方張平，黃 偉

(淮南聯(lián)合大學(xué) 建筑工程系，安徽 淮南 232038)

我國(guó)“十三五”節(jié)能減排政策中明確提出實(shí)施綠色建筑全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展計(jì)劃，推行綠色施工方式，推廣節(jié)能綠色建材.建筑物外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)是室內(nèi)外能耗運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵部位，據(jù)統(tǒng)計(jì)每年因冬季采暖、夏季制冷至少有30%以上的熱量是通過(guò)門窗、墻體散失，外墻保溫技術(shù)要求越來(lái)越高.傳統(tǒng)外墻保溫技術(shù)的施工方法是等建筑主體結(jié)構(gòu)成型后，在外墻粘貼或涂刷保溫材料，工序多，施工速度慢，造價(jià)高，且保溫材料與主體結(jié)構(gòu)材料物理力學(xué)性能差異大，易因受力不均造成保溫層空鼓開裂甚至脫落.自保溫混凝土是指將摻合料和保溫材料適量加入普通混凝土中來(lái)改善其熱工性能.

近年來(lái)，隨著混凝土技術(shù)的快速發(fā)展，引氣技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各種混凝土建筑領(lǐng)域.在普通混凝土中摻入適量引氣劑可形成引氣型混凝土.引氣劑的引入可在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生豐富穩(wěn)定封閉的有益小氣泡，且這些小氣泡做均勻定向排列(小氣泡不會(huì)連通形成有害大氣泡，使混凝土密度降低)，呈現(xiàn)出多孔海綿狀結(jié)構(gòu)，有效降低混凝土導(dǎo)熱系數(shù)，保溫性能增強(qiáng)[1].?；⒅橐蚱涮厥饧庸すに嚕砻娌；忾]形成一定顆粒強(qiáng)度，內(nèi)部空腔多孔具有輕質(zhì)、保溫、隔熱、防火和吸音等優(yōu)異性能，屬理化性能穩(wěn)定的環(huán)保型高性能無(wú)機(jī)輕質(zhì)絕熱材料，被廣泛用于自保溫混凝土中[2-3].

粉煤灰是從燃煤電廠煙囪中收集到的一種顆粒狀固體工業(yè)廢棄物，為促進(jìn)廢棄物的二次利用，降低造價(jià)，推進(jìn)綠色建筑環(huán)保材料的應(yīng)用，結(jié)合安徽淮南及周邊地區(qū)煤礦產(chǎn)業(yè)特性，在混凝土中添加適量粉煤灰.目前，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)此已展開研究，并取得一定的成果，如黃偉等[4-10]對(duì)不同配合比的?；⒅榛炷吝M(jìn)行正交試驗(yàn)，證實(shí)了?；⒅閾饺肫胀ɑ炷林械目尚行?，且能與混凝土中其他組成材料有良好的相容性，具有實(shí)際施工的可操作性；蔣榮等[11-12]對(duì)引氣型?；⒅榛炷疗鰤K進(jìn)行試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明引氣劑不但能改善混凝土的綜合工作性能，還能有效降低混凝土的導(dǎo)熱系數(shù).

本課題組利用輕集料?；⒅楹碗姀S工業(yè)廢棄物粉煤灰制備引氣型?；⒅榉勖夯冶鼗炷粒p摻不同摻量的?；⒅楹头勖夯?，通過(guò)正交試驗(yàn)測(cè)定其抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度，得出混凝土最大強(qiáng)度下玻化微珠和粉煤灰的最佳摻量，并測(cè)定該摻量下混凝土的導(dǎo)熱系數(shù).這一方面可為引氣型?；⒅榉勖夯冶鼗炷猎诮窈蠼ㄖこ讨械膽?yīng)用提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)參考；另一方面還可以有效解決當(dāng)?shù)毓I(yè)廢棄物粉煤灰的回收利用問(wèn)題，降低生產(chǎn)成本，減輕環(huán)境污染.

1 試驗(yàn)條件

1.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C30，水灰比0.5，砂率為36%，基準(zhǔn)混凝土配合比為水泥∶砂∶石∶水=480 kg∶648 kg∶1 146 kg∶240 kg.為能在混凝土內(nèi)部引入數(shù)量豐富的小粒徑有益氣泡，改善混凝土孔結(jié)構(gòu)，增大整個(gè)拌合物漿液體系的表面積，使固體顆粒之間的潤(rùn)滑作用加強(qiáng)，提高和易性，緩解泌水和輕重骨料離析現(xiàn)象，增強(qiáng)混凝土的保溫隔熱性能，摻入0.3%的引氣劑.為減小水膠比，增大漿體粘度，提高混凝土后期強(qiáng)度，摻入5%的硅灰和0.5%的減水劑.由于輕集料?；⒅轭w粒的密度僅有100～250 kg/m3，在混凝土拌和時(shí)易上浮，造成在混凝土內(nèi)部分布不均，此外玻化微珠易破損，破損后內(nèi)部孔隙空腔外露，吸水性較大，為抑制因玻化微珠的上浮導(dǎo)致分層離析所引起混凝土強(qiáng)度不均勻，且為保證混凝土拌合物水膠比的穩(wěn)定，在混凝土攪拌之前需對(duì)?；⒅轭w粒進(jìn)行加水充分預(yù)濕.

以?；⒅榈润w積替代砂子0，20%，40%和60%，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)法設(shè)計(jì)16 組不同配合比的引氣型?；⒅榉勖夯冶鼗炷?，分別測(cè)試其抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度，分析強(qiáng)度變化趨勢(shì)，得出?；⒅楹头勖夯业淖顑?yōu)摻量，并對(duì)此摻量引氣型?；⒅榉勖夯冶鼗炷恋膶?dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行測(cè)定，分析承重和保溫雙指標(biāo)之間的關(guān)系.

1.2 試驗(yàn)原材料

1)水泥：安徽省淮南市八公山牌P.O 42.5 普通硅酸鹽水泥.

2)石子：普通碎石，粒徑為5～15 mm，級(jí)配連續(xù). 3)砂：普通河砂，細(xì)度模數(shù)為2.3，中粗砂. 4)?；⒅椋汉颖崩确恍帕x鼎節(jié)能保溫建材公司生產(chǎn)，物理性能指標(biāo)見表1.

5)粉煤灰：安徽省淮南市平圩電廠提供，物理性能指標(biāo)見表2.

6)硅灰：Sio2含量≧92%，容重1 600～1 700 kg/m3.

7)引氣劑：高純度型引氣劑.

8)減水劑：聚羧酸系高效減水劑.

9)水：當(dāng)?shù)仫嬘盟?

表1 ?；⒅槲锢硇阅苤笜?biāo)

表2 粉煤灰物理性能指標(biāo)

1.3 試驗(yàn)制備

抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)均采用尺寸為150 mm×150 mm×150 mm 的標(biāo)準(zhǔn)混凝土試件，各制作成16 小組，每組3 個(gè)，共計(jì)96 個(gè).混凝土拌合料入模、振搗、抹平，靜置24 h 后脫模，搬入恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d 后在型號(hào)為WAW-1000 kN 微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試.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，為避免因試件表面不平整導(dǎo)致接觸時(shí)產(chǎn)生空隙熱阻影響測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求定制6 個(gè)尺寸為300 mm×300 mm×30 mm 鋼模平板，充分保證平整度.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試件斷面觀察

圖1 不摻玻化微珠和粉煤灰混凝土試件斷面

仔細(xì)觀察圖1 中不摻?；⒅楹头勖夯一炷?土試件受力破壞后的斷面，可以清晰直觀地看到混凝土內(nèi)部存在2 種形態(tài)差異較大的孔洞.一種是因加入適量引氣劑產(chǎn)生數(shù)量豐富且分布均勻的微小孔洞，這些微小孔洞在混凝土硬化后仍能穩(wěn)定存在，使混凝土呈現(xiàn)多孔海綿狀結(jié)構(gòu)；另外一種是混凝土在攪拌過(guò)程中不可避免裹入空氣產(chǎn)生的相對(duì)較大且數(shù)量不多形狀不規(guī)則的孔洞.當(dāng)雙摻?；⒅楹头勖夯視r(shí)，如圖2 所示，白色?；⒅轭w粒在混凝土粗細(xì)骨料和膠凝漿體中分布均勻，部分因引氣劑產(chǎn)生的微小孔洞被白色玻化微 珠小顆粒有效填充，粉煤灰的摻入使膠凝材料增加，由于粉煤灰粒徑比水泥顆粒更細(xì)，粉煤灰與水泥等膠凝材料形成的漿液能有效改善混凝土的流動(dòng)性，混凝土內(nèi)部不規(guī)則大孔洞數(shù)量明顯減少，膠凝材料粘度和均勻性提高，混凝土試件斷面看起來(lái)更加平整細(xì)膩密實(shí)，大小孔洞均被部分有效填充，且水泥等膠凝材料均勻牢固地吸附在玻化微珠周圍，有效保護(hù)?；⒅榈耐暾?

圖2 雙摻?；⒅楹头勖夯一炷猎嚰嗝?

2.2 試驗(yàn)強(qiáng)度數(shù)據(jù)與分析

在普通引氣型混凝土中雙摻?；⒅楹头勖夯?，以?；⒅榈润w積替代砂0，20%，40%和60%，粉煤灰等質(zhì)量替代膠凝材料0，10%，20%和30%，進(jìn)行正交強(qiáng)度試驗(yàn)，抗壓強(qiáng)度測(cè)試控制加載速度為0.6 MPa/s，劈裂抗拉強(qiáng)度測(cè)試控制加載速度為0.06 MPa/s，不同配合比混凝土試件強(qiáng)度數(shù)據(jù)如表3 所示.

表3 不同配合比混凝土試件強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

為提高不同配比混凝土試件強(qiáng)度數(shù)據(jù)對(duì)比的直觀性，對(duì)表3 中數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線分析，以?；⒅椴煌瑩搅繛闄M坐標(biāo)，抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度分別為縱坐標(biāo)繪制強(qiáng)度變化曲線，如圖3 和圖4所示.

圖3 抗壓強(qiáng)度變化曲線

圖4 劈裂抗拉強(qiáng)度變化曲線

從圖3、圖4 中能明顯看出2 號(hào)曲線所代表的混凝土試件抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度數(shù)值顯著大于1，3，4 號(hào)曲線，且有明顯數(shù)據(jù)峰值，引氣型混凝土試件雙摻?；⒅楹头勖夯掖嬖谧顑?yōu)摻量.結(jié)合表3 中強(qiáng)度數(shù)據(jù)對(duì)比分析，可知2 號(hào)曲線所代表的混凝土試件在?；⒅閾搅繛?0%、粉煤灰摻量為10%時(shí)的抗壓強(qiáng)度數(shù)值達(dá)到最大值35.4 MPa；相對(duì)?；⒅閾搅繛?，粉煤灰摻量為0，10%，20%和30%時(shí)分別提高48.30%，42.94%， 13.56%和50.85%；相對(duì)?；⒅閾搅繛?0%，粉煤灰摻量為0，20%和30%時(shí)分別提高18.08%，38.70%和43.22%；此摻量下混凝土試件的劈裂抗拉強(qiáng)度數(shù)值達(dá)到最大值2.15 MPa.相對(duì)不摻?；⒅?，粉煤灰摻量為0，10%，20%和30%時(shí)分別提高35.35%，29.77%，13.49%和47.44%；相對(duì)?；⒅閾搅繛?0%，粉煤灰摻量為0，20%，30%時(shí)分別提高16.74%，23.72%和35.81%；當(dāng)?；⒅閾搅繛?0%時(shí)，抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度數(shù)值都存在明顯遞減趨勢(shì)；?；⒅閾搅繛?0%時(shí)，強(qiáng)度數(shù)值均進(jìn)一步減小.即引氣型?；⒅榉勖夯冶鼗炷林胁；⒅楹头勖夯覐?qiáng)度最優(yōu)摻量為：玻化微珠摻量為20%，粉煤灰摻量為10%.

當(dāng)粉煤灰摻量為10 %時(shí)，即2 號(hào)曲線，引氣型?；⒅榉勖夯冶鼗炷量箟簭?qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度隨?；⒅閾搅康淖兓尸F(xiàn)相同的變化規(guī)律，均是先逐漸增大，隨后減小.?；⒅楹头勖夯译p摻入引氣型混凝土中，?；⒅椴糠痔娲白樱诨炷涟韬衔锍尚蜁r(shí)，會(huì)以自空腔結(jié)構(gòu)形式均勻填充到混凝土粗細(xì)骨料和水泥漿液的間隙之中，且還會(huì)填充到因引氣劑產(chǎn)生的微小氣泡之中，使混凝土結(jié)構(gòu)更加密實(shí)緊致.此外，?；⒅樾☆w粒在混凝土中充當(dāng)了類似固體引氣劑作用，這些固體小顆粒具有較高的彈性，存在較大的自由變形空間，當(dāng)小顆粒界面受到外力作用時(shí)，其與粗細(xì)骨料接觸產(chǎn)生的應(yīng)力集中所導(dǎo)致的應(yīng)變會(huì)因這些固體小顆粒的存在而得以釋放，阻止了界面的破壞，促進(jìn)混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度的形成[13].隨著玻化微珠摻量的繼續(xù)增加，混凝土內(nèi)部充斥著大量空腔結(jié)構(gòu)，這些空腔結(jié)構(gòu)降低了混凝土結(jié)構(gòu)的密室程度，且?；⒅楸旧韽?qiáng)度較低，在受到外部荷載作用時(shí)，粗細(xì)骨料變形位移加強(qiáng)，混凝土內(nèi)部的孔洞和?；⒅榈目涨唤Y(jié)構(gòu)均發(fā)生壓裂和塌陷現(xiàn)象，微小裂紋延伸貫通成大的空隙裂縫，大大降低混凝土強(qiáng)度，即本試驗(yàn)中?；⒅榈淖顑?yōu)摻量為20%.同時(shí)，當(dāng)?；⒅閾搅繛?0%時(shí)，在引氣型混凝土中摻入適量粉煤灰，粉煤灰中富含潛在的火山活性空心微珠，尤其在堿性環(huán)境中可以充分發(fā)揮粉煤灰的活性和填充作用，加速粉煤灰的火山灰效應(yīng)，使水化反應(yīng)更加均勻充分，且粉煤灰具有多孔結(jié)構(gòu)，比表面積大，使膠凝漿體密度降低，粘度和均勻性增大，減弱骨料分離，有效改善和易性，混凝土強(qiáng)度得以提高.但隨著粉煤灰摻量的繼續(xù)增大，會(huì)一定程度上降低膠凝材料的濃度，使得粘結(jié)團(tuán)聚作用減弱，且由于粉煤灰后期水化較慢，過(guò)多的粉煤灰將不再繼續(xù)參加水化反應(yīng)，還會(huì)包裹住周邊的水泥漿液阻止其水化，進(jìn)一步導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度降低.

2.3 導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定

圖5 300 mm×300 mm×30 mm 平板試件

通過(guò)強(qiáng)度試驗(yàn)可知當(dāng)玻化微珠摻量為20%、粉煤灰摻量為10%時(shí)，引氣型?；⒅榉勖夯冶鼗炷量箟簭?qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值，滿足混凝土結(jié)構(gòu)承重需求.對(duì)此配合比混凝土進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定.試驗(yàn)中制作尺寸為 300 mm×300 mm×30 mm 的混凝土試件，6 個(gè)為1 組，如圖5 所示.試件成型后靜置24 h 拆模，拆模后 對(duì)混凝土板表面進(jìn)行及時(shí)磨平處理，保證試件厚度均勻，2 表面平行，然后放置養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d.在進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定前需將試件放入烘箱內(nèi)烘干至恒重，然后將烘干后的2 塊板緊貼冷熱板放入DR3030 智能平板導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀內(nèi)夾緊，確保各試件的接觸面平整且貼合緊密，最后關(guān)好保護(hù)蓋將整個(gè)測(cè)試體系封閉密實(shí)，避免外界因素對(duì)其數(shù)值產(chǎn)生影響，如圖6 所示.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 ℃，冷熱板溫差為20 ℃，啟動(dòng)電源，開始試驗(yàn).大約3 h 后待數(shù)據(jù)穩(wěn)定收斂，試驗(yàn)自動(dòng)停止，測(cè)得導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)值.

圖6 DR3030 智能平板導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀

取3 組混凝土板試件導(dǎo)熱系數(shù)的平均值得出該配合比引氣型?；⒅榉勖夯冶鼗炷翆?dǎo)熱系數(shù)為0.431 73 W/(m·K)，相對(duì)普通混凝土導(dǎo)熱系數(shù)1.74 W/(m·K)降低了75.19%，滿足我國(guó)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)計(jì)限值0.77 W/(m·K)的要求.

3 結(jié)論

1)在普通引氣型混凝土中雙摻?；⒅楹头勖夯抑苽涑傻囊龤庑筒；⒅榉勖夯冶鼗炷辆哂惺┕た刹僮餍??；⒅榈润w積部分替代砂子后，與混凝土其他組成材料結(jié)合良好，能均勻分布于混凝土粗細(xì)骨料和膠凝漿體之中共同協(xié)作；粉煤灰等質(zhì)量部分替代膠凝材料可以有效改善混凝土拌合物的和易性，提高混凝土綜合性能.

2)引氣型?；⒅榉勖夯冶鼗炷量箟簭?qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度隨玻化微珠和粉煤灰摻量的增加呈現(xiàn)相同的變化趨勢(shì)，均是先逐漸增大而后下降.即引氣型?；⒅榉勖夯冶鼗炷林胁；⒅楹头勖夯覐?qiáng)度最優(yōu)摻量分別為：?；⒅閾搅繛?0%，粉煤灰摻量為10%.

3)最優(yōu)摻量下的引氣型?；⒅榉勖夯冶鼗炷量箟簭?qiáng)度數(shù)值為35.4 MPa，劈裂抗拉強(qiáng)度數(shù)值為2.15 MPa，導(dǎo)熱系數(shù)為0.431 73 W/(m·K)，力學(xué)性能和熱工性能均能達(dá)到我國(guó)建筑墻體材料的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，滿足建筑節(jié)能需求.