核壳结构免烧轻骨料的制备与性能研究
2016-10-14庞超明吕梦媛孙友康
庞超明,吕梦媛,孙友康
(1.东南大学材料科学与工程学院,江苏省土木工程材料重点实验室,南京 211189; 2.河北九易庄宸股份有限公司,石家庄 050031)
核壳结构免烧轻骨料的制备与性能研究
庞超明1,吕梦媛2,孙友康1
(1.东南大学材料科学与工程学院,江苏省土木工程材料重点实验室,南京211189; 2.河北九易庄宸股份有限公司,石家庄050031)
针对核壳结构免烧轻骨料的制备技术,研究采用单颗承载力来表征人造轻骨料的力学性能,研究了石灰掺量、水泥掺量、不同养护方式下成熟度模数对免烧轻骨料性能的影响,同时研究了核壳结构免烧轻骨料的耐高温性能。结果表明,单颗承载力与筒压强度具有良好的相关性,石灰掺量对粉煤灰掺量为50%的轻骨料力学性能影响较小,水泥掺量对轻骨料力学性能影响较大。成熟度模数对早期力学性能影响较大,随着成熟度模数的增加,7 d承载力几乎成线性增加,但对28 d力学性能影响不大。所制备的核壳免烧型骨料,承载力与烧结陶粒相比存在明显优势,具有良好的耐高温性能,400 ℃时强度不下降,600 ℃时颗粒仍保持完整,承载力降低约35%,可用于结构自保温材料。
核壳结构; 免烧轻骨料; 筒压强度 ; 单颗承载力; 耐高温性能
1 引 言
建筑工业化是我国绿色建筑发展的主要途径。顺应建筑工业化的发展,考虑产品的运输、安装、吊装等因素,集轻质、保温、吸音等为一体的高比强轻质材料必将成为建筑工业化的必然选择。混凝土实现轻质的技术手段主要是引入气泡和采用轻骨料两种途径,引入气泡的方式发展出加气混凝土和泡沫混凝土,这类材料强度偏低,收缩大,易开裂,尤其是低强导致的吊挂力低,使用感差,但价格较低。轻骨料以其轻质、多孔、保温、节能的优异性能,近几年在各种要求功能的材料中得到推广,如利用其轻质和保温特性应用于制备陶粒混凝土隔墙板、楼面板等受力要求不高的新型高比强轻质材料中;利用其多孔的吸附特性用于水处理、过滤材料[1]或相变储能材料[2,3]等。
我国对轻骨料的研究起步稍晚,始自20世纪60年代,以粘土陶粒、页岩陶粒和粉煤灰陶粒为主。传统生产工艺以粘土、页岩等为原料,采用回转窑的高温烧结技术,能耗大,生产环境差、工艺落后、产量较低。为减少对粘土、页岩等自然资源的使用,以垃圾、污泥等废弃物为原料的陶粒有所发展,仍为烧结工艺,此后节能免烧轻骨料制备技术的研究陆续出现,但总体发展缓慢。孙盛祥[4]研制出粒径为5~20 mm免烧轻骨料,自然养护,堆积密度为650~800 kg/m3,28 d筒压强度可达6 MPa。马彦涛[5]研制了粉煤灰掺量在80%以上,表观密度840~910 kg/m3,筒压强度4.5~6.0 MPa,吸水率17%~22%的免烧粉煤灰轻骨料。冯乃谦[6]利用泡沫塑料为芯材研制出自然含水状态下表观密度780 kg/m3,筒压强度3.7~4.0 MPa,吸水率19%的免烧粉煤灰轻骨料。杨魁 采用EPS为芯材,制备了表观密度570~890 kg/m3,筒压强度0.82~4.3 MPa的核壳免烧轻骨料。总体而言,研究文献偏少,所制备的各类陶粒堆积密度较高,且进一步降低难度大,比强仍然偏低。
研制较高掺量粉煤灰制品时,多采用粉煤灰-石灰或水泥或碱(盐)-铝硅酸盐体系。本研究采用粉煤灰-水泥-石灰体系研究核壳型免烧轻骨料的制备技术,采用单颗承载力和硬度表征免烧轻骨料的性能,研究石灰掺量、水泥掺量和成熟度模数对免烧轻骨料性能的影响,同时研究核壳免烧轻骨料的耐高温性能。研究制备的集料,制备工艺易调节,产品类中空,轻质高比强,可用于制备集高比强、保温隔热、隔音吸音、防火于一体建筑墙体或结构材料。
2 试 验
2.1原材料与试验方法
试验采用PII52.5水泥;Ⅰ级粉煤灰;石灰,有效CaO含量为60%,采用荧光分析测得的成分如表1所示。
表1 原材料的化学组成
单颗承载力测试采用数显式推拉力计,选择一定加载速度匀速向下压骨料,直至破碎,记录峰值即可。硬度采用邵氏D硬度计,在试样相距至少6 mm的不同位置测量硬度值5~10次,至少取10颗以上样品,取平均值。筒压强度依据标准GB/T 17431.2-2010轻集料及其试验方法 第2部分:轻集料试验方法进行测试。
2.2免烧轻集料的制备
免烧轻集料制备,采用核壳结构,使用憎水粒径在4~6 mm废弃EPS颗粒作为内核,采用界面处理剂进行界面处理,分散均匀后待用。把各种粉料按比例充分混合,将混合均匀的粉料和经过预处理的内核一起放入成球机成球,同时以喷洒方式添加15%~25%的水分,新生料球置于空气中自然养护一段时间后,采用不同的方式进行养护,得到成品。所得产品粒形好,接近圆形,颗粒大小均匀,粒径可调,如图1所示。采用该工艺,通过内核大小与功能的改变,壳层厚度和配方的调整,可进行各种功能性核壳型免烧轻集料的开发,如改用储热内核,则可采用该工艺制备具备储热功能的高比强轻集料。
图1 免烧轻骨料Fig.1 Free-sintering lightweight aggregate
3 结果与讨论
3.1石灰掺量对免烧轻骨料性能的影响
在粉煤灰-水泥体系中,加入水泥一方面是利用水泥本身的胶结能力,另一方面水泥水化产生的Ca(OH)2是粉煤灰活性激发剂,而水泥水化产生的Ca(OH)2量是有限的,因此需增加Ca(OH)2含量以激发粉煤灰的活性。为确保免烧轻骨料的强度,研究将粉料中水泥用量控制在50%,粉煤灰和石灰总量控制在50%。成型后早期80 ℃蒸养15 h后采用保湿养护,试验结果如表2所示。
表2 Ca(OH)2掺量对轻骨料性能的影响
可以看出,各组轻骨料的堆积密度控制在650 kg/m3左右,1 h吸水率均偏高,在26.7%~29.5%,高于人造轻骨料应小于20%的规定。粒径4.75~9.5 mm样品的筒压强度显著高于粒径9.5~16 mm的样品。
石灰掺量的变化,对轻骨料性能影响较小,石灰掺量从5%~20%,随着石灰掺量的提高,筒压强度先升高后降低,但总体变化幅度不超过10%。其中石灰最佳掺量为15%,有效CaO含量为9.0%,可见合理的CaO掺量可一定范围内提高单位密度下的强度,即实现高比强。研究表明,粉煤灰砖中有效CaO 掺量宜为总量的10%~14%[7],其中粉煤灰约占总量的40%~50%,可估算CaO应占粉煤灰质量的20%~35%。由于水泥熟料完全水化生成的Ca(OH)2约占总重量的25%,考虑水泥中5%的掺合料和5%的助磨剂,假定水化程度为0.7,水泥提供的有效CaO约占总量的7.5%,因此宜添加的有效CaO含量应为2.5%~10%。考虑到石灰掺量取值从15%降低至10%,即有效CaO含量从9%降至6%,筒压强度降低幅度不大,为减少CaO混合不均匀局部过量带来的体积膨胀的风险,因此实际可取10%。
3.2水泥掺量对免烧轻骨料性能的影响
固定石灰用量占粉煤灰和石灰总量的15%,改变水泥与粉煤灰和石灰总量的比例,即改变水泥掺量,制备轻骨料,测得其性能如表3所示。
表3 不同水泥掺量对免烧轻骨料性能的影响
可以看出,水泥与粉煤灰和石灰的比例对免烧轻骨料性能的影响较大,提高水泥掺量可显著提高比强。在球形较好的状态下,粒径4.75~9.5 mm的轻骨料与粒径9.5~16 mm相比,堆积密度高20~30 kg/m3,孔隙率约低2%,而筒压强度高1.3~2 MPa。随着粉煤灰掺量的提高,堆积密度降低,筒压强度也大幅度降低。结合经济性和比强考虑,满足高强轻骨料的要求,可优出CF23组配合比,即水泥掺量40%。
3.3筒压强度与单颗承载力、硬度的相关性研究
通常采用筒压强度来表征轻骨料的性能,但筒压强度实验量较大,因此研究提出采用单颗承载力,拟结合硬度来表征轻骨料的力学性能。显然单颗承载力与壳层厚度有关,因此测试了不同Ca(OH)2掺量下不同厚度轻骨料单颗承载力随龄期的发展规律,每组测试了20~30颗骨料单颗承载力与硬度值,其中硬度值每颗至少测试3次,取其平均值,并与市场烧结陶粒测试结果进行对比。3 d和7 d龄期在不同厚度的承载力如图2所示,28 d力学性能如表4所示。
图2 不同厚度下的单颗承载力(a)3d;(b)7dFig.2 Single load bearing capacity of LA with different thickness
No.Singleloadbearingcapacity/N3.5mm3mm2.5mmCylindercrushstrength/MPa4.75-9.59.5-16HardnessCa53372812255.984.1289Ca104033122816.294.5990Ca155124033086.474.6788Ca203783012676.184.3089CF325864603526.985.0286CF234653582316.124.3688CF133693262264.713.4285CF142751981673.812.4686Commercial5-8mm63(40-100)3.1640-60Commercial15-18mm305(110-500)2.5560-80
从图2可以看出,在不同龄期下,单颗承载力随着壳层厚度的增大,几乎成线性增长。而壳层的本体强度决定了其截距与斜率,而壳层本体强度进一步由壳层配方决定。
由于在成球过程中,外壳层厚度会存在不均匀性,同一颗骨料,不同位置硬度测试结果存在差异,数据离散性较大。由表4可以看出,各组在28 d的硬度在85~90之间,接近硬度的极限值100,此时对应的筒压强度在3.81~6.98 MPa,几乎相差一倍,同厚度下如3.0 mm时,单颗承载力为198~460 N,几乎也相差一倍,因此硬度与单颗承载力和筒压强度的相关性不大。而单颗承载力,厚度为2.5 mm、3.5 mm时,单颗承载力分别为167~352 N、275~586 N;在相同厚度下,轻骨料的单颗承载力与筒压强度均具有良好的相关性,且能更准确的反映材料的力学性能。由于采用了蒸养制度,力学性能的发展较快。在Ca5~Ca20四组轻骨料中,其3d的承载力达到28 d的73%~89%,而7 d在此基础上增加4%~10%,达77%~94%。最佳掺量组Ca15在早中期,承载力的发展速度最慢,这是因为石灰的最佳掺量,是针对长龄期而言,早中期大量的Ca(OH)2未能充分反应,而掺量更高时,虽然过量,但也加速了早龄期下粉煤灰的反应。由于水泥含量对免烧轻骨料性能的影响较大,因此力学性能的发展速度的差异也较大,3 d承载力在28 d的60%~90%之间,而7 d达到28 d的70%~96%。
市场烧结陶粒单颗承载力均匀性较差,分散性大,而自制免烧轻骨料分散性小;相同外壳层厚度、硬度条件下,免烧轻骨料单颗承载力远大于烧结陶粒,是烧结陶粒的6.5~7.9倍;4.75~9.5 mm粒径下,免烧轻骨料筒压强度是陶粒的1.49~2.05倍,可见免烧轻骨料与烧结陶粒相比,承载力存在明显优势。
3.4养护温度对免烧轻骨料性能的影响
图3 成熟度模数对单颗承载力的影响Fig.3 Effects of maturity modulus on single load bearing capacity of LA
对上述Ca15的配合比制样成球,在空气中自然养护24 h后放入蒸养箱中,分别在40 ℃、60 ℃、80 ℃中养护不同时间后取出,放于标养室中养护7 d和28 d,以单颗承载力来研究相同的模数下,对骨料力学性能的发展规律,如图3所示。可以看出,成熟度模数对早期力学性能影响较大,随着成熟度模数的增加,7 d承载力几乎成线性增加,而到28 d后,不同成熟度模数下,承载力相差不大,都在460~500 N之间,80 ℃略高。
3.5耐高温性能
制备的核壳型免烧轻骨料在炉内加热至预定试验温度,并恒温30 min,然后用特制夹具将骨料取出,温度调整约20~30 min后可进行试验,测定质量失重率、高温抗压强度,观察从室温加热到1000 ℃时的物理状态变化。测得常温下平均单颗承载力为496 N,在不同温度下,混凝土的颜色及表面损伤等状况见表5和图4。
可以看出,轻骨料从常温加热至200 ℃时,因内部自由水蒸发,失重较快,但强度会相应提高,表面不发生变化,内部少部分泡沫缺失;在200~400 ℃时,化学结合水脱出,失重缓慢增大,强度不下降,颜色由灰色变至灰褐色,内部泡沫变成薄薄一层黏在颗粒内壳上;温度超过400 ℃后,水泥水化的Ca(OH)2成分分解脱水;600 ℃时,颜色变成土黄色,且此后基本不再发生改变,强度降到了初始强度的64.9%,此后强度劣化速度显著加快,失重更大。700~800 ℃,CaCO3的受热分解,800 ℃后骨料表层开始出现细小裂缝,当温度升至1000 ℃后,裂缝有较大发展,强度损失极大,承载力基本丧失。
3.5结构自保温混凝土性能
使用上述轻集料制备大流动性高比强微孔轻集料混凝土,其中水胶比0.30,同时掺加30%的粉煤灰,轻集料体积用量为43%,泡沫体积掺量15%,所测得28 d性能如表6所示,制备的C30混凝土,干密度仅1500 kg/m3,表明该轻骨料可用于制备集保温吸音防火于一体的高比强结构自保温材料。
表5 免烧轻骨料的耐高温性能
图4 高温下轻骨料的表面特征(a)200 ℃;(b)400 ℃;(c)600 ℃;(d)800 ℃;(e)1000 ℃Fig.4 Surface character of LA after high temperature
Drydensity/kg/m3Compressivestrength/MPaSplittingstrength/MPaBendingstrength/MPaAcousticabsorptivityThermalconductivity/W/m·K154037.92.452.870.280.41
4 结 论
(1)球形度较好的轻骨料,与粒径9.5~16 mm相比,粒径4.75~9.5 mm的堆积密度高20~30 kg/m3,孔隙率约低2%,而筒压强度高1.3~2 MPa;
(2)选择合理的石灰掺量和提高水泥含量均能提高免烧轻骨料的比强。粉煤灰掺量为50%,石灰掺量对力学性能影响较小,而水泥掺量影响较大。随着石灰含量的提高,筒压强度先升高后降低,优选的石灰掺量为15%;随着水泥掺量的降低,堆积密度降低,筒压强度也大幅度降低,优选出水泥掺量为40%。优化配方后制备的免烧轻骨料堆积密度在630~690 kg/m3,筒压强度在4.4~6.1 MPa,比强较高,具有良好的耐高温性能,400 ℃时强度不下降,600 ℃时能保持完整,单颗承载力降低约35%,但吸水率偏高;
(3)免烧轻骨料的硬度与单颗承载力和筒压强度的相关性不大,而单颗承载力与筒压强度具有良好的相关性;单颗承载力随着壳层厚度的增大,几乎成线性增长。成熟度模数对免烧轻骨料的早期力学性能影响较大,随着成熟度模数的增加,7 d承载力几乎成线性增加,而到28 d后,不同成熟度模数下,承载力相差不大;
(4)研制出的免烧轻集料,结构类似中空,工艺易于实现产品性能的调节;与烧结陶粒相比,单颗承载力存在明显优势;可用于制备集高比强、保温隔热、隔音吸音、防火于一体结构自保温材料。
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Preparation and Properties of Free-Sintered Lightweight Aggregate with Core-Shell Structure
PANGChao-ming1,LVMeng-yuan2,SUNYou-kang1
(1.School of Material Science and Engineering,Southeast University,Jiangsu Key Laboratory of Civil Engineering Materials,Nanjing 211189,China;2.Heibei Jiuyizhuangchen Technology Co.LTD.,Shijiazhuang 050031,China)
In order to preparation the free-sintered lightweight aggregate(LA), the mechanical properties of artificial lightweight aggregate were characterized by single load bearing capacity, and the effects of properties for LA on the content of lime or cement, the maturity modulus under different curing condition were studied . The test results show that the single bearing capacity have good correlation with the cylinder strength of LA, The lime content have little effect on the mechanical properties of lightweight aggregate with 50% total content of Fly ash and lime, while cement content has a great influence on them. The maturity modulus has a great influence on the mechanical properties at the early age. With the increase of the maturity modulus, the load bearing capacity of 7 d is almost linear increasing, while it has little effect on the mechanical properties of 28 d. The core-shell LA has higher load bearing capacity compared with the sintered LA and good high temperature resistance. When the temperature is up to 400 ℃, the strength is not decreased, when it is up to 600 ℃, the sphere can still remain intact but its bearing capacity decreased by about 35%.The LA can be used for structural self-insulation materials.
core-shell structure;free-sintered lightweight aggregate;cylinder crush strength;single load bearing capacity;high temperature resistance
国家自然科学基金(51108077);高性能土木工程材料国家重点实验室开放基金(2013CEM002)
庞超明(1977-),女,高工,博士.主要从事先进土木工程材料方面的研究.
TU5
A
1001-1625(2016)07-2121-07