體材料的設(shè)計(jì)要求﹒

3)在引氣型保溫混凝土中單摻玻化微珠或粉煤灰，混凝土試件的抗壓強(qiáng)度與導(dǎo)熱系數(shù)隨摻量的遞增呈現(xiàn)相同變化規(guī)律，均是先增大后降低，且均在摻量為20%時(shí)達(dá)到最大值，這表明玻化微珠和粉煤灰對(duì)引氣型保溫混凝土強(qiáng)度的提高和保溫性能均有不同程度影響，存在最優(yōu)摻量﹒