陳 兵， 胡華潔， 劉 寧

(上海交通大學(xué) 土木工程系, 上海 200240)

生土泡沫混凝土試驗(yàn)研究

陳 兵， 胡華潔， 劉 寧

(上海交通大學(xué) 土木工程系, 上海 200240)

以生土作為填料，制備了生土泡沫混凝土.試驗(yàn)研究了生土泡沫混凝土的干表觀密度、抗壓強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)、孔隙分布和吸濕特性，探討了微硅粉對(duì)生土泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)的影響.結(jié)果表明：生土泡沫混凝土干表觀密度、抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)均隨著泡沫摻量(體積分?jǐn)?shù))的增大而減小；隨微硅粉摻量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))增大，生土泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度和保溫隔熱性能同時(shí)得到改善.利用生土作填料，同時(shí)摻加20%微硅粉，可以制備出干表觀密度、抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)分別為 790kg/m3，7.8MPa及0.156W/(m·K)的性能優(yōu)異的生土泡沫混凝土(泡沫摻量為60%).泡沫摻量75%的生土泡沫混凝土(未摻微硅粉)的納米級(jí)孔隙量低，吸濕能力小.

生土; 泡沫混凝土; 導(dǎo)熱系數(shù); 抗壓強(qiáng)度; 吸濕特性

能源危機(jī)使得建筑節(jié)能成為眾多學(xué)者關(guān)注的重點(diǎn).據(jù)統(tǒng)計(jì)，發(fā)達(dá)國(guó)家建筑能耗占國(guó)民經(jīng)濟(jì)總能耗的30%～50%，而中國(guó)單位建筑面積的能耗約為發(fā)達(dá)國(guó)家的3倍，但其舒適度還遠(yuǎn)不如人，這表明建筑節(jié)能在中國(guó)有非常大的發(fā)展空間.建筑節(jié)能現(xiàn)在早已不是簡(jiǎn)單意義上的節(jié)能，建筑既節(jié)能又安全舒適才是大家努力的最終目標(biāo).因此，如何利用現(xiàn)有的自然資源創(chuàng)造具有自然空調(diào)特性的低能耗健康建筑成為世界各國(guó)學(xué)者普遍關(guān)注的課題.

泡沫混凝土是近年來(lái)飛速發(fā)展的一種保溫隔熱材料，具有十分優(yōu)異的性能，如防火、耐久、隔聲、現(xiàn)場(chǎng)澆筑、原料來(lái)源廣以及綠色環(huán)保等，將成為第一大建筑保溫材料[1-4].泡沫混凝土的基本原材料主要為水泥、石灰、水和發(fā)泡劑，但近年來(lái)很多研究人員在泡沫混凝土中引入一些填料，以改善泡沫混凝土的性能和降低其造價(jià)[1,5-9].生土作為一種來(lái)源廣泛、無(wú)需任何加工且可循環(huán)再生利用的生態(tài)材料，在中國(guó)傳統(tǒng)住宅中發(fā)揮了極為重要的作用.如陜北窯洞、客家土樓、新疆穹頂土坯房等，這些建筑展現(xiàn)給世人的是其冬暖夏涼且濕度適宜的自然空調(diào)特性.構(gòu)建這些建筑自然空調(diào)特性是源于這些建筑采用生土制作墻體.由于固有納米級(jí)細(xì)孔，生土具有較大的蓄熱性和排濕性.當(dāng)生土墻體足夠厚時(shí)，建筑將呈現(xiàn)冬暖夏涼且濕度適宜的自然空調(diào)特征.本文基于此，將生土作為填料，制備一種新型的生土泡沫混凝土，然后通過(guò)試驗(yàn)分析研究生土泡沫混凝土的干表觀密度、抗壓強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)、孔隙分布和吸濕特性，以期獲得一種具有自然空調(diào)特性的生土泡沫混凝土.

1 試驗(yàn)

1.1 原材料與配合比

水泥：上海海螺水泥有限公司海螺牌42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，其28d抗壓強(qiáng)度為56.7MPa，化學(xué)組成1)文中涉及的化學(xué)組成、用量等除特別說(shuō)明外均為質(zhì)量分?jǐn)?shù).見(jiàn)表1.

微硅粉：由Elken公司提供，顆粒粒徑0.01～0.10μm，化學(xué)組成見(jiàn)表1.

生土：上海交通大學(xué)校園內(nèi)某處工地開(kāi)挖時(shí)采集到的黏土，自然風(fēng)干.該生土液限為42%，顆粒級(jí)配(見(jiàn)圖1)良好，化學(xué)組成見(jiàn)表1.

發(fā)泡劑：采用一種蛋白質(zhì)類發(fā)泡劑，發(fā)泡劑與水質(zhì)量比為1∶50.

添加劑：實(shí)驗(yàn)室自制的一種用于提高生土黏結(jié)力和加速水泥水化的外加劑(主要成分為硅酸鉀)，其用量控制在生土摻量的0.01%～0.20%.

生土泡沫混凝土配合比見(jiàn)表2.

表1 水泥、微硅粉及生土的化學(xué)組成

圖1 生土顆粒級(jí)配曲線Fig.1 Sieve curve of immature soil granules

1.2 試件制作與養(yǎng)護(hù)

本研究采用預(yù)制泡沫的方法進(jìn)行生土泡沫混凝土制備.首先將生土與膠凝材料(水泥和微硅粉)及添加劑按給定比例加入到攪拌機(jī)中，攪拌 1min 左右，再將水添加到攪拌機(jī)中繼續(xù)攪拌2min左右，使料漿拌和均勻.采用專用泡沫發(fā)泡劑進(jìn)行發(fā)泡并將泡沫按給定的摻量(以占料漿體積分?jǐn)?shù)計(jì))添加到料漿中，攪拌2min左右，然后澆模成型試件.

試件成型后置于溫度為(20±2) ℃、相對(duì)濕度為(60±10)%的環(huán)境中養(yǎng)護(hù)，1d后拆模，并繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至28d，然后進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn).

1.3 性能測(cè)試

選用70.7mm×70.7mm×70.7mm立方體試件，參照J(rèn)GJ 51—2002《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行混凝土干表觀密度測(cè)試.

混凝土抗壓強(qiáng)度測(cè)試選用 70.7mm×70.7mm×70.7mm 立方體試件.每種配合比取3個(gè)試件進(jìn)行測(cè)試，取平均值.混凝土抗壓強(qiáng)度測(cè)試在300kN的液壓伺服試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，加荷速度為0.3～0.5MPa/s.

參照J(rèn)GJ 51—2002進(jìn)行混凝土導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試.試驗(yàn)中以3塊試件(配合比相同)為1組，3塊試件分別為：薄試件(200mm×200mm×20mm)1塊，厚試件(200mm×200mm×60mm)2塊.

混凝土吸濕量測(cè)試采用70.7mm×70.7mm×70.7mm立方體試件，測(cè)試設(shè)備裝置見(jiàn)圖2.該設(shè)備是利用不同濃度的硫酸溶液來(lái)控制空氣相對(duì)濕度.

表2 生土泡沫混凝土配合比

圖2 吸濕量測(cè)試設(shè)備裝置Fig.2 Experimental apparatus for moisture absorption measurement

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 泡沫摻量影響

生土泡沫混凝土干表觀密度見(jiàn)表2.生土泡沫混凝土(1#～5#配合比混凝土)抗壓強(qiáng)度與泡沫摻量及干表觀密度之間的關(guān)系分別見(jiàn)圖3(a),(b).由圖3(a)和表2可見(jiàn)，隨著泡沫摻量增大，生土泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度和干表觀密度均減小，這與一般泡沫混凝土類同[10].由圖3(b)可以看出：當(dāng)生土泡沫混凝土干表觀密度為1473kg/m3時(shí)，其抗壓強(qiáng)度接近20MPa，高于相近干表觀密度下一般燒結(jié)磚和輕質(zhì)混凝土的抗壓強(qiáng)度；當(dāng)生土泡沫混凝土干表觀密度為755kg/m3時(shí)，其抗壓強(qiáng)度達(dá)到4.0MPa，這也略高于目前市場(chǎng)上普通泡沫混凝土和加氣混凝土抗壓強(qiáng)度[11].由此可見(jiàn)，生土泡沫混凝土具有良好的力學(xué)特性.

圖3 生土泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度與泡沫摻量及干表觀密度的關(guān)系Fig.3 Relationships between compressive strengths of immature soli-based foam concrete and foam use level(by volume) or dry apparent density

生土泡沫混凝土(1#～5#配合比混凝土)導(dǎo)熱系數(shù)與泡沫摻量及抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系分別見(jiàn)圖 4(a),(b).由圖 4(a) 可見(jiàn)，隨著泡沫摻量的增大，生土泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)降低，這與以往研究[12]得出的結(jié)論相同.由圖4(b)可見(jiàn)：隨著生土泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的降低，其導(dǎo)熱系數(shù)降低，保溫隔熱性能提高.

圖4 生土泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)與泡沫摻量及抗壓強(qiáng)度的關(guān)系Fig.4 Relationships between thermal conductivities of immature soil-based foam concrete and foam use level(by volume) or compressive strength

綜上可知，制備生土泡沫混凝土，重要的是在其抗壓強(qiáng)度降低與保溫隔熱性能提高之間尋找一種平衡，以使生土泡沫混凝土在具備一定抗壓強(qiáng)度條件下實(shí)現(xiàn)保溫隔熱性能最大化.通過(guò)調(diào)整泡沫摻量，可以制備出抗壓強(qiáng)度達(dá)到20，10，5，2MPa，而導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.65, 0.27，0.21，0.12W/(m·K)的生土泡沫混凝土，用于滿足不同工程需求.

2.2 生土與水泥質(zhì)量比影響

為了研究生土與水泥質(zhì)量比對(duì)生土泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度及導(dǎo)熱系數(shù)的影響，選取泡沫摻量為60%的生土泡沫混凝土(4#，6#，7#配合比混凝土)進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn).

圖5 生土與水泥質(zhì)量比對(duì)生土泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)的影響Fig.5 Effects of immature soil/cement mass ratios on compressive strength and thermal conductivity of immature soli-based foam concrete

生土與水泥質(zhì)量比對(duì)生土泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度及導(dǎo)熱系數(shù)的影響見(jiàn)圖5.由圖5可見(jiàn)，隨著生土與水泥質(zhì)量比減小，生土泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度提高.這是因?yàn)椋敛牧虾芯G泥石、伊利石及少量石英、云母、閃石等主要礦物成分，在自然狀態(tài)下以膠粒形式存在，呈層狀、片狀結(jié)構(gòu), 各晶體之間相互分離,自身難以產(chǎn)生強(qiáng)度而形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體.摻入水泥后，水泥水化后的產(chǎn)物與生土顆粒膠結(jié)成整體，形成強(qiáng)度.生土與水泥質(zhì)量比越小，即生土摻量越小，水泥摻量越大，則水泥水化產(chǎn)物與生土顆粒膠結(jié)越好，生土泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度越高.

由圖5還可見(jiàn)，隨著生土與水泥質(zhì)量比增大，生土泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)下降，保溫隔熱性能提高，這可能與生土材料內(nèi)部特殊的微細(xì)孔隙有關(guān).

2.3 微硅粉摻量影響

微硅粉是一種超細(xì)的活性混合材，摻入到水泥混凝土中可以大幅度提高混凝土的強(qiáng)度.

采用微硅粉分別取代水泥質(zhì)量5%，10%，15%和20%，制備泡沫摻量為60%的生土泡沫混凝土(4#，8#～11#配合比混凝土)，然后測(cè)試混凝土抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)，結(jié)果見(jiàn)圖6.

由圖6可見(jiàn)，適量微硅粉的摻加一方面大幅度提高了生土泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度，另一方面大幅降低了生土泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)，即顯著改善了生土泡沫混凝土保溫隔熱性能.一般而言，微硅粉的摻加可提高混凝土的密實(shí)度，從而提高其抗壓強(qiáng)度，但微硅粉的摻加能降低混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)卻令人難以理解.為此，筆者采用光學(xué)顯微鏡對(duì)不同微硅粉摻量的生土泡沫混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀察，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著微硅粉摻量的增大，生土泡沫混凝土孔隙結(jié)構(gòu)變得更加均勻且細(xì)小(見(jiàn)圖7)，這或許就是微硅粉的摻加能同時(shí)改善生土泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度和保溫隔熱性能的原因.

圖6 微硅粉摻量對(duì)生土泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)的影響Fig.6 Effects of silica fume use levels(by mass) on compressive strength and thermal conductivity of immature soil-based foam concrete

2.4 吸濕特性

對(duì)于處于空氣中的多孔材料，隨著空氣相對(duì)濕度(φ)的逐漸增大，由于吸附作用使得一些水蒸氣冷凝于多孔材料的毛細(xì)孔隙,毛細(xì)孔隙呈現(xiàn)吸濕現(xiàn)象.毛細(xì)孔隙產(chǎn)生冷凝作用時(shí)，毛細(xì)孔隙直徑(r)、空氣相對(duì)濕度及空氣溫度這三者之間的關(guān)系應(yīng)符合Kelvin-Laplace 方程：

(1)

式中：σ為水的表面張力(室溫20℃時(shí)，σ≈0.0728N/m);ρW為水的密度(室溫20℃時(shí)，ρW≈998.3kg/m3);M為水分子摩爾質(zhì)量(約為18×10-3kg/mol)；T為絕對(duì)溫度；R為理想氣體常數(shù)(8.3143J/(mol·K)).

圖7 生土泡沫混凝土光學(xué)顯微照片F(xiàn)ig.7 Optical micrographs of immature soil-based foam concretes(200×)

根據(jù)式(1)，在室溫20℃(T=(20+273)K)下，若毛細(xì)孔隙內(nèi)出現(xiàn)冷凝現(xiàn)象，即空氣相對(duì)濕度φ達(dá)到98.9%，可以計(jì)算出此時(shí)毛細(xì)孔隙的直徑為0.1μm.因此，一般認(rèn)為毛細(xì)孔隙直徑(r)小于0.1μm時(shí)，該毛細(xì)孔隙為吸濕性毛孔.

不同泡沫摻量的生土泡沫混凝土(1#～5#配合比混凝土)孔隙分布見(jiàn)圖8.由圖8可見(jiàn)，生土泡沫混凝土內(nèi)部的孔隙可以明顯地劃分為兩部分： 第1部分主要是由發(fā)泡劑發(fā)泡引入的孔徑大于1μm的微孔；第2部分主要是生土本身固有的孔徑小于 1μm 的納米級(jí)孔隙.生土泡沫混凝土內(nèi)部孔隙主要為孔徑小于1μm的納米級(jí)孔隙，占到內(nèi)部總孔隙的90%以上.隨著泡沫摻量的增大，具有吸濕功能的納米級(jí)孔隙量降低，生土泡沫混凝土吸濕能力降低.

圖8 不同泡沫摻量生土泡沫混凝土的孔隙分布Fig.8 Pore size distributions of immature soil-based foam concretes with different foam use level(by volume)

圖9給出了不同泡沫摻量的生土泡沫混凝土(1#～5#配合比混凝土)等溫吸濕曲線.由圖9可以看出，在空氣相對(duì)濕度小于70.0%下，生土泡沫混凝土均只吸附極少量的水，表明生土泡沫混凝土內(nèi)部的孔隙具有透氣特性而不會(huì)發(fā)生吸濕冷凝.當(dāng)空氣相對(duì)濕度大于80.0%，生土泡沫混凝土呈現(xiàn)出吸濕特性.當(dāng)空氣相對(duì)濕度達(dá)到98.9%(即產(chǎn)生冷凝的臨界濕度)時(shí)，泡沫摻量75%的生土泡沫混凝土吸濕量為0.045kg·kg-1，而不摻泡沫生土混凝土的吸濕量為0.070kg·kg-1，可見(jiàn)在生土泡沫混凝土中引入的泡沫可以有效降低其吸濕量，避免其在空氣相對(duì)濕度較大時(shí)產(chǎn)生吸濕冷凝，實(shí)現(xiàn)生土泡沫混凝土的調(diào)濕功能.

3 結(jié)論

(1)利用生土材料作填料，同時(shí)摻加20%微硅粉，可以制備出干表觀密度、抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)分別為790kg/m3，7.8MPa及0.156W/(m·K)的性能優(yōu)異的生土泡沫混凝土(泡沫摻量為60%).

(2)生土泡沫混凝土中摻入微硅粉，由于微硅粉可以細(xì)化混凝土孔隙，因此混凝土抗壓強(qiáng)度提高，導(dǎo)熱系數(shù)降低，從而實(shí)現(xiàn)生土泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度與保溫隔熱性能的有效平衡.

(3)泡沫摻量75%的生土泡沫混凝土(5#配合比混凝土)的納米級(jí)孔隙量低.由于該混凝土吸濕能力低、保溫隔熱性能好，當(dāng)其作為墻體材料時(shí)，可以提供人體舒適的濕度和溫度室內(nèi)環(huán)境，但其抗壓強(qiáng)度還有待提高.

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Experimental Research on Immature Soil-Based Foam Concrete

CHENBing,HUHuajie,LIUNing

(Department of Civil Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

Immature soil was used as filler to prepare immature soil-based foam concrete.The properties, such as dry apparent density, compressive strength, thermal conductivity, pore structure and moisture absorption characteristic of immature soil-based foam concrete were experimentally researched.The effect of silica fume on compressive strength and thermal conductivity of immature soil-based foam concrete was studied as well. The experimental results indicate that the dry apparent density, compressive strength and thermal conductivity of immature soil-based foam concrete decrease with increasing use level(by volume) of foam. The compressive strength and thermal insulation of immature soil-based foam concrete are both improved with increasing use level(by mass) of silica fume. Moreover, the immature soil-based foam concrete(60% foam) with a dry apparent density of 790kg/m3, compressive strength of 7.8MPa, and thermal conductivity of 0.156W/(m·K) is produced to use immature soil as filler and with addition of 20% silica fume. Nanoscale pore volume of immature soil-based foam concrete with 75% foam(without silica fume added) is low, and its moisture absorption ability is low also.

immature soil; foam concrete; thermal conductivity; compressive strength; moisture absorption characteristic

1007-9629(2015)01-0001-06

2013-09-06；

2013-09-11

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51378309);“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAL03B03-01)

陳 兵(1973—)，男，安徽安慶人，上海交通大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，博士.E-mail:hntchen@sjtu.edu.cn

TU528.2

A

10.3969/j.issn.1007-9629.2015.01.001