張磊蕾 ，王武祥 ，王愛軍 ，廖禮平

(1.中國建筑材料科學研究總院，北京 100024；2.綠色建筑材料國家重點實驗室，北京 100024)

0 引言

火山渣是在火山爆發(fā)時噴出的巖漿由于氣體作用發(fā)生膨脹后形成的多孔巖石。火山渣在我國分布廣泛，主要產(chǎn)地為內(nèi)蒙古、云南、黑龍江、吉林、遼寧等地區(qū)，且儲量豐富[1]。火山渣具有質(zhì)輕、孔隙率高、導熱系數(shù)小等特性，是優(yōu)質(zhì)的天然輕骨料，如果用其制備節(jié)能墻體材料，不但可以在一定程度上緩解砂石供應(yīng)的壓力，而且對發(fā)展地區(qū)經(jīng)濟、推進墻材革新與建筑節(jié)能工作產(chǎn)生積極作用。

發(fā)泡混凝土具有輕質(zhì)、保溫、隔熱、耐火、隔聲等良好的物理力學性能[2]，若選用導熱系數(shù)較小的火山渣發(fā)泡混凝土作為基材，然后在內(nèi)部復合不同厚度、不同材質(zhì)的絕熱材料，可制備火山渣發(fā)泡混凝土復合自保溫砌塊（見圖1）。

圖1 發(fā)泡混凝土復合自保溫砌塊

據(jù)測算，干表觀密度為（900±20）kg/m3的A09級火山渣發(fā)泡混凝土可用于制備500級、600級、700級和800級火山渣發(fā)泡混凝土復合自保溫砌塊（以下簡稱復合砌塊）。本文通過研究火山渣、水泥用量和養(yǎng)護工藝對火山渣發(fā)泡混凝土抗壓強度的影響，提出了火山渣發(fā)泡混凝土的適宜配合比，并推測了采用A09級火山渣發(fā)泡混凝土制備的復合砌塊的力學性能和熱工性能。

1 火山渣發(fā)泡混凝土試驗

1.1 原材料

水泥：冀東水泥集團股份有限公司，P·O42.5R；發(fā)泡劑：市售濃度為50%的雙氧水；火山渣：來自吉林省輝南縣火山渣礦，黑色，加工為粒徑3～5 mm的顆粒（見圖2），實測堆積密度為1126 kg/m3，含水率10%，主要化學成分見表1；混合材：北京市石景山熱電廠Ⅲ級干排粉煤灰；改性劑：液體速凝劑，濃度為50%，主要成分為硫酸鋁，液體穩(wěn)泡劑，WPF012，主要成分為硬脂酸；水：自來水。

圖2 火山渣顆粒

表1 火山渣的主要化學成分 %

1.2 配合比

水泥用量分別為30%、35%、40%；針對不同的水泥用量，粉煤灰和火山渣分5個不同用量；速凝劑外摻量為水泥用量的6%；穩(wěn)泡劑外摻量占干粉總質(zhì)量的0.10%，雙氧水和水的用量則通過試配確定。A09級火山渣發(fā)泡混凝土的試驗配合比見表2。

表2 A09級火山渣發(fā)泡混凝土配合比 %

1.3 試樣制備

試樣制備方法參考文獻[3]，采用自然養(yǎng)護和蒸汽養(yǎng)護2種養(yǎng)護方式。自然養(yǎng)護是在常溫條件下養(yǎng)護28 d，蒸汽養(yǎng)護則是將試件置于（80±2）℃蒸汽養(yǎng)護箱中養(yǎng)護16 h。

1.4 試驗內(nèi)容

依據(jù)JG/T 266—2011《泡沫混凝土》測試火山渣發(fā)泡混凝土的干表觀密度、抗壓強度，依據(jù)GB 10294—2008《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測定 防護熱板法》測試火山渣發(fā)泡混凝土的導熱系數(shù)，依據(jù)JC/T 1062—2007《泡沫混凝土砌塊》測試火山渣發(fā)泡混凝土的抗凍性。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 火山渣用量對自然養(yǎng)護發(fā)泡混凝土性能的影響（見表3）

表3 自然養(yǎng)護的發(fā)泡混凝土抗壓強度、干密度

由表3可見，當水泥用量為30%、火山渣用量由70%逐步降至30%、粉煤灰用量由0逐步增至40%時，火山渣發(fā)泡混凝土抗壓強度分別提高2.1%、31.2%、45.4%和47.8%；當水泥用量為35%、火山渣用量由65%逐步降至30%、粉煤灰用量由0逐步增至35%時，火山渣發(fā)泡混凝土抗壓強度分別提高-1.5%、26.0%、47.0%和55.0%；而當水泥用量為40%、火山渣用量由60%逐步降至30%、粉煤灰用量由0逐步增至30%時，火山渣發(fā)泡混凝土抗壓強度分別提高10.7%、17.1%、35.4%和36.8%。結(jié)果表明，固定水泥用量，火山渣發(fā)泡混凝土抗壓強度隨著火山渣用量增加而降低，這是因為火山渣用量增加，粉煤灰用量相應(yīng)減少。眾所周知，當粉煤灰與水泥混合后，粉煤灰中的活性SiO2和Al2O3與水泥水化產(chǎn)物Ca（OH）2發(fā)生二次水化反應(yīng)。因此，粉煤灰用量減少導致火山渣發(fā)泡混凝土抗壓強度降低。當水泥用量為40%、粉煤灰和火山渣用量均為30%時，采用自然養(yǎng)護的火山渣發(fā)泡混凝土干表觀密度為905 kg/m3，28 d抗壓強度達到6.65 MPa。

2.2 火山渣用量對蒸汽養(yǎng)護發(fā)泡混凝土性能的影響（見表4）

表4 蒸汽養(yǎng)護的發(fā)泡混凝土抗壓強度、干密度

由表4可見，當水泥用量為30%、火山渣用量由70%逐步降至30%時，火山渣發(fā)泡混凝土抗壓強度分別提高14.8%、58.1%、79.2%和97.5%；當水泥用量為35%、火山渣用量由65%逐步降至30%時，火山渣發(fā)泡混凝土抗壓強度分別提高24.6%、58.1%、80.8%和98.2%；而當水泥用量為40%、火山渣用量由60%逐步降至30%時，火山渣發(fā)泡混凝土抗壓強度分別提高17.5%、34.0%、68.6%和77.5%。結(jié)果表明，當水泥用量相同時，火山渣發(fā)泡混凝土抗壓強度亦隨著火山渣用量增加而降低。當水泥用量為40%、粉煤灰和火山渣用量均為30%，采用蒸汽養(yǎng)護的火山渣發(fā)泡混凝土干表觀密度為875 kg/m3，28 d抗壓強度達到7.51 MPa。

2.3 養(yǎng)護工藝對火山渣發(fā)泡混凝土性能的影響

對比表3、表4可知，粉煤灰用量大于15%時，蒸汽養(yǎng)護的火山渣發(fā)泡混凝土抗壓強度均高于自然養(yǎng)護的火山渣發(fā)泡混凝土，并且粉煤灰用量較高時抗壓強度提高明顯。在蒸汽養(yǎng)護條件下，由于水泥水化產(chǎn)物和蒸汽養(yǎng)護條件的共同作用，粉煤灰的玻璃體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更容易被破壞，[SiO4]4-四面體解聚成單聚體和雙聚體，提高了粉煤灰活性，從而提高了硬化漿體的強度[4]。因此采用蒸汽養(yǎng)護工藝可顯著提高火山渣發(fā)泡混凝土抗壓強度。而粉煤灰用量低于15%時，即火山渣用量較高時，蒸汽養(yǎng)護并不能很好提高火山渣的活性，蒸汽養(yǎng)護的火山渣發(fā)泡混凝土抗壓強度低于自然養(yǎng)護的抗壓強度。

2.4 水泥用量對蒸汽養(yǎng)護發(fā)泡混凝土性能的影響

對比表3、表4中911、916、921號試樣可知，當粉煤灰用量為0時，火山渣發(fā)泡混凝土抗壓強度隨著水泥用量的增加而明顯提高，采用自然養(yǎng)護的火山渣發(fā)泡混凝土抗壓強度均高于采用蒸汽養(yǎng)護的火山渣發(fā)泡混凝土。對比表3、表4中915、920、925號試樣可知，當火山渣用量為30%時，發(fā)泡混凝土抗壓強度同樣隨水泥用量的增加而明顯提高。使用粉煤灰替代部分水泥，由于粉煤灰活性終歸低于水泥，因此火山渣發(fā)泡混凝土抗壓強度必然會隨粉煤灰用量的增加而下降。

基于性能控制目標和成本要求，推薦925號試樣的配合比作為火山渣發(fā)泡混凝土的最佳配合比，即膠凝材料組成為40%水泥+30%粉煤灰+30%火山渣，速凝劑占水泥質(zhì)量的6%；穩(wěn)泡劑摻量占干粉總質(zhì)量的0.10%，并建議采用蒸汽養(yǎng)護。在前面試驗的基礎(chǔ)上，對925號試件進行導熱系數(shù)和抗凍性測試。綜合結(jié)果：925號試件的干表觀密度為875 kg/m3，抗壓強度為7.51 MPa，導熱系數(shù)為0.2198 W/（m·K），抗凍性為F35。

根據(jù)JG/T 266—2011，A09級火山渣發(fā)泡混凝土的強度等級達到 C7.5級，干表觀密度為（900±20）kg/m3，導熱系數(shù)＜0.24 W/（m·K）。925號試件符合A09級火山渣發(fā)泡混凝土的控制目標，抗凍性也符合JC/T 1062—2007的要求，滿足寒冷地區(qū)使用要求。

3 火山渣發(fā)泡混凝土復合自保溫砌塊性能推算

設(shè)計復合砌塊長度為590 mm，高度為190 mm，寬度分別為190 mm、240 mm、280 mm、310 mm、330 mm；絕熱材料層平均厚度不小于30mm（結(jié)構(gòu)如圖1所示）。絕熱材料的導熱系數(shù)為0.040 W/（m·K）、干表觀密度為30 kg/m3；A09級火山渣發(fā)泡混凝土抗壓強度取7.51 MPa，導熱系數(shù)為0.2198 W/（m·K）。根據(jù)文獻[5]，復合砌塊的結(jié)構(gòu)及強度、傳熱系數(shù)推算結(jié)果見表5。

由表5可見，復合砌塊的密度等級為500、600、700、800級，強度等級可達到MU3.5、MU5.0，砌體傳熱系數(shù)在0.21～0.52 W/（m2·K）。

表5 火山渣發(fā)泡混凝土復合自保溫砌塊的結(jié)構(gòu)及強度、傳熱系數(shù)推算結(jié)果

4 結(jié)語

（1）當水泥用量固定時，火山渣發(fā)泡混凝土抗壓強度隨著火山渣用量增加而降低；使用適宜比例的粉煤灰部分替代火山渣作為發(fā)泡混凝土原料，可顯著提高火山渣發(fā)泡混凝土的抗壓強度；粉煤灰用量高于15%時，蒸汽養(yǎng)護的火山渣發(fā)泡混凝土抗壓強度均高于自然養(yǎng)護的抗壓強度。

（2）A09級火山渣發(fā)泡混凝土可用于制備密度等級為500、600、700、800級的火山渣發(fā)泡混凝土復合自保溫砌塊，推算強度等級可達到MU3.5、MU5.0，復合砌塊砌體傳熱系數(shù)在0.21～0.52 W/（m2·K）。

[1] 高娃，董欣，鄭永章.內(nèi)蒙古錫盟地區(qū)火山渣及火山渣混凝土材料的性能初報[J].河北科技師范學院學報，2007，21（4）：46-49.

[2] 王武祥，張磊蕾，王愛軍，等.水泥基發(fā)泡混凝土保溫砌塊的性能與生產(chǎn)[J].建筑砌塊與砌塊建筑，2012（6）：5-6.

[3] 王武祥，宋曉輝，張磊蕾，等.A09級水泥基發(fā)泡混凝土的試驗研究與應(yīng)用[C].//姚燕，劉德富.2013年混凝土與水泥制品學術(shù)討論會論文集，武漢：2013：540-549.

[4] 蔣林華，林寶玉，蔡躍波.高摻量粉煤灰水泥膠凝材料的水化性能研究[J].硅酸鹽學報，1998，26（6）：695-701.

[5] 孫惠鎬.混凝土小型空心砌塊生產(chǎn)技術(shù)[M].北京：中國建材工業(yè)出版社，2001.