賈曉釗 雷國元 宋均平 向 銳 毛紹波 許 彥

（1.武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北武漢430081；2.武鋼資源集團(tuán)有限公司，湖北武漢430080）

泡沫混凝土作為新型節(jié)能環(huán)保材料，具有輕質(zhì)、保溫、隔聲、耐火、減震、耐久、利廢、環(huán)保等特點(diǎn)［1-2］。陶粒泡沫混凝土為普通泡沫混凝土的升級(jí)產(chǎn)品，強(qiáng)度更高，且保溫、耐久等性能更好［3］。從目前的研究與實(shí)踐看，陶粒泡沫混凝土所采用的多為粒型系數(shù)較高的頁巖陶粒［4-5］，鮮有使用低粒型系數(shù)的黏土陶粒生產(chǎn)泡沫混凝土的報(bào)道。

紅黏土是礦山開采過程中較常見的一種剝離土，目前利用率極低，其開發(fā)利用有利于提高資源的利用率，減輕企業(yè)的安全與環(huán)保壓力［6］。紅黏土具有塑性系數(shù)高、成球性能好的特點(diǎn)。因此，在制備陶粒方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

試驗(yàn)以某冶金熔劑礦山廢棄紅黏土為主要原料生產(chǎn)的陶粒為骨料，進(jìn)行了泡沫混凝土制備研究。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)原料

（1）陶粒。試驗(yàn)用輕質(zhì)紅黏土陶粒的性能指標(biāo)見表1。

（2）水泥。水泥為中建商品混凝土有限公司的42.5等級(jí)普通硅酸鹽水泥，其物理力學(xué)性能見表2。

（3）發(fā)泡劑。發(fā)泡劑為鹽城市世隆裝飾材料有限公司的FP-180型動(dòng)物蛋白質(zhì)發(fā)泡劑，外觀為棕褐色液體，其性能指標(biāo)見表3。

（4）減水劑。減水劑為中建商品混凝土有限公司ZJSS-1型聚羧酸型減水劑，其性能指標(biāo)見表4。

（5）玻璃纖維。玻璃纖維為佛山市平吉復(fù)合材料有限公司生產(chǎn)的耐堿玻璃纖維，其性能指標(biāo)見表5。

（6）試驗(yàn)用水為自來水。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 陶粒泡沫混凝土原料配方試驗(yàn)

將發(fā)泡劑與水按質(zhì)量比1∶20配成發(fā)泡液后用發(fā)泡機(jī)制取泡沫，泡沫密度為30～35 kg/m3；再將已浸泡1 h并瀝干至飽和面干的陶粒與水泥、玻璃纖維等按設(shè)計(jì)配合比加入混凝土攪拌機(jī)中干拌均勻，加入水、減水劑、泡沫，漿體充分?jǐn)嚢? min后在30 mm×30 mm×30 mm混凝土試模中澆注成型，放置1 d后脫模，按標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)法養(yǎng)護(hù)28 d。

《GB/T 23450-2009建筑隔墻用保溫條板》對(duì)墻板厚度的規(guī)定有90、120、150 mm等3種規(guī)格，對(duì)應(yīng)的面密度要求分別為小于85、100、110 kg/m2，對(duì)應(yīng)的體密度要求分別為小于944、833、733 kg/m3。其中，120 mm板的體密度對(duì)應(yīng)《JG/T 266-2011泡沫混凝土》中的A08干密度等級(jí)（800～840 kg/m3）；《GB/T 23450-2009建筑隔墻用保溫條板》對(duì)抗壓強(qiáng)度（≥3.5 MPa）的要求較《JG/T 266-2011泡沫混凝土》（1.8～3.0 MPa）更高；《GB/T 23450-2009建筑隔墻用保溫條板》對(duì)質(zhì)量吸水率無明確要求、《JG/T 266-2011泡沫混凝土》中A08干密度等級(jí)對(duì)應(yīng)吸水率等級(jí)為W20（≤20%）。

因此，按照《GB/T 23450-2009建筑隔墻用保溫條板》規(guī)定的方法測(cè)定試件的干表觀密度、抗壓強(qiáng)度；按照《JG/T 266-2011泡沫混凝土》規(guī)定的方法測(cè)定試件的干表觀密度、質(zhì)量吸水率。

1.2.2 送檢樣品制備方法

依據(jù)陶粒泡沫混凝土原料配方試驗(yàn)結(jié)果，確定各物料最佳配比，用100 mm×100 mm×100 mm及300 mm×300 mm×30 mm試模澆注陶粒泡沫混凝土試件，標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護(hù)28 d后送至湖北省建材產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站。

相較傳熱系數(shù)大小取決于材料的導(dǎo)熱系數(shù)、固體表面的形狀、壁面兩側(cè)流體的物性等因素，導(dǎo)熱系數(shù)更能反映材料本身的保溫性能，而且通常情況下行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)于國家標(biāo)準(zhǔn)，《JG/T 266-2011泡沫混凝土》作為泡沫混凝土行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，頒布晚于國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 23450-2009建筑隔墻用保溫條板》。所以，試驗(yàn)將依據(jù)《GB/T 23450-2009建筑隔墻用保溫條板》測(cè)定試件干表觀密度、抗壓強(qiáng)度，依據(jù)《JG/T 266-2011泡沫混凝土》測(cè)定試件導(dǎo)熱系數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 陶粒泡沫混凝土原料配方試驗(yàn)

2.1.1 陶粒添加量對(duì)陶粒泡沫混凝土強(qiáng)度及吸水率的影響

在泡沫混凝土的生產(chǎn)過程中，降低水泥添加量可降低生產(chǎn)成本，而適當(dāng)提高陶粒添加量可減少水泥添加量。陶粒添加量（300、350、400、450 kg/m3）試驗(yàn)的陶粒粒型系數(shù)為1.2，調(diào)整水泥添加量，以控制混凝土成型密度，對(duì)應(yīng)的水泥添加量分別為440、400、360、320 kg/m3，減水劑的添加量與水泥的質(zhì)量比為1%，水灰比為0.31，發(fā)泡劑添加量與水泥的質(zhì)量比為0.125%（即泡沫的體積與水泥質(zhì)量的比為0.9 L/kg），玻璃纖維添加量為0。陶粒添加量分別為300、350、400、450 kg/m3的情況下試件的干表觀密度非常穩(wěn)定，分別為829、826、827、828 kg/m3，陶粒添加量對(duì)陶粒泡沫混凝土試件抗壓強(qiáng)度及吸水率的影響見圖1。

由圖1可知：試件的抗壓強(qiáng)度隨陶粒添加量的增加而降低，但均高于3.5 MPa，這是因?yàn)殡S著陶粒添加量的增加，試件內(nèi)部陶粒的表面積增大，包裹陶粒的水泥漿密度降低，阻礙陶粒位移的力量減小，受外力作用時(shí)試件更易產(chǎn)生裂紋；吸水率隨陶粒添加量的增加而增加（陶粒添加量超過400 kg/m3后，試件的吸水率高于W20的吸水率等級(jí)），這是因?yàn)樘樟＞哂形裕涮砑恿康脑黾訉?dǎo)致試件吸水率升高。綜合考慮，確定陶粒添加量為400 kg/m3。

2.1.2 發(fā)泡劑添加量對(duì)陶粒泡沫混凝土強(qiáng)度及吸水率的影響

陶粒添加量為400 kg/m3，陶粒粒型系數(shù)為1.2，水泥添加量為360 kg/m3，減水劑與水泥的質(zhì)量比為1%，水灰比0.31，發(fā)泡劑與水泥的質(zhì)量比分別為0.075%、0.100%、0.125%、0.150%（亦即加入的泡沫體積與水泥質(zhì)量比分別為0.4、0.7、0.9、1.1 L/kg），玻璃纖維添加量為0。發(fā)泡劑添加量對(duì)陶粒泡沫混凝土試件抗壓強(qiáng)度及吸水率的影響見圖2、圖3。

由圖2、3可知：各試件干表觀密度隨發(fā)泡劑添加量增加而降低，在添加量為0.125%時(shí)符合120 mm板的密度等級(jí)；各試件的抗壓強(qiáng)度均高于3.5 MPa，且隨著發(fā)泡劑添加量的增加而降低，當(dāng)發(fā)泡劑添加量超過0.125%后，試件的抗壓強(qiáng)度急劇降低；吸水率隨發(fā)泡劑添加量增加而增加，發(fā)泡劑添加量超過0.125%后高于W20吸水率等級(jí)。這是因?yàn)?，隨著發(fā)泡劑添加量的增加，泡沫摻入量增加，水泥漿密度降低，有更多的泡沫破碎導(dǎo)致混凝土孔隙率增加，抗壓性能降低，吸水性升高［7］。綜合考慮，確定發(fā)泡劑添加量與水泥的質(zhì)量比為0.125%。

2.1.3 粒型系數(shù)對(duì)陶粒泡沫混凝土強(qiáng)度和吸水率的影響

試驗(yàn)選用粒度相同、粒型系數(shù)分別為1.2、1.3、1.5的陶粒，在陶粒添加量為400 kg/m3，水泥添加量為360 kg/m3，減水劑與水泥的質(zhì)量比為1%，發(fā)泡劑與水泥的質(zhì)量比為0.125%，水灰比為0.31，玻璃纖維添加量為0情況下試件的干表觀密度非常穩(wěn)定，分別為827、829、832 kg/m3。粒型系數(shù)對(duì)陶粒泡沫混凝土試件抗壓強(qiáng)度和吸水率的影響見圖4。

由圖4可知：各試件的抗壓強(qiáng)度均高于3.5 MPa，且隨著粒型系數(shù)的增大而降低。這是因?yàn)殡S著粒型系數(shù)的增加，陶粒比表面積增大，水泥總量不變的情況下混凝土拌合物的和易性、保水性及密實(shí)性均降低，進(jìn)而導(dǎo)致其抗壓強(qiáng)度降低［8］；各試件吸水率無明顯差別，均低于W20的吸水率等級(jí)。綜合考慮，確定選用粒型系數(shù)為1.2的陶粒。

2.1.4 水灰比對(duì)陶粒泡沫混凝土強(qiáng)度及吸水率的影響

在陶粒添加量為400 kg/m3，粒型系數(shù)為1.2，水泥添加量為360 kg/m3，減水劑與水泥的質(zhì)量比為1%，發(fā)泡劑與水泥的質(zhì)量比為0.125%，玻璃纖維添加量為0，水灰比分別為0.28、0.31、0.34、0.37情況下，試件的干表觀密度非常穩(wěn)定，分別為838、827、824、821 kg/m3，水灰比對(duì)陶粒泡沫混凝土試件抗壓強(qiáng)度及吸水率的影響見圖5。

由圖5可知：各試件的抗壓強(qiáng)度隨水灰比的提高先上升后下降，但均高于3.5 MPa，高點(diǎn)在水灰比為0.31時(shí)；各試件的吸水率隨水灰比的提高而緩慢降低，且均低于W20吸水率等級(jí)。這是因?yàn)椋S著水灰比的增大，混凝土漿體流動(dòng)性、和易性增強(qiáng)，易于澆注，但過量的水會(huì)降低漿體黏聚性和泡沫穩(wěn)定性［9］，導(dǎo)致成型強(qiáng)度降低。綜合考慮，確定水灰比為0.31。

2.1.5 玻璃纖維添加量對(duì)陶粒泡沫混凝土強(qiáng)度及吸水率的影響

在陶粒添加量為400 kg/m3，陶粒粒型系數(shù)為1.2，水泥添加量為360 kg/m3，減水劑與水泥的質(zhì)量比為1%，發(fā)泡劑與水泥的質(zhì)量比為0.125%，水灰比為0.31，玻璃纖維添加量與水泥的質(zhì)量比分別為0、0.4%、0.8%、1.2%情況下，試件的干表觀密度非常穩(wěn)定，分別為827、823、825、821 kg/m3，玻璃纖維添加量對(duì)陶粒泡沫混凝土試件抗壓強(qiáng)度及吸水率的影響見圖6。

由圖6可知：隨著玻璃纖維添加量的增加，各試件的抗壓強(qiáng)度先上升后下降，但均高于3.5 MPa，在玻璃纖維添加量為0.8%時(shí)，試件的抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值，這是因?yàn)?，適當(dāng)增大玻璃纖維的添加量，有利于阻礙混凝土在受外力時(shí)在內(nèi)部產(chǎn)生裂縫［10-11］；玻璃纖維的添加量對(duì)試件吸水率無明顯影響，各試件均低于W20的吸水率等級(jí)。綜合考慮，確定玻璃纖維的添加量為0.8%。

2.2 確定條件下陶粒泡沫混凝土試件的性能

在陶粒添加量為400 kg/m3，陶粒粒型系數(shù)為1.2，水泥添加量為360 kg/m3，減水劑與水泥的質(zhì)量比為1%，發(fā)泡劑與水泥的質(zhì)量比為0.125%，玻璃纖維與水泥的質(zhì)量比為0.8%，水灰比為0.31情況下制得的混凝土試件關(guān)鍵性能指標(biāo)見表6。

由表6可知，確定條件下陶粒泡沫混凝土試件的各項(xiàng)關(guān)鍵性能指標(biāo)均達(dá)到《GB/T 23450-2009建筑隔墻用保溫條板》、《JG/T 266-2011泡沫混凝土》的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)論

以某較低粒型系數(shù)和吸水率的黏土陶粒與泡沫、玻璃纖維、水泥等為原料可制得輕質(zhì)陶粒泡沫混凝土。在粒型系數(shù)為1.2的陶粒添加量為400 kg/m3，水泥添加量為360 kg/m3，減水劑與水泥的質(zhì)量比為1%，發(fā)泡劑與水泥的質(zhì)量比為0.125%，玻璃纖維與水泥的質(zhì)量比為0.8%，水灰比為0.31情況下制得的混凝土試件的干密度為821.3 kg/m3，抗壓強(qiáng)度為3.64 MPa，導(dǎo)熱系數(shù)為0.199 W/（m·K），達(dá)到《GB/T 23450-2009建筑隔墻用保溫條板》120 mm板、《JG/T 266-2011泡沫混凝土》A08級(jí)泡沫混凝土的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。