新型墙体材料轻质陶粒泡沫混凝土的配比与性能研究

杨冰川 ，周 旭 ，刘 港 ，韩付超

（1聊城大学化学化工学院 山东 聊城 252000）

（2山东大学的环境科学与工程学院 山东 济南 250100）

1 前言

作为世界第一建筑大国，中国的建筑能耗日趋多量化和多元化，传统的低效率建筑工艺已远远达不到社会生产和环保发展的要求，且庞大的建筑能耗早已成为我国经济发展的沉重负担。因此，研究和发展以节能环保为主题的新型建筑材料具有广阔的市场应用前景，也终究会成为我国建筑材料发展新的战略走向。

传统的建筑材料和建筑工艺具有材料强度低、施工难度大，且效率低、能耗大、污染严重的缺点，这对可持续发展的建筑行业目标带来了负面的社会效益。而轻骨料混凝土材料为目前新兴的一种建筑材料，其主要特征为轻骨料的低密度、高强度及保温性结合混凝土的高抗压强度和耐久性等优点，集高强度、低密度、宽适用范围为一体，逐渐成为建筑领域的新型节能研究方向。国内外将陶粒和泡沫混凝土分开研究的情况较多，而将陶粒掺入泡沫混凝土进行性能研究的各方面成果较少。有研究表明不仅泡沫掺量对混凝土的强度会造成影响，气泡的孔径及结构也会产生影响，且不同品种的引气剂对孔径分布的影响是不同的，进而对强度的影响也各异[1]。另一方面，引入气泡可减少用水量，同时可以改善陶粒过轻及吸水所引起的不良现象[1]。很多研究表明，当泡沫掺量在10%以内时，孔的数量增加，含气量降低，泡沫的增加降低孔的平均半径，提高陶粒混凝土的强度[6]。当泡沫掺量超过10%以后，陶粒混凝土的抗压强度随着泡沫掺量的增加而降低，掺量超过20%以后，陶粒混凝土的抗压强度下降较快[2-6]。

故进行发泡也为本文的背景亮点之一。同时，与普通同等强度混凝土比较，以轻质陶粒为骨架的墙体材料可减轻结构自身重量约30%，这极大推进了轻质陶粒泡沫混凝土在大跨及多高层建筑中的应用，对于节能环保的新型建筑材料起到了推陈出新的带头作用。

所以，在节能减排地位被日益提高的中国，以轻质节能陶粒混凝土结合泡沫为基础的建筑材料必然有着广阔的市场应用前景，研究轻集料新型建筑材料的意义也及其重大。基于此，我们进行了关于轻集料混凝土配合发泡技术的材料制备研究。

2 实验部分

2.1 实验设备及试剂

图1 一体式SX2-5--12高温1200度马弗炉及陶粒

图2 轻质陶粒的烧制结果与烧制环境

主要测试仪器：一体式SX2-5--12高温1200度马弗炉、压缩空气泡沫输出装置、堆积密度仪、DFG-4S电热鼓风干燥箱、冰箱、SW-CJ-2D超净工作台精密pH计、JT-302N电子天平、HWCL-1恒温磁力搅拌浴、数字式低真空测压仪、氮气钢瓶、84-1磁力搅拌控温电热套、磁力搅拌器。

主要测试试剂：一级粉煤灰、P·F粉煤灰硅酸盐水泥、活性炭、碳酸氢钠、聚丙烯酰胺、含硅尾矿、生石灰、铝粉、硫酸钙（AR）、硅酸钙（AR）、碳酸钾（AR），试剂均为市面销售分析纯化学试剂。

2.2 实验原理

利用粉煤灰与活性炭、膨胀剂等进行结合复配，用马弗炉烧制成密度在300～1000kg/m，抗压强度值为3.0～6.0MPa（常用），导热系数大约在0.09～0.17W/(m·K)的多孔硅酸盐陶粒。再将陶粒与石灰、水泥混合，掺加发气剂（铝粉），加水搅拌后发生化学反应形成孔隙，通过浇注成型、预养切割、蒸压养护等工艺过程制成轻集料陶粒发泡混凝土。

2.3 实验步骤

首先将粉煤灰、发泡剂、活性炭、碳酸氢钠、聚丙烯酰胺、助胀剂与助融剂等原料复配均匀，搅拌几分钟后，加入适量水搅拌均匀，继续搅拌约10min。将复配体系转入SW-CJ-2D超净工作台进行搓丸，搓丸直径约为1.5cm，搓丸后放入一体式SX2-5--12高温1200度马弗炉中进行多段程序控温烧结。约7h后取出，自然冷却晾干后将陶粒放入已经利用压缩空气发泡技术进行发泡操作的泡沫混凝土中，搅拌15min，得到陶粒泡沫混凝土产品。

2.4 轻质陶粒泡沫混凝土的性能测试及CMA检测

通过仪器及实验测试，所制陶粒表观密度在300～1000kg/m，抗压强度值为3.0～6.0MPa（常用），导热系数大约在0.09～0.17W/(m·K)疏松多孔且强度足够建筑需求。

同时将样品送至山东省环境保护科学研究设计院进行毒性检测（CMA检测）。检测过程中对样品利用原子吸收分光光度法，进行了GB5085.3-2007附录D专业浸出毒性检测，检测结果显示样品中铜含量＜0.32mg/L，铅含量＜0.10mg/L，锌含量＜1.23mg/L，镉含量＜0.005mg/L。检测结果证明该产品对人体接触无害、对环境无污染，使用安全。

3 结果与讨论

轻质陶粒的烧制结果如图2所示，在实验过程中加入膨胀剂使得陶粒发胀，在扩大体积的同时提高了陶粒本身的结构强度和承重适用范围，同时利用蒸汽自然养护可以防止应用过程中的墙体裂缝问题。在掺入陶粒的初期由于轻质陶粒具有一定的吸水性，会与混凝土中的水分部分结合，使得混凝土与陶粒的结合更为紧密、牢固，陶粒混凝土的表观强度和抗压适用范围也会得到大幅度提高。在混凝土凝结后的具体实用阶段随着其龄期年份延长，混凝土内部水分会部分散失，若继续进行将会导致产生裂缝及降低强度的副作用，而这时在早期吸水饱和的轻质陶粒则可以向胶浆返水，起到继续水化混凝土块的目的。综上所述，陶粒的掺入不仅对墙体材料本身产生密度、强度以及抗压度等各方面的优质影响，也能起到很好的“以土融粒，以粒养土”的内部养护作用。完全满足了新型节能高效的轻质墙体材料的基本工艺结构、强度和作用要求。

4 结语

本文以水泥、粉煤灰为胶凝材料，轻质陶粒为骨料，采用压缩空气发泡技术，掺入一定量泡沫，并根据性能要求选用合适的外加剂，开发了一种新型陶粒墙体材料。探寻出能满足建筑性能要求的最佳原料配比及合适的生产工艺控制参数，并进行了性能测试研究。对样品利用原子吸收分光光度法进行了CMA检测，方法为GB5085.3-2007附录D专业浸出毒性检测，检测结果证明该产品对人体接触无害、对环境无污染，使用安全。该产品具有低成本、高强度、低密度的建筑结构特征，为建筑材料的成本降低提供了一条新的途径。