無機多孔材料對全輕混凝土性能的影響

引言隨著十四五時期住房與城鄉(xiāng)建設政策的不斷推進，城鄉(xiāng)建設綠色低碳技術研究變得越來越重要[1]。建筑能耗持續(xù)占全國能耗前列，因此提高建筑節(jié)能成為達到綠色低碳目標的有效方法之一[2]。我國在夏熱冬冷地區(qū)，一般沒有統(tǒng)一的供暖制冷系統(tǒng)，采用分戶采暖、制冷。由于不同住戶對室內溫度要求的差異，導致熱量在不同樓層之間傳遞，節(jié)能效率低于65%，因此必須對樓地面采取保溫措施，減少能耗損失[3]。隨著建筑節(jié)能的要求和推進，目前樓地面保溫層材料有聚苯乙烯泡沫塑料板、聚苯顆粒保溫漿料、復合硅酸鹽板、無機保溫砂漿、泡沫混凝土等[4]。但是，這些保溫層強度低，它們用于樓地面保溫系統(tǒng)時，由于強度較低，因此必須額外增設鋼絲網和細石混凝土保護層，以免引起開裂，且聚苯顆粒保溫砂漿系統(tǒng)和苯板系統(tǒng)防火性能差[5]。全輕混凝土是輕集料混凝土的一種。輕集料混凝土一般是粗骨料采用陶粒等輕集料，細集料也采用輕質集料（如陶砂）。全輕混凝土質量輕，保溫性能好，相較于其他保溫材料強度較高，可有效解決保溫材料空鼓、開裂等問題，可用于分戶樓板保溫[6]。全輕混凝土主要采用無機多孔材料作為集料，其主要包括天然與人工多孔材料，常見的多孔材料包括頁巖陶粒、粉煤灰陶粒、膨脹珍珠巖、漂珠等。無機多孔材料對全輕混凝土的力學、熱學性能具有極大的影響[7]。本文采取不同種類無機多孔材料，測試其性能參數，進而研究無機多孔材料對全輕混凝土性能的影響規(guī)律，推進全輕混凝土在樓面保溫工程中的應用，實現(xiàn)建筑節(jié)能低碳。1、材料與方法

1.1試驗材料水泥：峨勝水泥廠生產的P·O42.5R水泥，其28d抗壓強度為49MPa。粉煤灰：風選I級粉煤灰。硅灰：92硅灰。減水劑：江蘇蘇博特生產的聚羧酸高效減水劑，固含量11%，減水率25%。引氣劑：十二烷基磺酸鈉。細集料：試驗選用陶砂、漂珠、鈦礦渣、膨脹珍珠巖作為細骨料；試驗中配合比計算采用陶砂作為細骨料進行計算；漂珠、膨脹珍珠巖選擇為細骨料時，僅同體積比例替代20%的陶砂；鈦礦渣選擇為細骨料時，同體積全部替代陶砂。粗集料：試驗主要選用陶粒作為粗集料，陶粒類別包括粒形、容重、粒徑等；本試驗主要選取頁巖陶粒代替粗集料；選擇不同陶粒作為粗骨料時，陶粒為同質量全部替代。

1.2試驗方法1.2.1全輕混凝土的制備試驗采用不同種類多孔材料作為細集料，輕質陶粒作為粗骨料制備全輕陶?；炷?。全輕混凝土的配合比設計參照JGJ/T12—2019《輕骨料混凝土應用技術》中的松散體積法，試驗配合比見表1。試驗前預先將陶粒倒入水中，浸泡1h，使陶粒處于預吸水狀態(tài)，然后將陶粒倒入篩網，濾掉多余水分，放置待用。先將陶粒與粉料倒入攪拌鍋內進行攪拌，然后倒入水與外加劑攪拌，最后倒入陶砂進行攪拌，攪拌完成后進行試樣的制備。表1

全輕混凝土配合比kg/m31.2.2測試方法干表觀密度：采用整體試件烘干法進行測定。將待測的混凝土立方體試件置于105~110℃烘箱中，烘至恒重，采用電子秤稱量，精確至2g；相鄰2次稱量的時間間隔不得小于2h，且以相鄰2次稱量值之差不應大于試驗要求的精度判定為恒重。采用游標卡尺分別測量試件的長、寬、高各自對應的4條邊，分別取其均值，然后計算試件的體積。干表觀密度的計算見式（1）。飽和吸水率：將6塊試件在105~1l0℃下烘至恒重；取其中3塊試件測定抗壓強度平均值f0；取其余3塊試件稱重，測定質量平均值m0后，將其浸入溫度為（20±5）℃的水中，浸水時間均為48h，達到要求的浸水時間后，將試件取出，擦干并稱量，計算該浸水時間的質量平均值mt。見式（2）。2、結果與討論

2.1多孔材料性能測試表2為不同種類多孔細集料的性能測試結果。由表2可知，不同種類的輕質多孔材料的容重差別很大。其中珍珠巖的堆積密度遠小于其他多孔材料，并且其容重隨目數的增加而減小。漂珠的堆積密度隨目數的增加而增大。選取攀西地區(qū)鈦礦渣的堆積密度與陶砂密度類似，但細度模數相對較低。表3為不同類型多孔粗集料的性能測試結果，圖1為3種等級陶粒的表觀以及斷面形貌圖。由表3可知，隨著陶粒容重的增加，陶粒的吸水性降低，筒壓強度增加。對比不同類型陶粒發(fā)現(xiàn)，橢圓型陶粒與破碎型陶粒的吸水率與筒壓強度均低于球形陶粒。其中破碎型陶粒的吸水率最高，筒壓強度最低。由圖1可知，陶粒的直徑均在10mm左右，并且陶粒的容重越高，內部孔隙率越小，表面越光滑致密。表2

不同種類多孔細集料性能測試結果表3

不同類型多孔粗集料的性能測試結果圖1

不同等級陶粒表觀形貌圖2.2多孔材料對全輕混凝土表觀密度的影響圖2為不同種類的多孔細集料對全輕混凝土干密度的影響。由圖2可知，無機多孔材料的種類對混凝土干密度具有極大的影響，隨著齡期的增長，混凝土干密度增加；當陶砂的密度增加，混凝土的干密度隨之增加。珍珠巖的摻入并未顯著降低混凝土的干密度，珍珠巖容重在98～141kg/m3，同體積替代陶砂，可降低混凝土容重，但是由于其吸水性較強，吸水后容重顯著提高，因此導致混凝土中水灰比降低，孔隙率下降，干密度提高。漂珠的摻入提高了混凝土的干密度，其中漂珠目數越大，比表面積越大，吸水率更高，其混凝土干密度越大。鈦礦渣的密度與陶粒相差較小，吸水性較陶砂低，因此混凝土干密度略微下降。圖2

不同多孔細集料對全輕混凝土干密度的影響圖3為不同類型粗集料對全輕混凝土干密度的影響。由圖3可知，隨著陶粒密度的升高，混凝土干密度提高；破碎形陶粒混凝土與500級陶?；炷恋母擅芏认鄬^低。根據陶粒的吸水率可以發(fā)現(xiàn)陶粒容重越大，吸水率越小，破碎型陶粒的吸水性大于規(guī)則型陶粒。由于陶粒處于預吸水狀態(tài)，且預吸水未算入混凝土水灰比中，當陶粒處于攪拌狀態(tài)下，陶粒內部水溢出到混凝土基體中，導致混凝土實際水灰比增大。隨著混凝土中水灰比的增大，混凝土的孔隙率增加，因此混凝土干密度降低。并且由于陶粒本身容重直接影響混凝土的容重，混凝土的干容重隨陶粒的容重降低而降低。圖3不同類型粗集料對全輕混凝土干密度的影響

2.3多孔材料對全輕混凝土力學性能的影響圖4為不同種類多孔細集料對混凝土抗壓強度的影響。由圖4可知，隨著陶砂容重的增加，混凝土抗壓強度增強。這是由于隨著陶砂容重的提高，陶粒混凝土容重提高，混凝土的密實度增加，孔隙率減小，因此混凝土抗壓強度提高。珍珠巖的摻入提高了混凝土抗壓強度，這主要是因為珍珠巖比表面積大，吸水率高，摻入混凝土中吸取大量自由水，減小了混凝土中實際水灰比，因此混凝土的抗壓強度提高，其中30～50目珍珠巖對混凝土抗壓強度的提升程度最高。漂珠的摻入顯著提高了混凝土的抗壓強度，并且隨著目數的增加，混凝土抗壓強度提高，其中80目漂珠提高了混凝土28d抗壓強度5.7MPa。鈦礦渣對混凝土抗壓強度的影響較小，可直接替代陶粒。圖4不同種類多孔細集料對混凝土抗壓強度的影響

圖5為不同種類粗集料對全輕混凝土抗壓強度的影響。由圖5可知，隨著陶粒容重的提高，混凝土的抗壓強度先提高后減小。這是因為隨著陶粒容重的提高，其筒壓強度提高，因此混凝土強度上升。相對于圓球形陶粒，破碎型與橢圓陶粒明顯降低了全輕混凝土的抗壓強度。因此，全輕混凝土的抗壓強度與陶粒的容重呈線性關系。當陶粒容重提高，混凝土抗壓強度提高。圖5不同類型粗集料對混凝土抗壓強度的影響2.4多孔材料對全輕混凝土導熱系數的影響圖6為不同種類多孔細集料對全輕混凝土導熱系數的影響。由圖6可知，隨著陶砂容重的提高，混凝土的導熱系數提高?；炷恋膶嵯禂抵饕苫炷量紫堵蕸Q定。隨著陶砂容重的提高，混凝土容重提高，孔隙率減小，因此導熱系數提高。珍珠巖與漂珠的摻入，提高了混凝土的導熱系數。這是由于珍珠巖與漂珠的細度較高，在混凝土中填充于孔隙之間，減小了混凝土的孔隙率，因此導熱系數增加。鈦礦渣屬于水淬礦渣，其自身孔隙率較高，可降低混凝土容重及導熱系數。圖6不同種類多孔細集料對混凝土導熱系數的影響圖7為不同類型粗骨料對全輕混凝土導熱系數的影響。由圖7可知，隨著陶粒容重的提高，全輕混凝土的導熱系數先上升后下降。破碎型陶?；炷恋膶嵯禂底畹汀Ｍㄟ^對比圖2與圖6可以發(fā)現(xiàn)，導熱系數變化與容重變化一致。這是由于陶粒容重的提高導致全輕混凝土容重的提高，孔隙率下降，因此導熱系數增加。圖7不同類型粗集料對混凝土導熱系數的影響2.5陶粒與混凝土基體界面區(qū)域圖8為陶粒與混凝土基體之間界面區(qū)域掃描電鏡圖。圖a、b、c是破碎型陶粒與基體界面區(qū)域圖，而圖d、e、f為圓球型陶粒與基體界面區(qū)域圖。由圖d可以看出，陶粒表面存在許多均勻且微小的氣孔，混凝土基體上分布著許多不均勻的氣孔，孔徑在100～500μm之間，這是由于引氣所導致的氣孔。由圖a與圖d均可看出陶粒與混凝土之間明顯的界面區(qū)域。在不同陶粒界面區(qū)域均可發(fā)現(xiàn)陶粒表面生長許多C-S-H凝膠顆粒，這可能是由于陶粒表面存在許多成核位點，水泥水化生成了C-S-H凝膠，因此基體與陶粒之間被C-S-H凝膠連接起來。由于引氣作用可在陶粒周圍存在較多的氣孔，因此在基體與陶粒界面區(qū)域形成了薄弱區(qū)?；炷猎谕饨缌Φ淖饔孟?，薄弱區(qū)易發(fā)生裂紋，導致混凝土受到破壞。圖8陶粒與混凝土基體界面區(qū)域SEM圖結論

文通過對不同種類無機多孔材料對全輕混凝土力學性能與導熱性能的影響，得出以下結論：（1）隨著陶粒容重的增加，其吸水性降低，筒壓強度增加；橢圓型陶粒與破碎型陶粒的吸水率與筒壓強度均低于球形，其中破碎型陶粒的吸水率最高，筒壓強度最低。（2）全輕混凝土干密度隨陶砂密度的增加而增加；珍珠巖與漂珠能提高全輕混凝土的干密度；全輕混凝土容重