轻质隔墙板用超轻大粒径陶粒混凝土的试验研究

林宗浩，石从黎，李城，向川，赵海红

（1重庆建工建材物流有限公司，重庆 401122；2重庆市建筑材料与制品工程技术研究中心，重庆 401335）

0 引言

轻质隔墙板具有重量轻、保温隔热效果好、抗震性能好、安装方便、造价适中，以及施工效率高、现场干作业、文明施工水平高、能降低劳动强度等优势，因此得到广泛应用[1-2]。目前使用的轻质隔墙板主要有空心板、复合板、实心板，其中空心板和复合板生产工艺较复杂，需要多步骤处理，而实心板只需一次性成型，生产步骤简单，但是其材料的自身重量相对较大，导致隔墙板的面密度大，因此降低实心板的材料自身重量是其重要发展方向。

陶粒混凝土具有强度高、表观密度小、保温隔热、抗震性能好、耐腐蚀、耐火、环保等优点，现已成为用量仅次于传统混凝土的新型建材，在大跨度桥梁、高层建筑及处于严酷环境下的海洋结构物等大型工程中广泛应用[3-4]，如将陶粒混凝土的优点用于轻质隔墙板，生产实心板势必将对轻质隔墙板的生产带来极大便利[5]，同时其生产过程不需要燃料，只消耗水电。

使用大粒径超轻陶粒混凝土生产轻质隔墙板能够从材料本身有效降低轻质隔墙板的面密度，同时保证隔墙板的保温隔热和抗震性能。但目前同时利用大粒径陶粒、陶砂配制超轻混凝土技术难度高，鲜有报道，因此，本文根据重庆地区现有的大粒径陶粒，对轻质隔墙板用超轻陶粒混凝土的最佳配合比进行探索性研究，得到干表观密度小于850kg/m3强度大于5MPa，满足轻质隔墙板各方面性能的超轻陶粒混凝土。

1 试验原材料

该试验所采用的水泥为重庆小南海水泥厂生产的42.5R级普通硅酸盐水泥，水泥的性能见表1。

粉煤灰选用珞电二级煤灰，其细度为18%，烧失量为6.7%，需水量比为102%。

表1 水泥的性能指标

陶粒、陶砂选用重庆当地厂家生产的圆形页岩陶粒、陶砂（其粒径均较大，见图1），其技术指标见表2、表3。

图1 陶粒、陶砂

可再分散乳胶粉 (北京天维宝宸化学产品有限公司生产)为白色固体粉末，主要活性成分是乙烯-醋酸乙烯共聚物；纤维素醚(羟丙基甲基纤维素醚，HPMC)购自山东赫达股份有限公司，白色粉末，其粘度为20万Pa·s。

表2 陶粒性能指标

表3 陶砂性能指标

2 试验设计

由于陶粒、陶砂颗粒粒径均较大，且表观密度较小，用于配制混凝土将面临三大难题：第一，陶粒在烧制过程中其内部产生大量的微小孔导致其堆积密度较小，而水泥浆体的密度较大，根据斯托克斯沉降公式可知，密度差越大陶粒在混凝土体系中越容易上浮，混凝土匀质性不佳；第二，陶砂中粒径大于5mm部分占31%，导致混凝土的所需砂率极高，从而混凝土的容重不易降低；第三，大粒径陶粒在混凝土中做骨架支撑作用，加之陶砂较粗需要较多的水泥浆才能保证混凝土的良好工作性能。

同时利用大粒径的陶粒、陶砂配制基本目标性能为干表观密度不大于850kg/m3，强度大于5MPa的混凝土，本文选择了一种全新的超轻陶粒配合比设计思路。通过计算陶粒、陶砂的孔隙率计算出理论所需浆体体积，再根据适配时混凝土的工作状态、干表观密度以及强度进行骨料与浆体比例的调整。水泥浆体的性质在整个混凝土体系中占有举足轻重的地位，因此本文首先从水泥浆体的性能出发进行探索研究，再根据混凝土的性能反馈信息进行调整。

根据笔者前期的探索试验经验，使用大粒径、低筒压强度的陶粒配制出强度大于5MPa的超轻混凝土水泥浆体强度不应小于15MPa。另外，超轻陶粒混凝土的干表观密度不大于850kg/m3，陶粒堆积密度365 kg/m3，孔隙率41.6%，陶砂堆积密度505 kg/m3，孔隙率27.4%，则水泥浆体的理论干表观密度不大于1250kg/m3。

3 试验结果及分析

3.1 水胶比对浆体性能的影响

影响混凝土强度的主要因素是水灰比。根据鲍罗米混凝土强度公式 fc28=Afce(C/W-B)，水胶比愈大，混凝土强度愈低，同时水泥浆体中水泥与水的比例又决定了浆体的密度，因此水胶比是决定水泥净浆的强度和密度的最重要因素，因此，根据目标值要求试验研究不同水胶条件下，浆体的强度、干表观密度的变化情况。其中选择了W/C=0.5/0.65/0.75三个值进行试验，为防止净浆出现泌水现象，加入适量HPMC进行调整，保证浆体的匀质性，其结果如图2所示。

图2 不同水胶比对浆体性能的影响

由图2可知，净浆强度随水胶比的增加而减小，且降低幅度较大，这一方面是因为水泥除水化需水外，仍有大部分水分多余，这些水分会占据一定空间，经一定龄期逐渐排出，水泥石内部达到与外界环境相同的湿度，其内部会留下大量的微小孔洞，这些孔洞属于一种缺陷，同时孔洞的存在大幅度降低了浆体密度，图中随着水胶比的增加，浆体的干表观密度降低；另一方面，因为选择的水胶比对于净浆来说相对较大，在试验过程中出现浆体严重泌水现象，故加入了纤维素醚（HPMC）控制浆体的泌水现象，且水胶比越大，HPMC的掺量越高。HPMC属于表面活性剂，在水泥浆体中除了增稠作用外，还有具有引气的作用，进一步增加了上述孔洞缺陷，导致强度大幅度降低。

根据上述试验结果及分析可知，水胶比为0.65时能满足水泥浆体强度大于15MPa同时干表观密度小于1250kg/m3，故本文后续部分以此浆体为基础进行超轻陶粒混凝土的研究。

3.2 骨料比例对混凝土的影响

由于试验原材料陶粒、陶砂的粒径均偏大，其中陶粒粒径范围在20～25mm，陶砂粒径大于5mm的部分占31%，两者组合形成的骨料级配极差，空隙率较大，只能根据材料的特性尽量选择最紧密堆积，以减少填充所需的水泥浆体量。选择了不同的骨料比例进行混合骨料堆积密度测试，其结果见表4。

从表4可以看出，随着陶砂所占比例增加，混合骨料的堆积密度增加，骨料中的空隙率减少，其中1#混合骨料中陶粒/陶砂为0.5时空隙率最小。将上述5种不同比例的混合骨料进行混凝土试验，其结果见表5、表6。

表4 不同比例的骨料搭配情况

表5 混凝土试验配合比（单位kg）

表6 混凝土基本性能情况

从表6中混凝土的基本性能可以看出，2#和4#试验28d强度高于5MPa的同时干表观密度低于850kg/m3，满足目标值，但成型后的2#混凝土不够密实，表面有部分缺陷，3#和5#混凝土太干涩，成型困难，外观有大量的孔洞缺陷存在。分析其原因，在水泥浆体一定的条件下，骨料体积决定了混凝土的工作性能以及整体匀质程度，匀质程度越高，浆体包裹骨料越好，混凝土状态越佳，强度越有保证。1#试验使用的骨料组合空隙率最低，所需水泥浆体相对较少，在相同骨料质量的条件下，浆体富余过大，而在混凝土组分中水泥浆体的密度最大，进而导致了混凝土的干密度较大。因此针对该试验所用大粒径陶粒、粗陶砂的原材料特性，空隙率最低的骨料组合不一定为最佳组合，4#试验为骨料最佳组合。

3.3 可再分散乳胶粉混凝土的影响

考虑到本文使用的陶粒粒径偏大、陶砂较粗，为进一步增强水泥浆体对陶粒的浸润效果，保证超轻大粒径陶粒混凝土的良好施工性能，减少陶粒在成型过程中的上浮现象，笔者对可再分散乳胶粉对陶粒亲水性能改善进行了研究。可再分散乳胶粉掺量对陶粒混凝土的性能影响见图3。

图3分别反映了可分散乳胶粉掺量质量比对陶粒混凝土的分层度、28d强度、干表观密度的影响。从图中可以看出，随着可分散乳胶粉掺量的增加，陶粒混凝土的分层度、28d强度、干表观密度均逐渐减少。可再分散乳胶粉中包含的乳化剂具有引气作用，掺量越多，引气效果越显著，干密度逐渐下降；伴随着干密度的降低，抗压强度降低。另外可分散乳胶粉在陶粒表面形成的聚合物膜的刚度较胶凝组分低进而导致强度降低。但是因为聚合物膜的存在，增加了陶粒与水泥浆体之间粘聚性，从而降低了混凝土的分层度，减少了陶粒上浮的情形。当可再分散乳胶粉本身的黏性很大掺量过高时又会导致混凝土的浆料黏性过大，流动性降低，和易性变差。综合考虑，可再分散乳胶粉与胶材的质量比为0.8%时为宜。

图3 可分散乳胶粉对陶粒混凝土的性能影响（图中掺量%，是否应为掺量/%）

综上，利用大粒径陶粒、陶砂配制超轻陶粒混凝土的探索试验，得到最佳配合比为：

该试验的胶凝材料只使用了水泥，还可以选择部分掺和料替代水泥进行试验，这有待下一步进行优化。

3.4 超轻陶粒混凝土在轻质隔墙中的应用

利用该试验配制陶粒混凝土成型实心轻质隔墙板 （厚度10cm），制作工艺简单。对轻质隔墙板进行了基本物理性能检测，其结果见表7，所有检测结果均满足轻质隔墙板的要求。对轻质隔墙板进行剖开，观察其内部结构情况，如图4所示，其中陶粒、陶砂均匀地分布在混凝土板中，试验成功。

表7 陶粒混凝土轻质板性能

图4 陶粒混凝土轻质板剖面图

4 结语

从水泥浆体性质出发，辅以骨料最小孔隙率的基本技术路线，提出了一种新的超轻陶粒混凝土配制技术。另外选择了可再分散乳胶粉进行混凝土匀质性能提升，最终得到了可用于轻质隔墙板的超轻大粒径陶粒混凝土。试验得到以下结论：

1）在同时保证混凝土的强度和干表观密度要求时，水泥浆体的水胶比应控制在0.65左右；

2）针对本试验所用的陶粒、陶砂质量比近似为2：3；

3）可再分散乳胶粉作为一种高分子聚合物能够对陶粒和水泥浆体界面进行改性，增加两者之间的粘聚性，利于减少混凝土的分层度，其掺量为胶凝材料的0.8%为宜；

4）利用配制好的超轻陶粒混凝土制作的轻质隔墙板满足标准JGT 169-2016《建筑隔墙用轻质条板通用技术要求》的要求。