多排孔纳米粉煤灰夹芯砌块抗折强度研究

宋国芳 方娥 蒋荣

1.湖南工程职业技术学院 湖南 长沙 410151 2.湖南高速铁路职业技术学院 湖南 衡阳 421001

正文：

1 引言

有关水泥和混凝土掺纳米材料研究极具前沿意义，混凝土的微孔隙可被纳米材料填充，混凝土的强度和密实度也会大大提高，这得益于掺加的纳米材料具有较小的颗粒尺寸，并且纳米材料具有比表面积大、反应活性高等特点。有研究表明，混凝土砌块中添加纳米SiO2材料后，配制出的混凝土砌块，不仅具有可持续性好的特点，并且其抗压强度非常高。我们前期研究了纳米SiO2粉煤灰夹心砌块，该砌块强度较高、保温性能较好。掺粉煤灰的普通砌块，有的具有承重能力但不具备保温性能，有的具有一定的保温效果但承重性能差，我们研究的砌块有利于粉煤灰的充分利用，生产的砌块有利于保温、节能及承重。实验表明70%左右的热能是通过建筑物的围护结构损失的，而25%的热量是通过外墙散失的。增加外墙的节能措施，减少围护结构热能损失，是建筑节能关键。随着建筑节能的标准不断提高，如何进一步提高纳米SiO2粉煤灰夹芯砌块的热性能，减少热桥损耗值得进一步研究。

在我们之前的研究基础上，采用正交实验方法，以砌块抗压强度为主要指标，优化孔洞的排列方式，研制了新一代砌块---多排孔纳米粉煤灰夹芯砌块。砌块的抗折强度对砌体抗压强度具有重要影响，这说明砌块的抗折强度对于砌体抗压强度具有重要影响，也说明砌体承受复杂应力及获得较高的抗压强度和抗剪强度有赖于砌块的抗折强度。研究者目前未发现国内外应用纳米材料于砌块的相关研究，本文通过正交试验研究了影响掺纳米粉SiO2煤灰夹芯砌块抗折强度的因素，为今后同类砌块研究提供参考。

2 试验材料

2.1 水泥

试验中使用的水泥是42.5R普通硅酸盐水泥（南方牌），部分物理性能如表1所示。

表1 水泥的物理性能（部分）

2.2 粉煤灰

III级湿排原状粉煤灰（来自耒阳电厂），见表2。

表2 粉煤灰的部分物理性能及化学成分

2.3 纳米SiO2

纳米SiO2（唐山曹妃甸泰弘晟达新材料有限公司生产）技术指标见表3。

表3 纳米SiO2（部分物理性质）

2.4 集料

细集料采用表观密度为2.167 g/cm3，堆积密度为1.52 g/cm3，细度模数为2.162的本地河砂。本实验使用的粗集料为本地碎石，密度为2.63 g/cm3、粒径为5～10 mm，我们采用的集料配比为：砂/(砂+石)=0.39。

2.5 其他

本研究采用符合孔洞形状的聚苯乙烯板及由有机和无机材料组成的外加剂。本研究用水采用自来水。

3 本研究的设计方案

3.1 砌块大小

本研究为粉煤灰混凝土小型空心砌块，砌块大小采用190宽系列，主要砌块的尺寸为390 mm×190 mm×190 mm。

3.2 孔型设计

先前研究的纳米粉煤灰夹心砌块具有热桥现象，采用何种结构形式阻断热桥？采用什么样的成型工艺？是本研究的前提和基础。孔洞的数量和尺寸对砌块的强度有一定影响，同时对聚苯板插入的数量具有限制作用，从而对砌块的保温隔热性能产生较大影响。经过反复试验，我们选择了一种三排孔设计方案，该方案砌块的优点为：砌块的纳米粉煤灰肋的热传导路径被保温层完全阻挡，故砌块可获得较好的保温隔热性能，如图1所示。

图1 多排孔纳米粉煤灰夹芯砌块示意图（单位：mm）

4 试验方法

4.1 粉煤灰改性

粉煤灰活性对砌块的耐久性和强度均有影响，而湿排粉煤灰堆放时间越长，其活性越差。本实验前期研究显示，粉煤灰占比增多时，水泥中早期水化产物减少，毛细孔增大，孔隙率增加，强度下降。本实验前期研究表明，可提高砌块早期强度的改性剂，以及无机碱类激发剂可使粉煤灰的活性被激发，这些成分可与 Ca(OH)2产生反应，使Al3＋、Si4＋等离子变成有活性的状态，水泥的水化及硬化状态进一步增强，从而提高砌块的强度，砌块的后期强度的提高尤为明显；外加剂的掺加可使毛细孔道变少，混凝土的性能更好。

4.2 试制砌块

本研究在湖南高速铁路职业技术学院的建材实验室进行，砌块通过加压振动成型的方式来成型。砌块成型采用如下工艺：将机油涂刷于模具壁→组装好模具→在模具中填料、并将料捣实→盖料并将其压制成型→拆模并将砌块取出→将聚苯乙烯板插入砌块的孔内。本研究试验分为9组，每组制作6个砌块，采用的龄期为28天。

4.3 砌块的养护

需要养护多排孔纳米粉煤灰夹芯砌块以获得所需的强度并降低收缩率。水泥水化反应与环境温度、湿度和时间直接相关。养护过程中将环境相对湿度保持在90%以上，通过足够的养护时间，有利于砌块各成分的物理、化学过程的进行。湖南省年均气温较高，在常温常压下养护砌块，可以达到各指标和设计强度的要求。水泥水合后产生的Ca(OH)2与粉煤灰中的活性成分可发生化学反应，该过程产生的低钙化合物与掺入的纳米进一步发生反应，形成了更好的硬化效果，使砌块的强度得到了进一步增加。养护时间越长，性能越好，这是因为在早期阶段，粉煤灰对混凝土的活性作用还没有充分表现出来，而时间越长，粉煤灰活性增强，改善了混凝土的孔径，使其致密性增加，砌块内部孔隙率降低，砌块强度提高。

4.4 试件分组

根据正交设计原理，计算每组的材料量，如表4所示。

表4 各组材料用量

4.5 测定砌块抗折强度

依照《混凝土砌块和砖试验方法》(GB-T 4111-2013)的相关规定准备砌块及进行实验，砌块抗折强度试验于砌块养护28d后进行，以（250±50）N/s的速度加载直至试件破坏，记录最大破坏荷载P。

实验结果的计算：依照公式（1）来计算抗折强度，精确至0.1Mpa。

本公式中，fz：抗折强度，单位为MPa；P：破坏荷载，单位为N；L：两支撑钢棒轴心间距，单位为mm；B：砌块宽度，单位为mm；H：砌块高度，单位为mm。

4.6 研究结果

本实验采用正交试验，取L9(34)方案，粉煤灰、水泥、纳米材料和水（聚苯乙烯板为非独立因素）作为因素，每个因素选取三个水平。表5为试验结果及相关分析，每个水平/因素的砌块制作6个，6个砌块的平均值作为该水平/因素的结果；养护的第28 d的抗折强度作为表中数值；水掺量值为：（水泥+粉煤灰）*%。

表5 L9(34) 28d抗折强度和极差分析

5 实验结果及相关分析

5.1 抗折强度与粉煤灰含量的关系

由于粉煤灰具有潜在火山灰活性，该活性随养护时间变长而逐渐增强，从而粉煤灰混凝土后期强度也逐步增加，使得粉煤灰砌块墙体具有足够的承载力，进一步提高了建筑物的安全性。本研究发现（见图3），掺45%和40%粉煤灰对比，抗折强度下降17.8%；掺40%和35%粉煤灰对比，抗折强度下降约4.2%，强度下降不多，但明显增加了粉煤灰的添加量，故认为40%掺量较为理想。

图3 抗折强度与粉煤灰掺量关系

5.2 抗折强度与水泥含量的关系

其他条件相同时，当水泥掺量增多时，砌块的强度呈现增加的趋势，由图4可见，水泥含量由10%提高到12%时，砌块的强度提高21.5%；水泥含量由12%提高到14%，砌块的强度提高14.9%。本研究结果显示，与其他因素相比，对砌块抗折强度影响最大的因素为水泥含量。

图4 抗折强度与水泥的关系

5.3 抗折强度与含水量的关系

水掺量在砌块制备和养护过程中，对于砌块强度和吸水率有重要影响。砌块制备过程中，当掺水量过少时，将使材料混合不均，制备的砌块具有较大差异性，砌块强度也会受到影响。如图5所示，当水含量为22%时，砌块强度更大。

图5 抗折强度与水掺量的关系

我们前期研究发现，与不掺纳米SiO2粉煤灰夹芯砌块相比，掺入纳米SiO2的粉煤灰夹芯砌块具有更高的抗压强度，而本研究有同样的结果，即入掺纳米的SiO2粉煤灰夹芯砌块具有更高的抗折强度。但不同添加量纳米SiO2对砌块的抗折强度影响不明显，但不同添加量纳米SiO2砌块成本不同，掺量越少，成本越低，故优选配方1中的纳米SiO2添加量。

综合考虑，选取40%的粉煤灰，14%的水泥，配方1的纳米SiO2和22%的水为最佳组合。

6 讨论

研究表明，多排孔纳米粉煤灰夹芯砌块选用因素水平组合试验6号，即粉煤灰含量为40%，水泥含量为14，纳米材料的配方为1，水的含量为22%，具有良好的抗压强度。砌块中粉煤灰的含量高对于增加粉煤灰的消耗有益，考虑成本效益，在不影响强度前提下，纳米材料则取低掺量组，此配比抗压强度也较高（15.12MPa）。该配合比砌块也取得了较高的抗折强度（5.63MPa），与抗压强度实验取得的结果相近。

对于粉煤灰小型空心砌块的研究中，抗折强度与抗压强度相比，其数值约为20%，本研究最佳配比砌块，其抗折强度与抗压强度相比，其比值为37.2%（5.63/15.12）。采用粉煤灰含量为40%，水泥含量为14%，纳米材料为配方1，含水量为22%的纳米粉煤灰夹芯砌块具有较大的抗折强度。虽然粉煤灰水化反应速率与水泥水化反应速率相比较慢，但是在粉煤灰水化的后期，当添加的粉煤灰量增加到一定程度时，其中的Al2O3、SiO2等活性成分同Ca(OH)2发生反应，形成更多的硅酸钙凝胶，使水化产物的孔隙致密化得到增强并改善了混凝土砌块的后期强度 。

7 结论与建议

1）选用粉煤灰含量为40%，水泥含量为14%，纳米材料为配方1，含水量为22%，该配比砌块获得了较高的抗压强度，并且取得了较高的抗折强度，故认为应应用此配合比来制备多排孔纳米粉煤灰夹芯砌块。

2）试制的纳米粉煤灰夹芯砌块不仅具有较高的抗折强度，且抗折强度为其抗压强度的37.2%，应用此配比砌块砌筑砌体，可获得较好的抗压能力和抗剪能力。

3）将纳米材料改性粉煤灰混凝土，有利于将新材料和新技术应用到建筑材料领域中去。多排孔的新型设计，对于该新型砌块保温性能的提高更有利，我们将通过进一步实验去研究、证实。

4）由于纳米材料的掺入，本研究砌块获得了较高的抗折强度，可能与纳米材料改善砌块的微观结构相关，具体机制值得进一步探讨。