A09级火山渣发泡混凝土及复合砌块研究

2018-03-09张磊蕾王武祥王爱军廖礼平

新型建筑材料 2018年1期

张磊蕾，王武祥，王爱军，廖礼平

(1.中国建筑材料科学研究总院，北京 100024；2.绿色建筑材料国家重点实验室，北京 100024)

0 引言

火山渣是在火山爆发时喷出的岩浆由于气体作用发生膨胀后形成的多孔岩石。火山渣在我国分布广泛，主要产地为内蒙古、云南、黑龙江、吉林、辽宁等地区，且储量丰富[1]。火山渣具有质轻、孔隙率高、导热系数小等特性，是优质的天然轻骨料，如果用其制备节能墙体材料，不但可以在一定程度上缓解砂石供应的压力，而且对发展地区经济、推进墙材革新与建筑节能工作产生积极作用。

发泡混凝土具有轻质、保温、隔热、耐火、隔声等良好的物理力学性能[2]，若选用导热系数较小的火山渣发泡混凝土作为基材，然后在内部复合不同厚度、不同材质的绝热材料，可制备火山渣发泡混凝土复合自保温砌块（见图1）。

图1 发泡混凝土复合自保温砌块

据测算，干表观密度为（900±20）kg/m3的A09级火山渣发泡混凝土可用于制备500级、600级、700级和800级火山渣发泡混凝土复合自保温砌块（以下简称复合砌块）。本文通过研究火山渣、水泥用量和养护工艺对火山渣发泡混凝土抗压强度的影响，提出了火山渣发泡混凝土的适宜配合比，并推测了采用A09级火山渣发泡混凝土制备的复合砌块的力学性能和热工性能。

1 火山渣发泡混凝土试验

1.1 原材料

水泥：冀东水泥集团股份有限公司，P·O42.5R；发泡剂：市售浓度为50%的双氧水；火山渣：来自吉林省辉南县火山渣矿，黑色，加工为粒径3～5 mm的颗粒（见图2），实测堆积密度为1126 kg/m3，含水率10%，主要化学成分见表1；混合材：北京市石景山热电厂Ⅲ级干排粉煤灰；改性剂：液体速凝剂，浓度为50%，主要成分为硫酸铝，液体稳泡剂，WPF012，主要成分为硬脂酸；水：自来水。

图2 火山渣颗粒

表1 火山渣的主要化学成分 %

1.2 配合比

水泥用量分别为30%、35%、40%；针对不同的水泥用量，粉煤灰和火山渣分5个不同用量；速凝剂外掺量为水泥用量的6%；稳泡剂外掺量占干粉总质量的0.10%，双氧水和水的用量则通过试配确定。A09级火山渣发泡混凝土的试验配合比见表2。

表2 A09级火山渣发泡混凝土配合比 %

1.3 试样制备

试样制备方法参考文献[3]，采用自然养护和蒸汽养护2种养护方式。自然养护是在常温条件下养护28 d，蒸汽养护则是将试件置于（80±2）℃蒸汽养护箱中养护16 h。

1.4 试验内容

依据JG/T 266—2011《泡沫混凝土》测试火山渣发泡混凝土的干表观密度、抗压强度，依据GB 10294—2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定防护热板法》测试火山渣发泡混凝土的导热系数，依据JC/T 1062—2007《泡沫混凝土砌块》测试火山渣发泡混凝土的抗冻性。

2 试验结果与分析

2.1 火山渣用量对自然养护发泡混凝土性能的影响（见表3）

表3 自然养护的发泡混凝土抗压强度、干密度

由表3可见，当水泥用量为30%、火山渣用量由70%逐步降至30%、粉煤灰用量由0逐步增至40%时，火山渣发泡混凝土抗压强度分别提高2.1%、31.2%、45.4%和47.8%；当水泥用量为35%、火山渣用量由65%逐步降至30%、粉煤灰用量由0逐步增至35%时，火山渣发泡混凝土抗压强度分别提高-1.5%、26.0%、47.0%和55.0%；而当水泥用量为40%、火山渣用量由60%逐步降至30%、粉煤灰用量由0逐步增至30%时，火山渣发泡混凝土抗压强度分别提高10.7%、17.1%、35.4%和36.8%。结果表明，固定水泥用量，火山渣发泡混凝土抗压强度随着火山渣用量增加而降低，这是因为火山渣用量增加，粉煤灰用量相应减少。众所周知，当粉煤灰与水泥混合后，粉煤灰中的活性SiO2和Al2O3与水泥水化产物Ca（OH）2发生二次水化反应。因此，粉煤灰用量减少导致火山渣发泡混凝土抗压强度降低。当水泥用量为40%、粉煤灰和火山渣用量均为30%时，采用自然养护的火山渣发泡混凝土干表观密度为905 kg/m3，28 d抗压强度达到6.65 MPa。

2.2 火山渣用量对蒸汽养护发泡混凝土性能的影响（见表4）

表4 蒸汽养护的发泡混凝土抗压强度、干密度

由表4可见，当水泥用量为30%、火山渣用量由70%逐步降至30%时，火山渣发泡混凝土抗压强度分别提高14.8%、58.1%、79.2%和97.5%；当水泥用量为35%、火山渣用量由65%逐步降至30%时，火山渣发泡混凝土抗压强度分别提高24.6%、58.1%、80.8%和98.2%；而当水泥用量为40%、火山渣用量由60%逐步降至30%时，火山渣发泡混凝土抗压强度分别提高17.5%、34.0%、68.6%和77.5%。结果表明，当水泥用量相同时，火山渣发泡混凝土抗压强度亦随着火山渣用量增加而降低。当水泥用量为40%、粉煤灰和火山渣用量均为30%，采用蒸汽养护的火山渣发泡混凝土干表观密度为875 kg/m3，28 d抗压强度达到7.51 MPa。

2.3 养护工艺对火山渣发泡混凝土性能的影响

对比表3、表4可知，粉煤灰用量大于15%时，蒸汽养护的火山渣发泡混凝土抗压强度均高于自然养护的火山渣发泡混凝土，并且粉煤灰用量较高时抗压强度提高明显。在蒸汽养护条件下，由于水泥水化产物和蒸汽养护条件的共同作用，粉煤灰的玻璃体网络结构更容易被破坏，[SiO4]4-四面体解聚成单聚体和双聚体，提高了粉煤灰活性，从而提高了硬化浆体的强度[4]。因此采用蒸汽养护工艺可显著提高火山渣发泡混凝土抗压强度。而粉煤灰用量低于15%时，即火山渣用量较高时，蒸汽养护并不能很好提高火山渣的活性，蒸汽养护的火山渣发泡混凝土抗压强度低于自然养护的抗压强度。

2.4 水泥用量对蒸汽养护发泡混凝土性能的影响

对比表3、表4中911、916、921号试样可知，当粉煤灰用量为0时，火山渣发泡混凝土抗压强度随着水泥用量的增加而明显提高，采用自然养护的火山渣发泡混凝土抗压强度均高于采用蒸汽养护的火山渣发泡混凝土。对比表3、表4中915、920、925号试样可知，当火山渣用量为30%时，发泡混凝土抗压强度同样随水泥用量的增加而明显提高。使用粉煤灰替代部分水泥，由于粉煤灰活性终归低于水泥，因此火山渣发泡混凝土抗压强度必然会随粉煤灰用量的增加而下降。

基于性能控制目标和成本要求，推荐925号试样的配合比作为火山渣发泡混凝土的最佳配合比，即胶凝材料组成为40%水泥+30%粉煤灰+30%火山渣，速凝剂占水泥质量的6%；稳泡剂掺量占干粉总质量的0.10%，并建议采用蒸汽养护。在前面试验的基础上，对925号试件进行导热系数和抗冻性测试。综合结果：925号试件的干表观密度为875 kg/m3，抗压强度为7.51 MPa，导热系数为0.2198 W/（m·K），抗冻性为F35。

根据JG/T 266—2011，A09级火山渣发泡混凝土的强度等级达到 C7.5级，干表观密度为（900±20）kg/m3，导热系数＜0.24 W/（m·K）。925号试件符合A09级火山渣发泡混凝土的控制目标，抗冻性也符合JC/T 1062—2007的要求，满足寒冷地区使用要求。

3 火山渣发泡混凝土复合自保温砌块性能推算

设计复合砌块长度为590 mm，高度为190 mm，宽度分别为190 mm、240 mm、280 mm、310 mm、330 mm；绝热材料层平均厚度不小于30mm（结构如图1所示）。绝热材料的导热系数为0.040 W/（m·K）、干表观密度为30 kg/m3；A09级火山渣发泡混凝土抗压强度取7.51 MPa，导热系数为0.2198 W/（m·K）。根据文献[5]，复合砌块的结构及强度、传热系数推算结果见表5。

由表5可见，复合砌块的密度等级为500、600、700、800级，强度等级可达到MU3.5、MU5.0，砌体传热系数在0.21～0.52 W/（m2·K）。