于水軍，李 彬，陳曉利

(1.河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南焦作454000;2.河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點實驗室，河南焦作454000)

泡沫混凝土一般是由物理發(fā)泡方法制得。發(fā)泡劑經(jīng)過稀釋后通過發(fā)泡機發(fā)泡，直接加入預(yù)先由骨料、集料、外加劑加水混合攪拌均勻的料漿中，經(jīng)攪拌、澆筑、拆模、養(yǎng)護即得泡沫混凝土。泡沫混凝土內(nèi)部氣孔大都封閉，使其具有優(yōu)良的保溫隔熱阻燃性能，所以具有一定的應(yīng)用范圍。例如用作外墻保溫、地暖隔熱層、礦井充填等［1－3］。

許多工業(yè)排放物已被用作摻合料加入泡沫混凝土中，不僅節(jié)約資源保護了環(huán)境，同時又改善了泡沫混凝土的性質(zhì)［4］。目前，國內(nèi)外也有關(guān)于鋼渣、粉煤灰作為泡沫混凝土摻合料的研究論述。粉煤灰中含有一定的輕質(zhì)空心微珠和潛在的火山灰活性，添加到水泥中可進一步提高混凝土的保溫性能和輕質(zhì)性能，同時可以改善泡沫混凝土的孔結(jié)構(gòu)以及孔分布［5－6］，并可降低泡沫混凝土制品的生產(chǎn)成本［7－9］。鋼渣經(jīng)過一定的方式處理后，可以被高效利用［10］。這些成果中涉及了粉煤灰泡沫混凝土和鋼渣泡沫混凝土，但關(guān)于兩者復(fù)合的研究不多。本文通過實驗研究鋼渣粉煤灰泡沫混凝土的熱工性質(zhì)，并對結(jié)果進行了分析。

1 試驗原料

(1)復(fù)合硅酸鹽水泥(PC32.5，焦作堅固水泥有限公司)，其主要性能指標如表1所示。

(2)粉煤灰(焦作電力集團有限公司)，粉煤灰的主要化學(xué)成分是CaO、Al2O3、SiO2和Fe2O3等。粉煤灰能夠發(fā)揮三種效應(yīng)，即活性效應(yīng)、形態(tài)效應(yīng)和微粒填充效應(yīng)［11］。粉煤灰具有火山灰活性，在水存在的條件下能夠生成水硬性的固體;粉煤灰中含有大量的玻璃微珠，可以減少漿體的內(nèi)部摩擦阻力;粉煤灰粒徑大多小于0.045 mm，可以填充在漿體的毛細孔和氣孔中，使凝膠的結(jié)構(gòu)更加密實。粉煤灰掃描電子顯微圖如圖1所示。

表1 復(fù)合硅酸鹽水泥的主要物理指標

(3)鋼渣(河南濟源鋼鐵集團有限公司)，鋼渣的主要化學(xué)成分是CaO、Al2O3、SiO2、Fe2O3等。鋼渣、粉煤灰的化學(xué)組成與水泥熟料相似，作為摻合料時既可以減少水泥用量，含有的其他成分又可以改善漿體的性質(zhì)［12－13］。

(4)復(fù)合發(fā)泡劑(自配)，其基本組成如表2所示。

表2 復(fù)合發(fā)泡劑的基本組成

圖1 粉煤灰掃描電子顯微圖

2 實驗過程

2.1 試樣制備

泡沫混凝土配合比設(shè)計依據(jù)固定原材料質(zhì)量法和固定混合料體積法進行［14］。第一步，將水泥、鋼渣、粉煤灰按照設(shè)計的密度稱取相應(yīng)的質(zhì)量進行混合攪拌。第二步，用空氣壓縮機和發(fā)泡機制取均勻的泡沫。第三步，把泡沫加入漿體中，待攪拌均勻后澆注到預(yù)先準備好的模具中進行養(yǎng)護。實驗所用的設(shè)備如圖2所示。第四步，2 d后脫模進行標準養(yǎng)護。14 d后取出試塊進行相關(guān)的實驗。泡沫混凝土的制備工藝流程如圖3所示。

圖2 發(fā)泡設(shè)備實物圖

圖3 泡沫混凝土的制作工藝流程

2.2 導(dǎo)熱系數(shù)的測定與結(jié)果

泡沫混凝土保溫板養(yǎng)護好后，在數(shù)顯鼓風(fēng)式干燥箱(溫度為110±5℃)中干燥24 h后進行導(dǎo)熱系數(shù)測定實驗。本文用哈爾濱市鴻潤教學(xué)試驗設(shè)備廠生產(chǎn)的WPTB－Ⅱ型導(dǎo)熱系數(shù)測定儀測試導(dǎo)熱系數(shù)，分別測定 500 kg/m3、600 kg/m3、700 kg/m3、800 kg/m3、900 kg/m3泡沫混凝土保溫板和水泥凈漿的導(dǎo)熱系數(shù)，結(jié)果如表3所示。由表3可見，隨著密度的增加比熱容呈現(xiàn)遞增趨勢，說明密度越大蓄熱能力越大。導(dǎo)熱系數(shù)隨密度的增大而增加，水泥凈漿的導(dǎo)熱系數(shù)要比泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)大得多，這反映了泡沫混凝土的隔熱性要比混凝土好。溫度傳導(dǎo)性是耐火材料常用的指標之一，就泡沫混凝土而言，溫度傳導(dǎo)性隨密度的增加而減小，與導(dǎo)熱系數(shù)的趨勢相反，可以得到溫度傳導(dǎo)性與泡沫混凝土的隔熱性正相關(guān)。導(dǎo)熱系數(shù)與密度的關(guān)系如圖4所示。溫度傳導(dǎo)性與密度的關(guān)系如圖5所示。泡沫混凝土的孔隙率與密度的關(guān)系如圖6所示。在圖6中擬合曲線為y=－0.000 7x+1，擬合度R2=1，孔隙率與密度呈線性關(guān)系。

孔隙率的計算公式為:

式中:θi為第i種泡沫混凝土孔隙率;ρ實為實體的密度，單位為kg/m3;ρi為第i中泡沫混凝土的密度，單位為kg/m3。

比熱容的計算公式為:

式中:C為泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)，單位為J/(kg·℃);Ci為各成分的比熱容，單位為J/(kg·℃);Wi% 為各成分的質(zhì)量分數(shù)。

溫度傳導(dǎo)性的計算公式為:

式中:α為溫度傳導(dǎo)性，單位為m2/s;λ為導(dǎo)熱系數(shù)，單位為W/(m·k);ρ為密度，單位為kg/m3;C為比熱容，單位為J/(kg·℃)。

表3 不同密度泡沫混凝土的熱工參數(shù)

圖4 導(dǎo)熱系數(shù)與密度的關(guān)系

圖5 溫度傳導(dǎo)性與密度的關(guān)系

圖6 孔隙率與密度的關(guān)系

本文還研究了設(shè)計密度為500 kg/m3的泡沫混凝土中不同鋼渣含量對導(dǎo)熱系數(shù)的影響，結(jié)果如表4所示。由表4中數(shù)據(jù)可知，隨鋼渣含量的增加泡沫混凝土的密度增加，孔隙率減小，導(dǎo)熱系數(shù)增加，溫度傳導(dǎo)性增加，比熱容減小。在這里溫度傳導(dǎo)性與導(dǎo)熱系數(shù)呈現(xiàn)一致性，與上述溫度傳導(dǎo)性與導(dǎo)熱系數(shù)規(guī)律相反，這主要是由于鋼渣的比熱容小引起的。當(dāng)摻入鋼渣時溫度傳導(dǎo)性與泡沫混凝土的耐火性呈現(xiàn)負相關(guān)。由此可以看出，導(dǎo)熱系數(shù)始終可以作為評價泡沫混凝土耐火性的指標，而導(dǎo)熱系數(shù)又與密度成正相關(guān)，所以密度可以作為評價泡沫混凝土耐火性的指標。密度越大，泡沫混凝土的耐火性越差。

表4 不同鋼渣含量泡沫混凝土參數(shù)

2.3 耐火性研究

用保溫板進行耐火性實驗。實驗所用火焰溫度為恒溫1 000℃。實驗結(jié)果如表5所示。

表5 不同密度泡沫混凝土耐火時間

密度為700 kg/m3、800 kg/m3、900 kg/m3的泡沫混凝土的溫度達到220.0℃的時間分別為38 min、36 min、34 min，實體混凝土的溫度達到220.0℃的時間為30 min。灼燒前后泡沫混凝土的情況如圖7、圖8所示。由圖8可以看出在同樣加熱的條件下，隨著密度的增加，灼燒后背火面產(chǎn)生的裂紋增加，損毀程度遞增，這反映了泡沫混凝土的耐火性隨密度的增加而減弱。

圖7 各密度泡沫混凝土灼燒前表面結(jié)構(gòu)

耐火材料的抗張拉強度比較小，當(dāng)從表面加熱時受熱表面擴張比內(nèi)部快，表面受到擠壓作用，內(nèi)部受到張力的作用，當(dāng)其表面冷卻時與上述情況相反［15］。耐火材料內(nèi)部的裂紋可以由中心向表面擴展，而表面裂紋并不向內(nèi)部擴展，內(nèi)部裂紋通常都是較寬的，而且裂紋互不交叉，不會導(dǎo)致變形破壞。表面裂紋很細，且相互交叉貫通，能夠?qū)е缕淦茐摹１疚闹惺軣崦婕訜釙r內(nèi)部受到張力作用產(chǎn)生內(nèi)部裂紋，從圖8中可以看到密度為900 kg/m3的試塊和未發(fā)泡試塊表面出現(xiàn)了明顯的表面裂紋。冷卻時先從表面冷卻，表面受到張力作用產(chǎn)生表面裂紋，從圖8中可以看到各密度的試塊均產(chǎn)生了較細的表面裂紋。泡沫混凝土與水泥凈漿相比中心裂紋和表面裂紋都少，耐火性更好。

圖8 各密度泡沫混凝土灼燒后表面結(jié)構(gòu)

3 結(jié)論

(1)對鋼渣粉煤灰復(fù)合的泡沫混凝土，隨著密度的增大，導(dǎo)熱系數(shù)增大(0.113～0.153)，比熱容增大(1 389～1 691)，溫度傳導(dǎo)性減小(1.67～1.02)。對于同種密度的泡沫混凝土，隨著鋼渣含量的增加(0～33%)，導(dǎo)熱系數(shù)增大(0.102 ～0.113)，比熱容減小(1 581 ～1 389)，溫度傳導(dǎo)性增大(1.42 ～1.67)。

(2)本文中泡沫混凝土的孔隙率和密度呈線性關(guān)系，擬合曲線為y=－0.000 7x+1，R2=1。

(3)隨著泡沫混凝土密度的減小，相同時間內(nèi)溫度升高得更小，密度可以作為衡量泡沫混凝土隔熱性及耐火性的指標。鋼渣粉煤灰泡沫混凝土與水泥凈漿相比耐火性更好。

［1］ 周明杰，王娜娜，趙曉艷，等.泡沫混凝土的研究和應(yīng)用最新進展［J］.混凝土，2009(4):104－107.

［2］ 李漢平.現(xiàn)澆泡沫混凝土在地鐵隧道減荷中的應(yīng)用［J］.混凝土，2009(9):74－75.

［3］ 于水軍，余明高，謝鋒承，等.無機發(fā)泡凝膠材料防止高冒區(qū)托頂煤自然火災(zāi)［J］.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2010，39(2):173－177.

［4］ 姚景相，陶珍東，劉鵬.鋼渣比表面積和摻入量對水泥性能的影響［J］.水泥工程，2008(1):20－23.

［5］ JAMBOR J.Pore structure and strength development of cement composites［J］.Cem Concr Res，1990，20(6):948 －954.

［6］ TANG luping.A study on the quantitative relationship between strength and pore size distribution of porous materials［J］.Cem Concr Res，1986，16(4):87－96.

［7］ 黃麗娟.粉煤灰對水泥土抗壓強度影響的正交試驗研究［J］.河南理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2009，28(3):352－356.

［8］ 楊久俊，張海濤，張磊，等.粉煤灰高強微珠泡沫混凝土的制備研究［J］.粉煤灰綜合利用，2005(1):50－51.

［9］ 沈新元.粉煤灰泡沫混凝土墻體填充料設(shè)計［J］.粉煤灰綜合利用，2006(4):18－19.

［10］ 施惠生，黃昆生，吳凱，等.鋼渣活性激發(fā)及其機理的研究進展［J］.粉煤灰綜合利用，2011(1):48－53.

［11］ 唐明，閆振甲.泡沫混凝土材料與工程應(yīng)用［M］.北京:中國建筑出版社，2013.

［12］ 程緒想，楊全兵.鋼渣的綜合利用［J］.粉煤灰綜合利用，2010(5):45－49.

［13］ DUCMAN V，MLADENOVIC A.The potential use of steel slag in re-factory concrete［J］.Materials Characterization，2011，62(7):716－723.

［14］ 李應(yīng)權(quán)，朱立德，李菊麗，等.泡沫混凝土配合比的設(shè)計［J］.徐州工程學(xué)院學(xué)報:自然科學(xué)版，2011(2):1－5.

［15］ 王誠訓(xùn)，王玨.耐火材料技術(shù)與應(yīng)用［M］.2版.北京:冶金工業(yè)出版社，2002.