龐超明，周楊帆，酈培娟，張春鵬

(東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇省土木工程材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 211189)

0 引 言

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)建筑走向建筑工業(yè)化、高層化、大跨度化，由此對(duì)混凝土提出了輕質(zhì)高強(qiáng)的更高要求。輕集料(lightweight aggregate， LA)因具有密度較低、熱導(dǎo)率低等優(yōu)點(diǎn)，使用輕集料替代石子制備的輕集料混凝土(lightweight aggregate concrete， LAC)具備保溫、隔熱、隔音[1]等特性，在滿足住宅舒適性的同時(shí)，還可以有效降低產(chǎn)品自重[2]，降低產(chǎn)品運(yùn)輸和安裝成本，同時(shí)提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。關(guān)于LAC的研究，曾停滯多年，近年來(lái)重新煥發(fā)活力，關(guān)于LAC的配合比設(shè)計(jì)、力學(xué)性能、耐久性等方面的研究成果被大量公開[3-6]，這些得益于近年來(lái)建筑工業(yè)化中疊合樓板、墻板等裝配式構(gòu)件的發(fā)展及其對(duì)輕質(zhì)高比強(qiáng)方面的需求，而輕集料在其中表現(xiàn)出優(yōu)異性能[7-9]。有工程人員質(zhì)疑輕集料混凝土的耐久性，事實(shí)上，輕骨料與水泥石的界面過(guò)渡區(qū)往往更加致密,即使在嚴(yán)酷的服役環(huán)境中也表現(xiàn)出了良好的耐久性[10]。LAC的優(yōu)良特性歸功于輕集料的質(zhì)輕、獨(dú)特的多孔結(jié)構(gòu)及其吸/釋水效應(yīng)。天然輕集料資源有限，因此促進(jìn)了具有良好性能的人造輕集料的發(fā)展。

人造輕集料是一種可基于性能需求來(lái)設(shè)計(jì)的優(yōu)質(zhì)材料，其配方和生產(chǎn)工藝可以基于目標(biāo)的性能需求而進(jìn)行調(diào)節(jié)和改進(jìn)。人造輕集料可以采用燒結(jié)或免燒結(jié)技術(shù)來(lái)生產(chǎn)，其中燒結(jié)輕集料(sintered lightweight aggregate， SLA)，也稱為陶粒，是目前市場(chǎng)的主流產(chǎn)品，能耗高，前期研究投入少，成品的優(yōu)良率不夠[11]，性能偏低，且需要大量使用限制性資源——黏土；用于輕集料混凝土的生產(chǎn)制備，存在大量難以克服的問(wèn)題，如在新拌混凝土中易上浮、工作性較差，混凝土難以實(shí)現(xiàn)泵送施工等[12]。伴隨著建筑裝配式技術(shù)的發(fā)展及其對(duì)輕集料需求的顯著增加，近年來(lái)也涌現(xiàn)出一些性能優(yōu)異的新產(chǎn)品，如采用頁(yè)巖和淤泥替代黏土，或利用固廢通過(guò)成分設(shè)計(jì)來(lái)制備更高性能的燒結(jié)輕集料等。但總體而言，傳統(tǒng)的燒結(jié)工藝，需要經(jīng)過(guò)1 000 ℃以上高溫?zé)Y(jié)，能耗高，不利于環(huán)境保護(hù)及節(jié)能減排等。除采用廢棄物如淤泥、煤渣等作為原材料進(jìn)行生產(chǎn)，其他采用黏土等資源的與燒結(jié)相關(guān)的投資建設(shè)已經(jīng)無(wú)法被審批。

免燒輕集料(non-sintered lightweight aggregate， NSLA)，國(guó)外多稱之為冷粘輕集料(cold-bonded lightweight aggregate)，國(guó)內(nèi)也有人稱為免燒陶粒，實(shí)際上經(jīng)過(guò)高溫“燒結(jié)”才能稱之為“陶”，既然“免燒”，就不應(yīng)為“陶”，因此稱為免燒輕集料更為確切。免燒輕集料多數(shù)采用水泥基材料為膠凝材料，并大量使用工業(yè)廢棄物諸如冶煉金屬過(guò)程中產(chǎn)生的礦渣、疏浚工程中產(chǎn)生的淤泥、煤化工產(chǎn)生的粗渣等作為原材料，材料成本較低；在燃料成本方面，因生產(chǎn)無(wú)需經(jīng)過(guò)高溫?zé)Y(jié)，因此能耗大幅降低，符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。此外，免燒輕骨料的配方和生產(chǎn)工藝更易于進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)節(jié)，從而容易滿足特定的性能要求。而且，采用水泥基材料的免燒輕集料與混凝土同源，相容性更好，因此具有良好的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會(huì)效益[13]。

然而，與燒結(jié)輕集料相比，傳統(tǒng)的免燒輕集料也存在一些劣勢(shì)，如密度仍然偏高、比強(qiáng)度偏低、吸水率偏高等?，F(xiàn)有免燒輕集料采用的原材料和生產(chǎn)方式?jīng)Q定了產(chǎn)品的密度較大，堆積密度通常達(dá)到750～1 000 kg/m3，遠(yuǎn)高于燒結(jié)輕集料的350～600 kg/m3；免燒輕集料由于缺乏表面的致密釉層，因此易于吸水，且為了控制密度，需保證較大的孔隙，吸水率總體偏大，通常會(huì)在10%～30%，高于燒結(jié)輕集料的8%～15%。相同配方的粉煤灰輕集料，燒結(jié)輕集料的比強(qiáng)度和吸水率比免燒輕集料有明顯優(yōu)勢(shì)，免燒輕集料和燒結(jié)輕集料的24 h吸水率分別為16.3%和11.8%[14]，Kockal等[15]發(fā)現(xiàn)粉煤灰輕集料經(jīng)過(guò)燒結(jié)后，強(qiáng)度幾乎是免燒輕集料的4倍。

本文歸納了近年來(lái)采用各種工業(yè)廢棄物生產(chǎn)免燒輕集料的制備技術(shù)及相應(yīng)的產(chǎn)品性能，綜述了免燒輕集料的低密度技術(shù)、性能提升技術(shù)、養(yǎng)護(hù)方式及其在混凝土和其他領(lǐng)域中的應(yīng)用，提出了免燒輕集料功能化的研究方向和應(yīng)用途徑，為免燒輕集料在輕質(zhì)高比強(qiáng)和功能化發(fā)展方面提供參考和建議。

1 免燒輕集料的制備

1.1 利用廢棄材料制備免燒輕集料

建筑材料對(duì)于各種工業(yè)廢棄物的回收利用量最大，其中又以粉煤灰、礦渣微粉的綜合利用最多。為了提高粉煤灰在建筑領(lǐng)域的利用率，2000年以來(lái)，大摻量粉煤灰免燒輕集料的研究在國(guó)內(nèi)外得到了發(fā)展[16]，相關(guān)研究結(jié)果列于表1。

總結(jié)表1可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)方法制備的粉煤灰免燒輕集料，粉煤灰質(zhì)量摻量在75%以上時(shí)，粒徑較小，可以控制在4.75～20 mm，堆積密度約為800～1 000 kg/m3，筒壓強(qiáng)度雖然在5 MPa以上，但是總體比強(qiáng)(強(qiáng)度/密度)仍然偏低，吸水率仍然偏大，多數(shù)為10%～30%。一般堆積密度越高，筒壓強(qiáng)度就越高。使用純粉煤灰作為原材料時(shí)，單顆強(qiáng)度總體不高，吸水率很大；當(dāng)粉煤灰與水泥、石灰、礦渣微粉等復(fù)合使用時(shí)，輕集料的性能可得到大幅提升。如文獻(xiàn)[17]表明，在粉煤灰中摻入質(zhì)量比約8%的水泥或石灰，在粒徑不變時(shí)，堆積密度僅增加20～100 kg/m3，其單顆強(qiáng)度可提升3～4倍，但吸水率變化不明顯。在粉煤灰中摻加稻殼灰[18]也可適當(dāng)降低免燒輕集料的密度，且可以提高強(qiáng)度，并且將吸水率控制在10%左右。

為了加強(qiáng)對(duì)各種工業(yè)廢棄物的回收，以減少環(huán)境壓力，利用除粉煤灰外的其他廢棄物資源制備免燒輕集料也較為常見(jiàn),如利用鋼渣粉作為原材料，易于實(shí)現(xiàn)低密高強(qiáng)，且吸水率較低。此外，稻殼灰、秸稈灰、污水污泥、采石場(chǎng)粉塵、建筑垃圾、煤氣化粗渣、垃圾焚燒后的爐渣等廢棄材料均可用于免燒輕集料的制備。其他廢棄材料制備的免燒輕集料的性能如表2所示。

表1 大摻量粉煤灰免燒輕集料的性能Table 1 Properties of non-sintered lightweight aggregate with large amount of fly ash

表2 廢棄材料制備的免燒輕集料的性能Table 2 Properties of non-sintered lightweight aggregate prepared from waste materials

由表2可知，人造輕集料對(duì)各種廢棄材料均具有良好的包容性，不同來(lái)源、不同種類的工業(yè)廢棄物可通過(guò)粉碎重組、固化等手段處理后應(yīng)用于輕集料制備，從而降低輕集料成本，減少環(huán)境污染。這些輕集料中廢棄物的質(zhì)量摻量為20%～80%，一般加入粉煤灰、水泥等材料提供膠凝作用，并加入石膏、水玻璃、硫酸鋁等激發(fā)廢棄物的活性，筒壓強(qiáng)度有所提升，但吸水率仍然較高，普遍在15%以上，因此采用其他工業(yè)廢棄物制備輕集料，仍需大力開發(fā)各種改性技術(shù)，從而進(jìn)一步提升產(chǎn)品的性能。其中僅鋼渣粉[26]復(fù)合質(zhì)量比46%礦渣微粉和其他材料制備的輕集料吸水率低于6%，堆積密度控制在800～900 kg/m3的同時(shí)，強(qiáng)度可達(dá)到13 MPa，性能極佳，但總成本偏高，產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)性不佳。

1.2 免燒輕集料的低密度高性能技術(shù)

1.2.1 低密度技術(shù)

近年來(lái)輕集料混凝土向輕質(zhì)高強(qiáng)方向發(fā)展，對(duì)輕集料的密度提出了更高的要求[31]，更低密度及其在更低密度下具有更高比強(qiáng)就成為研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。因此多種措施被用于降低免燒輕集料的密度，初始的方法主要是通過(guò)在顆粒中添加泡沫劑、成孔劑等，通過(guò)增加微孔的方式來(lái)降低密度，主要研究成果如表3所示。

表3 降低免燒輕集料密度的措施Table 3 Measures to reduce the density of non-sintered lightweight aggregate

續(xù)表

這些降低輕集料密度的方法的核心思路為投入造孔劑，提升孔隙率，如使用泡沫劑、雙氧水等。單純使用造孔劑效果并不佳，輕集料的孔隙增加不多，密度降低有限；部分學(xué)者同步采取了一些其他措施(如使用輕質(zhì)原材料)，但免燒輕集料密度僅可降低約100 kg/m3，多年來(lái)一直難以降低到750 kg/m3以下。高淑燕[37]的研究表明，隨著雙氧水的質(zhì)量摻量由0%增加至15%，輕集料的密度會(huì)先減小后增大，且加5%的雙氧水時(shí)密度降幅最大，由868 kg/m3降至823 kg/m3，此時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)由0.19 W/(m·K)降至0.178 W/(m·K)，吸水率由30.1%降至28.7%，但同時(shí)筒壓強(qiáng)度也降低較大，由4.47 MPa降至2.92 MPa。

由于免燒輕集料的密度普遍高于燒結(jié)輕集料，這限制了其在輕質(zhì)混凝土中的應(yīng)用。為了進(jìn)一步降低免燒輕集料的密度，國(guó)內(nèi)外有學(xué)者開始研究核殼結(jié)構(gòu)免燒輕集料，采用超輕材料如可發(fā)性聚苯乙烯(EPS)泡沫、膨脹珍珠巖等為內(nèi)核來(lái)降低免燒輕集料的密度，具體如表4所示。

表4 核殼結(jié)構(gòu)免燒輕集料的性能Table 4 Properties of non-sintered lightweight aggregate employing core-shell construction

顯然，采用EPS、膨脹珍珠巖作為免燒輕集料的內(nèi)核，形成核殼結(jié)構(gòu)，可以較大幅度地降低免燒輕集料的密度。相比于加發(fā)泡劑和造孔劑，采用以膨脹珍珠巖或EPS為核的核殼結(jié)構(gòu)技術(shù)在降低免燒輕集料密度方面效果卓越，堆積密度可降至380～780 kg/m3，從而突破了免燒輕集料密度無(wú)法大幅度降低的問(wèn)題。但是由于EPS等材料在抗壓強(qiáng)度方面無(wú)法和傳統(tǒng)材料相媲美，因此免燒輕集料筒壓強(qiáng)度也相應(yīng)降低，在0.4～7 MPa內(nèi)[41]，如果合理控制密度范圍在550～780 kg/m3，仍然可以確保較高的比強(qiáng)，達(dá)到輕質(zhì)高比強(qiáng)的效果。總體來(lái)說(shuō)，免燒輕集料的低密度高比強(qiáng)技術(shù)和應(yīng)用還很匱乏[43]，免燒輕集料的比強(qiáng)仍然有待進(jìn)一步提高，功能化仍然可以進(jìn)一步改善。

1.2.2 殼層強(qiáng)化技術(shù)

為進(jìn)一步改進(jìn)免燒輕集料的性能，如降低吸水率，提高比強(qiáng)等，有部分研究者采用了包殼技術(shù)，即在球體外圍增加一層薄殼，取得了一定的成果，如表5所示。

表5 殼層強(qiáng)化免燒輕集料的性能Table 5 Properties of non-sintered lightweight aggregate by shell strengthening

續(xù)表

綜上所述，現(xiàn)有的殼層強(qiáng)化技術(shù)更有利于降低吸水率，而對(duì)提高比強(qiáng)效果有限。堆積密度在608～856 kg/m3、筒壓強(qiáng)度為3.1～8.7 MPa的免燒輕集料，吸水率可從22%～44%降至3%～32%，吸水率降幅在90%～30%，而強(qiáng)度增幅僅約10%。因此，有待研究更高效的殼層強(qiáng)化技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)免燒輕集料的輕質(zhì)高比強(qiáng)性能。

除了包殼技術(shù)，Tang等[46]嘗試加入聚丙烯纖維來(lái)改善免燒輕集料的性能，纖維的添加使造粒過(guò)程中球團(tuán)壓實(shí)更加困難，孔隙增加，同時(shí)由于纖維的橋接作用，免燒輕集料在降低密度的同時(shí)可提高強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)比強(qiáng)的提高。

1.3 養(yǎng)護(hù)方式對(duì)免燒輕集料性能的影響

免燒輕集料的制備工藝主要在于成球工藝和后期養(yǎng)護(hù)兩個(gè)方面，成球工藝多采用成球造粒的方式。對(duì)于養(yǎng)護(hù)方式的選擇，Tajra等[48]認(rèn)為，相較于在水中和相對(duì)濕度65%的條件下，在相對(duì)濕度99%的養(yǎng)護(hù)條件下輕集料具有更高的強(qiáng)度。Manikandan等[49]認(rèn)為蒸壓養(yǎng)護(hù)和蒸汽養(yǎng)護(hù)都能加速?gòu)?qiáng)度的提高，適合用來(lái)加速水化過(guò)程，縮短養(yǎng)護(hù)時(shí)間，且蒸壓養(yǎng)護(hù)比蒸汽養(yǎng)護(hù)的強(qiáng)度高25%，蒸壓養(yǎng)護(hù)10 h的輕集料的性能接近于28 d正常水養(yǎng)強(qiáng)度的86%。鄒志祥等[50]認(rèn)為免燒輕集料的早期強(qiáng)度隨蒸養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)而明顯增強(qiáng)，但是增加蒸養(yǎng)時(shí)間和升高蒸養(yǎng)溫度，對(duì)28 d的強(qiáng)度影響不大。龐超明等[51]研究了40 ℃、60 ℃、80 ℃蒸養(yǎng)不同時(shí)間對(duì)輕骨料力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)蒸養(yǎng)溫度和成熟度模數(shù)對(duì)早期力學(xué)性能影響較大，隨著蒸養(yǎng)溫度和成熟度模數(shù)的增加，單顆承載力在7 d幾乎呈線性增加，而到28 d后相差不大。謝士兵等[52]認(rèn)為蒸汽養(yǎng)護(hù)的時(shí)間不宜太長(zhǎng)，蒸汽養(yǎng)護(hù)8 h后，免燒輕集料的強(qiáng)度隨著蒸養(yǎng)時(shí)間的增加而降低，當(dāng)養(yǎng)護(hù)10 h時(shí)，輕集料表面可能會(huì)出現(xiàn)破損和裂縫，因此他提出最佳養(yǎng)護(hù)條件為：首先在室溫約25 ℃下自然硬化1.5 h，再放入110 ℃烘箱內(nèi)烘1.5 h，最后采用100 ℃蒸養(yǎng)8 h。

除了傳統(tǒng)養(yǎng)護(hù)方式，有學(xué)者研究了微波養(yǎng)護(hù)法的效果。Franus等[53]認(rèn)為微波加熱技術(shù)會(huì)使輕集料的礦物成分發(fā)生變化，延長(zhǎng)微波加熱時(shí)間，可以增加輕集料中的孔體積；吳庭楓[54]認(rèn)為利用微波處理可以加快制備過(guò)程，但微波功率過(guò)大或處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)對(duì)輕集料的性能造成破壞，因此微波功率為600 W，處理時(shí)間為10 min時(shí)，綜合性能最佳，孔隙率為42.89%，抗壓強(qiáng)度由15 MPa提升至16.35 MPa。

還有研究者使用其他方式處理輕集料，如吳宇豪等[55]為了進(jìn)一步提高輕集料的孔隙率，在輕集料養(yǎng)護(hù)若干時(shí)間后將其放入含有超聲波的清洗儀器中，輕集料的閉口孔隙率提升至12.77%，導(dǎo)熱系數(shù)降至0.175 W/(m·K)。但輕集料的筒壓強(qiáng)度顯著下降，而且由于超聲波破壞水化產(chǎn)物，顆粒之間的黏結(jié)性下降。

免燒輕集料的生產(chǎn)更注重養(yǎng)護(hù)成本和時(shí)間效率，采用8～10 h蒸汽養(yǎng)護(hù)較為常見(jiàn)。對(duì)于微波養(yǎng)護(hù)及其他特殊養(yǎng)護(hù)方法，相關(guān)研究還較少，如何通過(guò)特殊養(yǎng)護(hù)更有效地提高免燒輕集料的性能，并了解其機(jī)理等有待進(jìn)一步探索。

2 免燒輕集料在混凝土中的應(yīng)用及性能

輕集料混凝土是使用輕集料代替石子或砂子制備而成的混凝土，具有密度低、抗震性能好、吸聲性能好、保溫性能好等優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)代混凝土發(fā)展的方向之一[56]。按用途可分為三種類型:結(jié)構(gòu)工程用輕集料混凝土、結(jié)構(gòu)承重兼保溫性能要求的輕集料混凝土(如墻體屋面)、保溫為主的輕集料混凝土及超輕輕集料混凝土[57]。部分研究得到的輕集料混凝土的密度及對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度如表6所示。

表6 免燒輕集料混凝土性能Table 6 Properties of non-sintered lightweight aggregate concrete

由表6可知，采用免燒輕集料可制備密度在1 500～2 100 kg/m3的輕集料混凝土，其對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度在18～60 MPa，且一般隨著密度的提高，抗壓強(qiáng)度相應(yīng)提高[18，28]。Güneyisi等[60]提出可以通過(guò)降低混凝土中輕集料含量來(lái)獲得更高的抗壓強(qiáng)度。李云鵬等[61]試配LC20強(qiáng)度的粉煤灰輕集料混凝土，抗壓強(qiáng)度達(dá)29.9 MPa，經(jīng)過(guò)工業(yè)化測(cè)試后可用于煤礦井下巷道支護(hù)。配合比相同，使用同體積干燥狀態(tài)的免燒輕集料替代石子，在不同水膠比(0.30、0.38、0.58)下，混凝土的90 d抗壓強(qiáng)度分別從約55 MPa、45 MPa、39 MPa降至約39 MPa、37 MPa、35 MPa，但流動(dòng)性能優(yōu)于普通混凝土[19]。輕集料的強(qiáng)度和性能是決定輕集料混凝土抗壓強(qiáng)度的最主要因素[27，62]，但一般僅限于混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度高于輕集料自身強(qiáng)度的輕集料混凝土。

由于輕集料混凝土具有良好的保溫性能，因此導(dǎo)熱性能對(duì)于保溫輕集料混凝土而言是非常重要的指標(biāo)。無(wú)疑，導(dǎo)熱性能也與輕集料混凝土本身的密度相關(guān)，一般認(rèn)為，密度越低，強(qiáng)度也越低，導(dǎo)熱性能越好，表7列出了在相應(yīng)密度下免燒輕集料混凝土或輕集料微孔混凝土對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)。

表7 免燒輕集料混凝土的強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)Table 7 Strength and thermal conductivity of non-sintered lightweight aggregate concrete

對(duì)比普通輕集料混凝土，免燒輕集料混凝土雖然強(qiáng)度較低，但是其在保溫隔熱方面具有較大優(yōu)勢(shì)，尤其是核殼結(jié)構(gòu)免燒輕集料混凝土。對(duì)絕熱材料和保溫材料，一般要求導(dǎo)熱系數(shù)分別不大于0.23 W/(m·K)和0.14 W/(m·K)[67]，顯然，大多數(shù)輕集料混凝土難以滿足保溫混凝土的要求。但低密度、低導(dǎo)熱系數(shù)、高比強(qiáng)是建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)材料永遠(yuǎn)的追求，有研究利用堆積密度為380～530 kg/m3的免燒輕集料制備的強(qiáng)度在9.5～13.4 MPa的高比強(qiáng)輕集料微孔混凝土，導(dǎo)熱系數(shù)為0.195～0.223 W/(m·K)[65]，可以滿足絕熱材料的要求。進(jìn)一步提高比強(qiáng)、進(jìn)一步優(yōu)化經(jīng)濟(jì)性是保溫輕集料混凝土的研發(fā)方向，而其中輕集料自身的低密度和高比強(qiáng)在其中起著至關(guān)重要的作用。

同時(shí)需指出，由于核殼免燒輕集料吸水快速且易飽和，采用免燒輕集料制備多孔輕集料混凝土施工簡(jiǎn)單，無(wú)需提前數(shù)小時(shí)浸泡，只需提前數(shù)分鐘簡(jiǎn)單噴水預(yù)濕即可；另外，即使吸水率高，但相較普通混凝土或燒結(jié)輕集料混凝土，免燒輕集料混凝土具有更優(yōu)的流動(dòng)性和更佳的泵送性能，其承受3.0 MPa 10 s和140 s的壓力泌水量分別為2.2～4.0 mL與4.8～10.0 mL，遠(yuǎn)低于普通混凝土140 s的壓力泌水量40～110 mL[68]。因此，不必對(duì)免燒輕集料提出過(guò)低吸水率的要求，且較高的含水還可以對(duì)混凝土起到內(nèi)養(yǎng)護(hù)的作用。燒結(jié)輕集料因?yàn)楸砻嬗詫拥闹旅苄?，?huì)阻礙水的快速滲入或滲出，使得其在1 h甚至更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)仍會(huì)緩慢吸水，從而影響混凝土澆筑時(shí)的流動(dòng)性；而一旦采用泵送工藝，泵送時(shí)的高泵送壓力會(huì)加速外界水分往輕集料內(nèi)部的滲透，從而影響泵送性能。

綜上所述，普通免燒輕集料混凝土表觀密度在1 500～2 200 kg/m3，抗壓強(qiáng)度在14.8～58.3 MPa。核殼結(jié)構(gòu)免燒輕集料微孔混凝土表觀密度在1 008～1 480 kg/m3，抗壓強(qiáng)度在9.5～37.6 MPa，導(dǎo)熱系數(shù)在0.20～0.34 W/(m·K)，保溫性能較好，且制備混凝土?xí)r，工作性好，易于實(shí)現(xiàn)泵送施工。因此，發(fā)展核殼結(jié)構(gòu)免燒輕集料混凝土對(duì)于混凝土輕質(zhì)高強(qiáng)、功能化發(fā)展具有重要意義。

3 免燒輕集料在其他領(lǐng)域中的應(yīng)用

除了應(yīng)用于混凝土，使用廢棄材料制作的免燒輕集料還可以進(jìn)一步用于處理廢氣、廢水等非固體污染排放物，實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)與可持續(xù)發(fā)展。使用免燒輕集料處理非固體污染排放物具有良好的經(jīng)濟(jì)性，可以節(jié)約污染治理成本。李猛[38]將總表面積為12.74 m2/g的免燒輕集料應(yīng)用于曝氣生物濾池進(jìn)行生活污水處理，結(jié)果表明化學(xué)需氧量(chemical oxygen demand, COD)和對(duì)NH3-N的去除率比普通輕集料更好；劉子述等[69]將利用污泥生產(chǎn)出的免燒輕集料投入曝氣生物濾池處理生活污水，達(dá)到經(jīng)濟(jì)節(jié)能、變廢為寶的目的；謝士兵等[70]通過(guò)粉煤灰免燒輕集料與活性炭顆粒在曝氣生物濾池中的對(duì)比試驗(yàn)得出，免燒輕集料的生物性能與活性炭顆粒相近，但成本僅為活性炭顆粒的1/7，將其應(yīng)用于污水處理的經(jīng)濟(jì)效果明顯。

免燒輕集料因其具有多孔結(jié)構(gòu)，還被用于制作吸音產(chǎn)品。朱萬(wàn)旭等[42]以核殼型粉煤灰免燒輕集料制作吸音板，可降噪3～5 dB；朱萬(wàn)旭等[28]又以建筑垃圾為原料制備的免燒輕集料制成多孔吸聲降噪材料，滿足力學(xué)性能要求的同時(shí)，吸聲系數(shù)為0.55，制備的吸聲板的降噪系數(shù)為0.8，并在南寧地鐵得以應(yīng)用；Wu等[35]利用多孔免燒輕集料制成的混凝土以減輕地鐵噪聲，吸聲系數(shù)為0.85，根據(jù)GB/T 16731—1997可達(dá)到Ⅰ級(jí)建筑吸聲產(chǎn)品；黃煥晟等[71]制備的多孔免燒粉煤灰輕集料開口孔隙率為32.67%，平均孔徑為0.36 μm，且孔結(jié)構(gòu)有序均勻排列，具有良好的吸聲性能；李志勇等[72]使用LC30強(qiáng)度粉煤灰輕集料混凝土作為煤礦采空區(qū)隔離墻，成功使漏風(fēng)率由20.4%降低至4.9%。

盡管免燒輕集料已在回收以及處理工業(yè)廢棄物、處理廢氣廢水和吸音降噪等方面得到應(yīng)用，但是總體而言，其應(yīng)用量仍然較少，應(yīng)用面仍然相對(duì)狹窄。拓寬免燒輕集料的應(yīng)用面不僅能提高其原料如粉煤灰、工業(yè)廢渣、淤泥等廢棄材料的利用效率，而且對(duì)免燒輕集料功能化發(fā)展具有積極的推動(dòng)作用。

4 免燒輕集料的功能化思考

研究[73]顯示，石蠟作為常用相變材料，其相變溫度為20～60 ℃，適宜應(yīng)用于建筑的儲(chǔ)能和溫度調(diào)節(jié)中，能夠顯著改善室內(nèi)溫度波動(dòng)。為了提高石蠟的摻量，張運(yùn)華等[74]引入造孔劑在基體中產(chǎn)生氣孔來(lái)增加石蠟的存儲(chǔ)空間，減少石蠟滲出，當(dāng)造孔劑質(zhì)量摻量由0%提升至4%時(shí)，石蠟在相變水泥基材料中不滲漏的質(zhì)量摻量由5.0%提高至7.2%。因此將石蠟吸附或封裝到輕集料中的思路引發(fā)相關(guān)研究，若采用常壓浸漬法吸附石蠟，吸附率僅為12.2%～25.5%，若采用真空法吸附石蠟，吸附率可達(dá)58%[75]。因建筑用相變材料易泄露，其封裝技術(shù)一直是研究重點(diǎn)。石磊[76]以燒結(jié)輕集料為載體，通過(guò)真空吸附法對(duì)石蠟進(jìn)行吸附后再用環(huán)氧樹脂封裝；因環(huán)氧樹脂是一種昂貴的封裝材料，為了減少環(huán)氧層的厚度，有研究[77]將純環(huán)氧樹脂封裝層改為環(huán)氧樹脂、納米硅粉和石墨粉的混合物；孟多等[78]用真空浸漬法將石蠟滲透到膨脹珍珠巖中，采用白乳膠作為封裝材料，結(jié)果發(fā)現(xiàn)膨脹珍珠巖中僅有21.16%的孔隙吸附石蠟，其吸附率較低。總體而言，這種利用多孔材料真空吸附相變材料然后封裝的方法，吸附效率低，而且封裝效果不好。Guardia等[79]通過(guò)加入質(zhì)量比10%～20%的微膠囊相變材料增加了砂漿的焓，提高了水泥砂漿的儲(chǔ)熱性能；Jayalath等[80]用微囊化的相變材料代替水泥砂漿和混凝土中的細(xì)輕集料，進(jìn)一步研究認(rèn)為20%的體積替代是微囊化的相變材料的最佳含量，但會(huì)導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度降低27%。由此可知，若直接將相變材料加入混凝土中，其在混凝土中摻量較低；若使用微囊化的相變材料，不僅制備工藝復(fù)雜，而且導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度損失較大。

核殼結(jié)構(gòu)免燒輕集料可以通過(guò)改變內(nèi)核材料的功能使輕集料具有功能性，用相變內(nèi)核則可以制備具有儲(chǔ)能功能的輕集料[81]，如使用其他功能材料為內(nèi)核，同樣可以使材料具有其他功能性，如采用具有自愈合組分或納米TiO2的光催化組分等使之具備自響應(yīng)的功能[10]。

輕集料功能化對(duì)于混凝土輕質(zhì)高強(qiáng)、功能化發(fā)展具有重要意義?？傮w看來(lái)，利用相變材料可有效提高建筑的蓄熱能力，但摻量低且影響強(qiáng)度，儲(chǔ)能效果不突出。采用核殼結(jié)構(gòu)免燒輕集料的制備方法，相變材料做核，而采用成球技術(shù)包裹，是一種天然的封裝方法，在確保相變材料高含量的同時(shí)，能實(shí)現(xiàn)有效的封裝，如果再輔以其他表面封裝方式，改進(jìn)表層強(qiáng)化技術(shù)，有望解決相變材料的泄露問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)完全不泄露也將成為可能，從而實(shí)現(xiàn)核殼結(jié)構(gòu)輕骨料的功能化。然而也存在一系列的科學(xué)問(wèn)題，如合適相變材料的選擇、如何實(shí)現(xiàn)高效封裝、相變材料與殼層的界面處理技術(shù)等。

總體來(lái)說(shuō)，免燒輕集料本身能夠回收利用大量工業(yè)廢棄物，且無(wú)需高溫?zé)Y(jié)，能耗低，節(jié)能環(huán)保，但各種技術(shù)仍有很大進(jìn)步空間，應(yīng)用前景相當(dāng)廣闊。學(xué)者們從開發(fā)新的原料到應(yīng)用核殼技術(shù)推動(dòng)了免燒輕集料輕質(zhì)高強(qiáng)化的發(fā)展，進(jìn)而衍生出了更多功能化的要求，如進(jìn)一步提高保溫能力、隔音能力、智能恒溫性能等。核殼技術(shù)的內(nèi)核功能化與殼層強(qiáng)化技術(shù)的結(jié)合，可推動(dòng)免燒輕集料輕質(zhì)高強(qiáng)、功能化的發(fā)展，但尚存在很多亟待研究的課題，如合理內(nèi)核材料的選擇、內(nèi)核的界面改性技術(shù)、殼層的強(qiáng)化技術(shù)和封裝技術(shù)、免燒輕集料的生產(chǎn)工藝和產(chǎn)業(yè)化、新型核殼材料的應(yīng)用等。

5 結(jié)語(yǔ)與展望

(1)一般粉煤灰免燒輕集料密度為800～1 000 kg/m3，筒壓強(qiáng)度在5 MPa以上。采取輕質(zhì)材料或成孔技術(shù)降低密度，其密度仍難以降低到750 kg/m3以下；而利用核殼結(jié)構(gòu)技術(shù)，密度可進(jìn)一步降低至380～780 kg/m3，突破了免燒輕集料密度無(wú)法大幅降低的瓶頸問(wèn)題。

(2)對(duì)免燒輕集料進(jìn)行有效的殼層強(qiáng)化技術(shù)，如采用水泥和白乳膠包殼或表面噴灑水玻璃技術(shù)，能大幅降低吸水率，但對(duì)比強(qiáng)提高有限；在表面采用防水劑處理僅能降低吸水率，但對(duì)比強(qiáng)改善不大，有待發(fā)展更優(yōu)異的殼層強(qiáng)化技術(shù)。

(3)普通免燒輕集料混凝土表觀密度在1 500～2 200 kg/m3，抗壓強(qiáng)度在14.8～58.3 MPa；采用輕集料微孔技術(shù)，干密度可進(jìn)一步降低至1 008～1 480 kg/m3，抗壓強(qiáng)度仍然可保持在9.5～37.6 MPa，此時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)可降低至0.20～0.34 W/(m·K)，吸聲性能更優(yōu)良,且采用免燒輕集料制備多孔輕集料混凝土，相較普通混凝土具有更佳的泵送性能。

(4)免燒輕集料具備對(duì)廢水、廢氣等非固體工業(yè)排放物的凈化作用，同時(shí)也可以用于制作吸音降噪產(chǎn)品。

(5)免燒輕集料應(yīng)用前景廣闊，但各種技術(shù)仍需大力發(fā)展，可采用多種技術(shù)結(jié)合進(jìn)一步推動(dòng)免燒輕集料向輕質(zhì)高強(qiáng)、功能化的方向發(fā)展。