超轻质泡沫混凝土与烧结页岩复合保温砌块的制备及性能

夏艳梅 马 立

(西南科技大学土木工程与建筑学院 四川绵阳 621010)

目前，建筑能耗在社会总能耗中占有极大比例。中国建筑节能协会2020年发布的《中国建筑能耗研究报告》[1]表明，2018年中国建筑能耗为292.71×109GJ，占全国能源消费总量比重为21.7%。建筑领域实现双碳目标的重要途径之一是研发新型建筑墙体材料[2]。

在中国，超过75%的陆地表面被沉积岩覆盖，其中页岩占比高达70.5%[3]。页岩储存量丰富，易于开采，烧结页岩类制品具有优良的热工性能，是建筑墙体最有前景的新型材料之一[4]。经调研，普通烧结页岩空心砖保温性能无法满足夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准。提高烧结页岩空心砌块热工性能的主要技术途径是复合保温。

泡沫混凝土由于其轻质、保温隔热、耐火等特性受到人们重视[5]。Roberz等[6]研究了作为建筑围护结构中新型建筑材料超轻质泡沫混凝土的使用性能，指出超轻质泡沫混凝土材料是一种适合建筑结构保温的理想材料。文献[7-8]借助压泵法和图像分析技术Image-Pro plus等测试手段，考察粉煤灰对泡沫混凝土微观孔的改善作用，研究发现适量掺入粉煤灰可以减少泡沫混凝土气孔中的多害孔，提升泡沫混凝土的抗渗能力。杭美艳等[9]研究发现，用粉煤灰和矿渣粉取代部分水泥，水胶比为 0.41 时，形成的泡沫混凝土性能稳定，不易塌模。宋强等[10]研究泡沫混凝土密度与导热系数的关系得出混凝土的密度、孔隙率、发泡剂和掺合料是影响导热系数的主要因子，其中密度对泡沫混凝土导热系数的影响尤为明显。

本课题提出在优化烧结页岩空心砌块孔型结构和构造尺寸的基础上，填充无机保温材料，制备一种超轻质泡沫混凝土与烧结页岩复合的高性能保温砌块。通过探讨粉煤灰掺量、水胶比、双氧水掺量对超轻质泡沫混凝土热工性能的影响确定了原料的最优配比，实测了最优原材料配比复合砌块的热工性能与力学性能，有助于超轻质泡沫混凝土在自保温墙体材料中的推广应用。

1 实验

烧结页岩复合保温砌块由芯材和基材两部分组成，选择传统烧结页岩作为基材烧制框组合结构，芯材为化学发泡方式制备的超轻质泡沫混凝土。

1.1 超轻质泡沫混凝土制备

1.1.1 超轻质泡沫混凝土原料

P.O 42.5R普通硅酸盐水泥(OPC)，符合《通用硅酸盐水泥》(GB 175—2020)要求；二级粉煤灰，河南铂润铸造材料化工厂；硅灰，SiO2质量分数94%，河南义翔新材料化工厂；稳泡剂，白色粉末，广东凯思普化工厂；促凝剂，碳酸锂，白色粉末，河南义翔新材料化工厂；憎水剂，硬脂酸钙，钙质量分数6.0%～7.0%，游离酸(以硬脂酸计)≤0.5%，广东鼎海塑胶化工厂；减水剂，萘系减水剂，黄棕色粉末，硫酸钠质量分数18%，山东优索化工厂；纤维，聚丙烯纤维，长度15 mm，断裂伸长率≥15%，河北晴俊化工厂;发泡剂,双氧水，体积分数30%,水浴加热至65 ℃；自来水，水温为45 ℃。

表2 P.O 42.5R 水泥的物理性能Table 2 Physical properties of P.O 42.5R cement

1.1.2 超轻质泡沫混凝土配合比设计

超轻质泡沫混凝土外加剂配合比(以水泥质量为1)如表3所示。

表3 超轻质泡沫混凝土外加剂配合比Table 3 Admixture ratio of ultra-lightweight foamed concrete ω/%

试验原料配比参考文献[11]进行调整设计。粉煤灰、双氧水、水胶比是影响导热系数的重要因素，所以粉煤灰、双氧水、水胶比选择不同掺量(质量分数，下同)和等级，芯材部分表观密度控制在120 kg/m3，其配合比设计见表4。按表4配方制备13组试样，规格为100 mm×100 mm×100 mm，外加剂共26.4 g。

表4 超轻质泡沫混凝土原料配合比Table 4 The mixing ratio of ultra-lightweight foamed concrete m/g

1.2 烧结页岩复合保温砌块基体设计

基于工程应用和生产条件，采用数值模拟方法对烧结页岩空心砖进行优化设计，尺寸规格为240 mm×230 mm×200 mm，设计8排孔。

1.3 烧结页岩复合保温砌块芯材灌注

(1)浇筑前准备：先清理基体残渣，使浇筑面工作台保持干净；基体提前3 d进行洒水预湿处理，以增强浇筑层与基层之间的结合力，防止基体吸收浆内水分引起泡沫破灭。

(2)生产泡沫混凝土：按配比称量原料、混合均匀，以20～40 r/min的速度搅拌浆液，预制泡沫混凝土。

(3)灌注成型：在砌块底部铺防漏垫层，将制备的泡沫混凝土浆灌入砌块大孔中，充分发泡后，将溢出的部分刮掉。

(4)养护：待浆体初凝，覆盖薄膜，保持浆体水分并防裂，薄膜表面洒水2～3次，1 d后将薄膜取下，自然养护4 d。

超轻质泡沫混凝土灌注流程如图1所示，烧结页岩复合保温砌块外观如图2所示。

图1 超轻质泡沫混凝土灌注流程Fig.1 The pouring process of ultra-lightweight foamed concrete

图2 烧结页岩复合保温砌块外观 Fig.2 Appearance of sintered shale composite insulation block

1.4 测试方法

泡沫混凝土的表观密度根据《蒸压加气混凝土性能试验方法》(GB/T 11969—2020)测试，烘干至恒重后测量。

泡沫混凝土导热系数采用XIATECH TC3000E导热系数仪测定，仪器测试范围0.001～10 W·m-1·K-1，测试结果相对误差不超过±3%。

复合保温砌块抗压强度根据《混凝土砌块和砖试验方法》(GB/T 4111—2013)测试，测试仪器为WHY-2000型压力试验机。

围护结构热工性能参考《绝热—稳态传热性质的测定—标定和防护热箱法》(GB/T 13475—2008)测试，测试条件为：热侧温度40 ℃，冷侧温度5 ℃，温差保持35 ℃。

2 结果与讨论

2.1 超轻质泡沫混凝土性能研究

宋强等[10]研究表明：泡沫混凝土原料中粉煤灰掺量、发泡剂掺量、水胶比是影响其导热系数的主要因素。粉煤灰影响泡沫混凝土水化产物和孔隙分布，发泡剂可以改变泡沫混凝土内在孔隙及孔径大小，水胶比影响浆料的流动性和气孔成型率。本研究制备的泡沫混凝土断面结构如图3所示。在单一因素研究基础上，我们进一步分析了多因素复合对泡沫混凝土导热系数和表观密度的影响。

图3 泡沫混凝土断面图Fig.3 Section view of foamed concrete block

2.1.1 粉煤灰掺量对泡沫混凝土性能的影响

粉煤灰是发电厂生产过程中产生的工业固体废弃物，含有大量氧化铝和硅，由各种微小颗粒混合而成，其中大部分是球形玻璃体。用粉煤灰取代部分水泥，可以减少水泥厂生产过程中的二氧化碳排放，有助于降低水泥厂产生的污染，同时粉煤灰的细度有助于提高混凝土性能[12]。如图4所示，水胶比相同时，随着粉煤灰掺量增加，泡沫混凝土表观密度和导热系数均呈现下降趋势。当粉煤灰掺量由20% 增加到25%时，表观密度降低幅度超过13%；粉煤灰掺量由25% 增加到30%时，泡沫混凝土表观密度下降速度较为缓慢，为10%，说明粉煤灰掺量大于25% 后继续递增，对表观密度影响开始变小。当粉煤灰掺量30% 时，烘干后的试件导热系数达到0.059 W·m-1·K-1，与10% 粉煤灰掺量的导热系数0.068 W·m-1·K-1相比，其导热系数下降了13.2%。表观密度和导热系数下降的原因可能是由于粉煤灰对泡沫混凝土骨架产生了影响：首先，粉煤灰掺入后减少了水泥用量，粉煤灰结构疏松，其密度小于水泥密度，所以泡沫混凝土的表观密度会随之降低；其次，因为部分粉煤灰颗粒为球型玻璃体，属于多孔结构，所以热量传输过程会受到阻碍，因此泡沫混凝土导热系数随着粉煤灰掺量增加而减小。

图4 粉煤灰掺量对泡沫混凝土表观密度和导热系数的影响Fig.4 Influence of fly ash content on density and thermal conductivity of foamed concrete

2.1.2 双氧水掺量对泡沫混凝土性能的影响

发泡剂(双氧水)决定了泡沫混凝土的内部孔洞结构，并最终影响其性能。由图5可知，随着双氧水掺量由7% 增至12%，泡沫混凝土表观密度下降明显，降低了55.2%，导热系数降低了26.2%，尤其是双氧水掺量10.0%～11.7% 时，试件的表观密度及导热系数下降幅度最大。经测试双氧水掺量为11.7% 的试件表观密度最低，达到103 kg/m3，导热系数达到 0.056 W·m-1·K-1，符合《泡沫混凝土》(JG/T 266—2011)行业标准对超轻质泡沫混凝土性能的要求。文献[13-14]表明，当泡沫混凝土达到相对稳定状态时，若继续增大掺量，会加快双氧水反应速率，造成孔径变大，连通孔数量增多，一旦连通率增高，泡沫混凝土内部孔洞中气体对流传导作用增大，反而使导热系数变大。

图5 双氧水掺量对泡沫混凝土表观密度和导热系数的影响Fig.5 Influence of hydrogen peroxide content on density and thermal conductivity of foamed concrete

2.1.3 水胶比对泡沫混凝土性能的影响

在泡沫混凝土制备过程中，用水量直接影响浆料发泡程度，由图6可知，泡沫混凝土的表观密度及导热系数与水胶比有明显联系。试验水温控制在45±2 ℃，发泡时间保持为3 min，试验结果显示，当水胶比低于0.53时，浆料稍稠，会导致混凝土搅拌不均匀，最终生成的泡沫混凝土出现气孔大小不一、分布不均的现象，试件表观密度达到140 kg/m3。随着水胶比的增加，泡沫混凝土表观密度和导热系数均下降，当超过0.55时，浆料流动性过大，会导致发泡反应剧烈，形成大量大孔、连通孔，出现塌模现象，反应极不稳定。水胶比为0.53～0.55形成的气泡分布均匀近似圆形、孔洞大小适宜，干表观密度在120±15 kg/m3，导热系数0.056±0.003 W·m-1·K-1，此时的泡沫混凝土稳定性较强，性能较好。

图6 水胶比对泡沫混凝土表观密度和导热系数的影响Fig.6 Influence of water-binder ratio on density and thermal conductivity of foamed concrete

2.1.4 泡沫混凝土密度与导热系数的关系

综合以上分析，发现泡沫混凝土导热系数与表观密度高度相关。图7为泡沫混凝土导热系数与表观密度的拟合曲线。从图7可以看出，随着表观密度的增加，泡沫混凝土的导热系数也呈增大趋势。图7中的拟合曲线接近于线性关系，而指数关系不明显，是因为所测试的泡沫混凝土表观密度集中在低密度100～250 kg/m3，属于超轻质泡沫混凝土，在该范围内，随着密度的增大，对传热路径的影响并不大。

图7 泡沫混凝土密度与导热系数关系拟合曲线Fig.7 Fitting curve of foam concrete density and thermal conductivity

经上述分析，最终确定最优配比的粉煤灰掺量为30%，双氧水掺量为11.7%，水胶比0.55。经多次重复实验测试，泡沫混凝土导热系数0.056～0.062 W·m-1·K-1，表观密度100～115 kg/m3，满足无机保温材料性能要求。

2.2 烧结页岩复合保温砌块性能研究

在夏热冬冷地区，建筑墙体厚度基本限定在240 mm，加厚砌块尺寸和组砌复合砌体很难实现保温性能的增加。近年来关于自保温砌块研究成果[15-16]和相关规范表明，在保证强度的前提下，孔洞率与导热系数呈线性关系。文献[17]测定了在孔洞率相同情况下不同孔型对平均传热系数的影响，发现矩形孔的平均传热系数最小。谢厚礼[18]的研究结果表明，空心砖热流方向孔排数越多，孔洞排布错乱，其当量导热系数越小，当砌块中的空气层宽度减小到10 mm左右时，间层内空气热导率几乎与静止空气的热导率相同。

根据《烧结空心砖和空心砌块》(GB/T 13545—2014)要求并参考相关研究，设计出中间预留4个孔洞灌注泡沫混凝土(孔宽10 mm，外壁12 mm，肋宽8 mm)、孔洞率为52%的烧结页岩空心砌块，对其热工性能进行分析。

2.2.1 理论计算

根据《民用建筑热工设计规范》(GB 50176—2016)附录C热工设计计算公式，对复合保温砌块热阻进行计算。烧结页岩复合保温砌块尺寸为240 mm×230 mm×200 mm,考虑空气导热、对流、辐射等影响，15 mm的空气当量导热系数取0.093 W·m-1·K-1，38 mm 的空气当量取0.217 W·m-1·K-1。材料导热系数如表5所示。计算简图如图8所示。

表5 墙体试件材料热工性能参数Table 5 Thermal performance parameters of retaining wall specimens

图8 复合保温砌块热阻计算简图Fig.8 Calculation diagram of thermal resistance of composite insulation block

其中：Rou为与热平行方向通道热阻；fa，fb，…fq为与热流平行各部分面积占总面积的百分比；Roua，Roub，…Rouq为与热流平行方向各部分的热阻，m2·K·W-1。

Rou，Rol热阻值如表6、表7所示。

表6 与热流平行方向通道热阻Table 6 Thermal resistance of channel parallel to direction with heat flow

表7 与热流垂直方向通道热阻Table 7 Thermal resistance of channel in vertical heat flow

各部分外表面换热热阻Ro=0.11 m2·K·W-1，内表面换热热阻Ri=0.05 m2·K·W-1。

理论计算得出传热系数R=0.75 W·m-2·K-1。

2.2.2 热工性能测试

采用项目组研制的配套保温砂浆，将烧结页岩复合保温砌块按照测试要求砌筑成1 m×1 m砌体，砌体内外侧各抹10 mm保温砂浆，形成热工性能测试用试件，该试件自然养护28 d后使用防护热箱热传递性质检测系统进行测试。

砌筑完成后，将温度传感器用锡箔纸粘贴到测试试件表面，连续测试 3 d，待传热稳定后，测试出的R2值与前24 h测试的R1值误差小于5%，测试结束。

由图9可以看出，当墙体传热达到稳定时，墙体冷热表面温度差值不大，热流会有微小波动。最终得到测试墙体的传热系数为0.69 W·m-1·K-1，达到0.7级，与理论计算结果相差8%，在允许误差范围(0～10%)内。表明该复合保温砌块保温效果好，满足夏热冬冷地区建筑节能。

图9 温度和热流变化曲线图Fig.9 Curves of temperature and heat flow

2.2.3 力学性能测试

如图10(a)所示，在受压破坏过程中，烧结页岩空心砌块承受主要压应力，随着压应力持续增加，中间泡沫混凝土孔洞逐渐破坏、框架结构外壁在竖肋处慢慢出现裂缝，破坏形态如图10(b)所示。从表8可以看出，烧结页岩复合保温砌块平均抗压强度为5.78 MPa(变异系数≤0.21)，强度等级达到MU7.5。

图10 烧结页岩复合保温砌块抗压强度测试Fig.10 Test of compressive strength of sintered shale composite insulation block

表8 烧结页岩复合保温砌块干密度及抗压强度Table 8 Dry density and compressive strength of sintered shale composite insulation block

3 结论

以普通硅酸盐水泥为胶凝材料，掺入粉煤灰、硅灰及外加剂，应用化学发泡方法制备了一种超轻质泡沫混凝土，将其填充入烧结页岩空心砌块中，研制成一种高性能烧结页岩复合保温砌块。(1)根据不同原料(粉煤灰、水胶比、双氧水)配比对超轻质泡沫混凝土热工性能的影响，确定超轻质泡沫混凝土最佳配比为：粉煤灰质量分数30%，双氧水质量分数11.7%，水胶比0.55。超轻质泡沫混凝土的导热系数为0.056～0.062 W·m-1·K-1，表观密度100～115 kg/m3。(2)烧结页岩复合保温砌块砌筑墙体传热系数测试值为0.69 W·m-1·K-1，较普通烧结页岩空心砖块热工性能提升42.5%，达到传热系数0.7 级;28 d平均抗压强度为5.78 MPa，强度等级达到MU7.5。满足夏热冬冷地区建筑节能规范要求，可以作为墙体自保温系统的应用材料。