不同配合比轻质混凝土砌块的性能研究

邓宇，任吉，谭春雷，曾鑫，杨希涛，张鹏，黄凡荣，左荣盛

（广西科技大学 土木建筑工程学院，广西 柳州 545006）

近年来，国内外在新型墙体材料的研发及应用方面均已取得了较大的进展[1-8]。本文通过改变水胶比、双氧水以及粉煤灰掺量，研究不同配合比对轻质混凝土砌块性能的影响，得出轻质混凝土的表观密度、导热系数及强度在不同配合比条件下的变化规律。可以为轻质非烧结混凝土砖的规模化生产提供理论指导和技术支持[9]。

1 试验

1.1 原材料

水泥：P·O42.5，广西柳州市鱼峰水泥厂，比表面积≥300 m2/kg，和易性良好；粉煤灰：主要化学成分为 SiO2、Al2O3、Fe2O3等，柳州市发电厂；页岩陶粒：密度等级为800 kg/m3，湖北黄冈；聚羧酸高性能减水剂：减水率15%～25%，广西新广建化工科技有限公司；聚丙烯纤维：抗拉强度≥500 MPa，弹性模量≥3850 MPa，断裂伸长率10%～28%，广达工程材料有限公司；硬脂酸钙：天津凯迪化学试剂；双氧水：南宁冠得化工有限公司；纳米碳酸钙：上海昊弗化工有限公司生产。

1.2 基本配比

按照水泥、页岩陶粒、膨胀珍珠岩、纳米碳酸钙、聚丙烯纤维掺量、减水剂掺量分别为40%、25%、3%、0.8%、0.05%、0.04%进行配合比设计，水胶比取 0.30、0.35、0.40、0.45；双氧水掺量（按占水泥质量计）取2%、4%、6%、8%；粉煤灰替代水泥掺量取30%、35%、40%。

1.3 试件制作

按配合比，先将普通硅酸盐水泥、粉煤灰、外加剂依次倒入砂浆搅拌机中搅拌1 min，然后倒入所需水量的一半搅拌5 min，接着将页岩陶粒和膨胀珍珠岩倒入砂浆搅拌机并将剩余的水倒入搅拌10 min，最后将双氧水倒入混合料中搅拌5 min。待混合料完全搅拌均匀后，将其分别倒入规格为150 mm×150 mm×150 mm 和 40 mm×40 mm×160 mm 的模具中压制成型，24 h后拆模，经自然养护28 d后制作成轻质混凝土砌块[10]。

1.4 试验仪器及测试方法

101-4型数显式鼓风干燥箱，上海路达实验仪器有限公司生产；TYE-A型数显式电液压力试验机，广州市广材有限公司生产；WE-30型液压式万能材料试验机，无锡市中科建材仪器生产；DRX智能型导热系数测定仪，湖南省湘潭市湘仪仪器有限公司生产；Carl Zeiss SMT EVO MA 25型多功能扫描电子显微镜，德国CarlZeiss公司生产。

轻质混凝土砌块的表观密度依据GB/T 4111—2013《混凝土砌块和砖试验方法》进行测试；导热系数依据GB/T 10294—2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定防护热板法》进行测试；抗压强度按照GB/T 11969—2008《蒸压加气混凝土性能试验方法》进行测试。

2 试验结果与分析

2.1 水胶比及双氧水掺量对轻质混凝土砌块表观密度和导热系数的影响

粉煤灰掺量为35%时，水胶比及双氧水掺量对轻质混凝土砌块表观密度和导热系数的影响见表1、表2。

表1 不同配合比下混凝土砌块的表观密度

表2 不同配合比下混凝土砌块的导热系数

由表1可见，在相同水胶比时，随着双氧水掺量的增加，轻质混凝土砌块的表观密度逐渐降低，且在双氧水掺量为8%时有较低的表观密度，具有较好的保温隔热性能。这是因为在搅拌时双氧水在混合浆体中挥发产生了H2和O2，从而产生许多孔隙，并会因稳泡剂的加入而维持其原有的孔隙形状，固化后在混凝土砌块内部形成了许多微小的孔洞。随着双氧水掺量的增加，气体挥发量也相应提高，故而使得混凝土砌块的表观密度下降。

在双氧水掺量一定时，混凝土砌块的表观密度随着水胶比的增大而逐渐减小。当水胶比在0.35附近时表观密度有较为稳定的趋势。这是因为在不受双氧水掺量变化影响的情况下，水胶比越小，混合料越粘稠，此时浆体的粘稠阻挡了双氧水发泡孔隙的增大，直接影响其形成气泡的能力，故而不能使得混凝土砌块的表观密度明显减小。

由表2可见，在其它掺量保持不变的情况下，双氧水掺量的增加可以降低混凝土砌块的导热系数。而水胶比与混凝土砌块的导热系数之间则没有明显的规律关系。制备的轻质混凝土砌块导热系数大小适中，说明轻质混凝土砌块保温隔热性能良好，可以降低建筑能耗，适用于建筑物室外隔墙。

2.2 水胶比及粉煤灰掺量对轻质混凝土砌块强度的影响

双氧水掺量为8%时，水胶比及粉煤灰掺量对轻质混凝土砌块强度的影响见表3。

表3 不同配合比下混凝土砌块的抗压强度

由表3可见，粉煤灰掺量相同A、B、C组混凝土砌块在养护0～7 d期间强度上升速率较快，而水胶比大的混凝土砌块的强度增长速率反而减慢。此外，混凝土砌块养护7 d后强度增长趋势放缓，但此时水胶比大的混凝土砌块强度增长趋势较快。因此，在混凝土砌块的养护前期水胶比的大小对强度有明显影响，水胶比与混凝土砌块的抗压强度增长呈现负相关，在混凝土砌块的养护后期水胶比与强度增长呈现正相关。其原因在于水胶比小的混凝土砌块在水泥水化前期水化比较充分，故而强度提高快，而在养护后期强度提高幅度较小，可见水胶比大小适中可使轻质混凝土砌块有稳定的强度。

粉煤灰掺量分别为30%、35%、40%的D、B、E组轻质混凝土砌块，在其它条件不变的情况下，粉煤灰掺量的大小对混凝土砌块的不同强度发展阶段有着不同的影响。其中D、B组混凝土砌块在养护0～7d期间强度上升速率较快，其原因是粉煤灰取代水泥的量较少，因为水化初期以水泥的水化反应为主，故而混凝土砌块初期强度主要受水泥掺量的影响。在混凝土砌块养护7d后，E组混凝土砌块的强度上升速率较快，D、B组混凝土砌块水泥水化反应变慢，强度增长趋势放缓，此时，E组混凝土砌块强度比D、B组混凝土砌块强度低。由于在混凝土砌块养护后期，E组混凝土砌块水泥水化产物可与其中的粉煤灰发生火山灰效应，形成高强度的钙矾石，这使得D、B、E组混凝土砌块后期强度相差不大。

2.3 不同水胶比混凝土砌块水化产物的SEM分析

粉煤灰掺量为35%、双氧水掺量为8%时，水胶比分别为0.45与0.35的混凝土砌块养护28 d后孔壁及断面形态2000倍的SEM照片分别图1和图2。

图1 水胶比为0.45的轻质混凝土砌块的SEM照片

图2 水胶比为0.35的轻质混凝土砌块的SEM照片

由图1可以看出，水胶比为0.45的轻质混凝土砌块水化产物整体生长良好，水化产物细小且较为疏松。水化产物间有少量由发泡剂产生的微孔洞，有微量成型的托勃莫来石，伴随粉煤灰反应的进行，小粒网状水化产物出现。

由图2可以看出，在水胶比为0.35的轻质混凝土砌块水化产物中，有微量托勃莫来石、交错的C-S-H凝胶以及少量的纤维素，彼此间有由发泡剂产生的微孔洞，水化产物结晶度好，右下角的C-S-H凝胶成网状，水化产物整体结构紧密，水化程度好。由于制作混凝土砌块时，在混合料中添加了一定比例的粉煤灰，能平均分散在水泥微粒间，可降低混合料的需水量，且粉煤灰具有微集料作用，可分散水泥微粒，加快水泥水化，最终减小了孔隙率，提高了混凝土砌块的整体强度。因此，水胶比为0.35的混凝土砌块水化产物较水胶比为0.45的更加致密。

2.4 不同粉煤灰掺量混凝土砌块水化产物的SEM分析

水胶比为0.35、双氧水掺量为8%时，粉煤灰掺量分别为35%及25%的混凝土砌块养护28 d后的孔壁及断面形态10 000倍SEM照片分别见图3、图4。

图3 粉煤灰掺量为35%的轻质混凝土砌块的SEM照片

图4 粉煤灰掺量为25%的轻质混凝土砌块的SEM照片

由图3可见，粉煤灰掺量为35%的轻质混凝土砌块水化产物孔隙较少，有成型的AFt相、C-S-H凝胶、微量托勃莫来石，水化产物间结构紧密，水化程度好。

由图4可见，粉煤灰掺量为25%的轻质混凝土砌块水化产物中有少量孔隙、微量呈柳絮状的托勃莫来石、C-S-H凝胶及少量的纤维素，未见明显成小堆的石榴子石，水化产物呈现聚集状态、结晶度好但有一定程度的疏松。

总体而言，粉煤灰掺量为35%的混凝土砌块水化产物结构形成整体，较粉煤灰掺量为25%的混凝土砌块水化产物结构致密。造成这种现象的根本原因是：一方面，由于粉煤灰矿物主要形态是球状玻璃体，球状玻璃体填充能力强，能提高混凝土砌块的密实度；另一方面，处于恒温时，虽然粉煤灰水化反应速率不及水泥水化反应速率，且不能保证粉煤灰掺量多的混凝土砌块的早期强度，但在粉煤灰水化后期，粉煤灰掺量提高到一定范围时，其中的活性成分如Al2O3、SiO2分别同水泥水化产生的Ca（OH）2发生反应，生成较多的硅酸钙凝胶，密实了水化产物孔隙，提高了混凝土砌块的后期强度。

3 结论

（1）轻质混凝土砌块的表观密度均随着水胶比和双氧水掺量的增加而呈现下降的趋势，双氧水掺量为8%时有较低的表观密度；在双氧水掺量一定时，水胶比在0.35附近时，混凝土砌块的表观密度较为稳定。

（2）轻质混凝土砌块的导热系数与双氧水掺量之间存在一定的规律关系，提高双氧水掺量可以降低混凝土砌块的导热系数，而水胶比的变化对导热系数的影响不明显。

（3）轻质混凝土砌块的抗压强度增长在混凝土养护前期与水胶比呈现负相关关系，在养护后期呈正相关；而粉煤灰掺量对混凝土砌块的不同强度发展阶段有着不同的影响。

（4）水胶比、双氧水以及粉煤灰掺量的变化对轻质混凝土砌块的热力学和力学性能均有着较大的影响。合理控制水胶比、双氧水以及粉煤灰掺量在一定范围内可协调混凝土砌块的保温性能与力学强度之间的关系。因此，在混凝土配合比的设计以及生产混凝土的现场，应该充分考虑这些因素的影响，选用合适的配合比，充分发挥其对混凝土砌块热力学和力学性能的促进作用。