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浙江安徽江苏联合厂家:陶粒制备陶粒蒸压加气混凝土砌块技术研究


目前蒸压加气混凝土在工程应用中出现的开裂问题制约其在工程中的应用,并阻碍了其核心技术的推广。本课题通过在蒸压加气混凝土中掺入陶粒制备陶粒蒸压加气混凝土,解决蒸压加气混凝土抗压强度低、干表观密度、干燥收缩、导热系数大以及孔结构形成等问题。研究在蒸压加气混凝土基础上置入骨料,通过原材料配合比优化设计,制浆工艺、养护制度工艺等优化设计,研究不同材料掺量对蒸压加气混凝土性能的影响,预养阶段温湿度的调整对砌块发气的影响以及蒸压养护节段工艺参数的调整对砌块强度的影响;利用 Matlab 图像分析软件对陶粒蒸压加气混凝土孔结构图像进行二值化处理,利用 IPP 软件对陶粒蒸压加气混凝土孔结构分布进行数据分析,对陶粒蒸压加气混凝土的宏观孔结构进行了较为精确的孔面积分布、平均孔径大小等孔信息进行表征。试验结果表明:陶粒掺量和水泥掺量是影响陶粒蒸压加气混凝土强度的主要因素;陶粒掺量和水料比是影响保温性能、体积稳定性的主要因素。陶粒蒸压加气混凝土的最佳配合比为:水料比 0.63,水泥掺量占钙质材的 20%,铝粉占干物料的0.60‰,陶粒掺量占体积百分比为 20%,石灰占钙质材的 80%。制得具有强度高(立方体抗压强度 5.8MPa)、质量轻(干表观密度 616kg/m3)、比强度大(9MPa.cm3/g)、隔热保温性能好(导热系数 0.153W/m.k)、收缩小(干燥收缩值 0.188mm/m)的高于 B06 级优等品(A)蒸压加气混凝土。陶粒蒸压加气混凝土砌块的主要特征是多孔性,其孔的分类特征直接影响着加气混凝土的微观结构和性能。本文研究了陶粒蒸压加气混凝土砌块在静养阶段温湿度的变化对孔结构的影响,试验结果表明:当静养阶段湿度不变温度不断增加时,温度为 70°C时孔结构面积和孔半径分布都很均匀;当静养阶段温度不变湿度不断增加时,在湿度为 0%R.H 的状态铝粉发气速度较慢,砌体孔结构随着湿度的增加而发生明显的变化,通过大量的试验最终确定最佳湿度为 90%R.H。本课题结合加气混凝土和陶粒混凝土的优点,制备出具有表观密度小、保温隔热性能好、节能环保等优点的陶粒蒸压加气混凝土,是一种新型环保建筑材料。综合利用发电厂废弃物粉煤灰,实现经济效益和环境保护相结合,符合我国走可持续发展的道路,必将成为我国建筑节能新型环保墙体材料之一

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关键词:陶粒蒸压加气混凝土  抗压强度  导热系数  干燥收缩 温度  湿度  孔结构
XIII引   言世界上越来越多的国家正在研究和应用蒸压加气混凝土[1-2],它是一种新型墙体材料,在我国已经完全取代了黏土砖,大大减小了土地的消耗,降低了环境的污染,目前我国新型墙体材料有 1/3 左右被蒸压加气混凝土所占据,其研究和应用深得国内外人们的关注和认可。
其中的一大优势为蒸压加气混凝土的研发与应用使得工厂废弃物粉煤灰得到了利用,粉煤灰的大量排放与堆放不仅占用了大面积的土地,而且对环境造成了极大的污染,粉煤灰的充分利用不仅使环境得到改善,同时作为胶凝材料代替了大部分水泥,提高了性能,降低了生产成本。在工程中有着广泛的应用,主要适用于框架结构的填充墙、内隔墙,也可应用于复合墙体和屋面的保温、隔热[3-5]。蒸压加气混凝土的研发和应用虽然有着诸多优点,由于受到其自身因素,施工技术以及各种外界不良因素的影响,墙体各种类型的开裂已经是很普遍的现象。墙体裂缝的出现严重影响了建筑物的美观、墙体的整体性能、保温隔热性能,逐渐影响到了建筑物的使用寿命。因此蒸压加气混凝土在我国及世界的推广应用受到了极大地阻碍,现阶段解决墙体开裂是首当其冲的问题。除此之外,我国是一个建筑能耗大国,占社会总能耗的 30%,远远高于发达国家,许多建筑达不到节能标准,能源的消耗同样阻碍了我国经济的可持续发展[6-8]。
总之,新型墙体材料出现各种弊端问题的解决需要我们的共同努力。目前我国许多高校和企业对蒸压加气混凝土展开了深入研究[6],陶粒是一种轻质多孔材料,与加气混凝土有良好的粘结作用,陶粒的弹性模量远高于加气混凝土,其原理是通过陶粒蒸压加气混凝土的增强作用机理和减缩作用机理,能够有效地抑制开裂,提高其力学性能[9],增加建筑物的使用寿命。本课题通过选择不同掺量的轻骨料陶粒,通过大量的探索试验确定初步配合比,通过正交设计试验对初步配合比进行优化设计、通过对预养阶段温湿度与蒸压养护生产工艺的不断调整,研制出一种抗压强度高、导热系数低、干燥收缩小的陶粒蒸压加气混凝土。使得蒸压加气混凝土砌块的节能目标可以达到 50%以上。发展性能好、功能全面、经济效益好的新型墙体材料,不仅是建筑材料发展的总趋势,也是坚持我国保护环境的基本国策,走可持续发展道路必然要求

第一章 绪论1第一章 绪论1.1 蒸压加气混凝土砌块概况

1.1.1 概述建筑是大量消耗能源和资源的重要领域。目前我国每年新建建筑只有 10%-15%达到国家制定的强制性节能标准,85%以上为高耗能建筑,给社会造成了过重的能源负担和严重的环境污染,影响我国经济建设可持续发展。随着我国居民生活水平的不断完善,建筑耗能占总耗能将成为国家的能源负担[10]。蒸压加气混凝土砌块是目前国内外应用最广的适应建筑节能新型环保墙体材料之一,用它砌筑墙体能减轻建筑物自重,降低综合造价。但近几年这种新型墙体材料在使用过程中屡见开裂、渗漏、保温隔热性能降低的现象[1-2],从而制约了该材料的推广运用,因此开发研制体积稳定性好、保温隔热性能好、比强度高的外墙自保温墙体材料势在必行。

1.1.2 蒸压加气混凝土在国外的发展状况蒸压加气混凝土在国外的发展和研究现状加气混凝土最先出现于捷克,1889年出现了 HCl 和 Na2CO3合成的加气混凝土,霍夫曼获得了此项专利。1919 年出现了加入金属的加气混凝土。1923 年,瑞典人埃克森以铝为发气剂为加气混凝土大规模的工业化发展作出了重大贡献。随着经济的发展,带动科技水平的提高,各种工艺条件逐渐具备工业化,最终第一座加气混凝土厂在瑞典简建成[11-13],为加气混凝土的发展划上里程碑的意义。加气混凝土的发展比较缓慢,1950 左右只有 40 多个国家可以生产加气混凝土,而且混凝土的产量很低。随着经济的发展。20 世纪 80 年代中期,加气混凝土生产相对普遍一些,产量有所提高,世界年产超过 400 万立方米。由于不同区域加气混凝土的发展不经相同,存在不平衡趋势,所以加气混凝土发展缓慢,甚至有衰退的趋势。日本经过多次技术改进,引进其它先进技术,使日本成为加气混凝土领军人物。同时波兰在生产技术经过多次变革,大力发展加气混凝土,也使混凝土的发展更近一层。加气混凝土的制备工艺有很多,工艺技术是重中之重,随着工艺的改革,加气混凝土在实际生产中得到快速的发展。在瑞典有“伊通”和“西波列克斯”两大专利和对应的工厂。欧美一些发达国家在传统工艺的基础上进行创新,改良现在的生产工艺,研制出了适合自己本国条件的技术专利,大大促进了不同地区加气混凝土的发展,削弱其发展不平衡的趋势

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1.1.3 蒸压加气混凝土在国内的发展状况在中国,加气混凝土的发展十分缓慢,这与中国的国情息息相关,在 60 年代中期才在北京建立第一个加气混凝土场,因为当时的社会条件限制,各种基建条件混乱,不能自己设计制备工艺,所以只有北京的加气混凝土场能够大批生产混凝土。由于从瑞典引进的西波列克斯技术与我国国情不相符,阻碍加气混凝土在我国的发展。中国是个以煤碳为主的国家,随着经济的发展,对煤炭的需求更为强大,粉煤灰的排放量逐年增多,甚至达到 1 亿吨,如何利用粉煤灰成为中国能源发展的重中之重,所以我国采用的是石灰一粉煤灰(掺一部分水泥)的原材料路线。中国的国情比较特殊,由于中国基本国情的需要,早期的加气混凝土的研究都集中原材料上面,各种工艺技术相对比较完善。随着经济的发展,原材料技术已经不能满足我们的生活需求,我们想要改变这一路线就必须自己研究符合自己国情的技术。国家对此成立了以清华大学等为主的研究小组,对加气混凝土的配方、性能和应用做了大量的研究,加气混凝土的生产工艺、基本材性和加气混凝土砌块等生产技术是研究的重中之重,并取得一定的效果。虽然加气混凝土在中国发展了一段时间,我们也有自己的加气混凝土场,但加气混凝土的发展仍然很不理想,生产技术和生产效率比较低,一些主要的生产技术,生产工艺等部分还处在发展状态,尤其是坯体切割的机械化程度,离世界发展水平还有很大差距[9]。

1.1.4 蒸压加气混凝土在建筑中的应用复合保温墙体有很多体系,按照常规可以分为三种情况,第一种外墙外保温墙体体系。外墙外保温说白了就是加入保温材料,使承重墙具有保温和隔热的作用,但是保温材料的选取比较挑剔,通常选的是聚苯板和保温砂浆。外墙外保温墙有很多优点,它能够保温散热,减少高温带来的破化,增加材料使用年限,而且节省建筑空间。但施工质量要求高,技术复杂,成本较高,不能和建筑物的使用寿命相匹配。第二种是外墙内保温墙体体系。这种体系最大的优点是保温墙体体系施工难度不大,价格也便宜。但容易产生“热桥”,造成结露而使墙体出现霉斑,影响美观。占用建筑使用面积影响保温层的使用寿命。最后一种是夹心复合保温墙体体系。但这种体系受各种技术的限制,容易产生“冷桥”现象。自保温墙体体系与复合保温墙体体系相比,有自己的优点,首先它的成本和性能较好不受施工质量的影响,其次它的操作比较简单,避免二次装修的破坏,最后它的寿命比较长,与建筑物同寿命,同时适合高建筑使用,是个比较优异的体系。在我国现阶段经济基础条件下,外墙外保温和墙体自保温仍是二大主要保温措施。

但从墙体保温体系的发展趋势来看,墙体自保温体系因其自身的优点必将成为主要的保温措施。为了确保建筑节能目标的实现,1.1.5 蒸压加气混凝土所面临大量工程质量通病随着环境保护与可持续发展越来越成为当今建筑业的重要问题,加气混凝土作为集高强、保温隔热、质轻、可加工性强等优点为一体的建筑材料,使得建筑业更为有效、节能、环保。然而,由于加气混凝土本身特有的多孔结构和吸水特性,在应用中与自身各种弊病越来越多地体现出来,比较普遍的质量问题如:变形开裂、保温性下降等,严重影响了建筑物的美观和使用功能,不利于新型建筑墙体材料的进一步发。研究使用新型结构,发展新型墙体材料是全国乃至整个世界建筑节能面临的主要课题。传统的粘土砖热工性能差并且在制备过程中浪费可耕地资源、能耗高、且在烧制时产生大量的有害气体,随着国家墙体材料的发展,粘土实心砖已限制使用。目前应用较多的自保温墙体材料主要有加气混凝土砌块、多孔砖、轻集料混凝土小型砌块等[14-16]。外墙自保温是依靠墙体本身的热阻满足传热系数和热惰性指标要求达到保温隔热效果,施工方便且与建筑物同寿命、耐久性较好,自保温体系有明显的优点必然成为今后主导。
1.2 研究的背景和意义
1.2.1 陶粒蒸压加气混凝土砌块的概况陶粒是经过多道工序制成的一种性能较好的人造轻骨料。它具有表观密度小、导热系数小、防火、防腐、化学稳定性好、无毒无味等特点,是良好的保温、隔热、吸音、耐腐蚀的建筑材料。根据不同的原材料生产出来的陶粒可分为粘土陶粒、页岩陶粒和粉煤灰陶粒。陶粒蒸压加气混凝土砌块是用以陶粒为骨料,粉煤灰、水泥、石灰为胶凝材料,掺以适量添加剂,以铝粉作为发气剂,经加水搅拌、浇注成型、发气膨胀、预养切割,再经高压蒸汽养护而成的多孔硅酸盐砌块[17-20]。是陶粒混凝土与加气混凝土的结合,其具有密度轻、强度高、收缩率小、吸水率低等优点,且生产工艺简单,设备、基建投资规模小。目前该新型墙体材料在国内尚处于探索最佳配合比阶段,对陶粒蒸压加气混凝土配方和生产工艺进行系统研究和开发很有必要。陶粒加气混凝土有如下优点:
①干表观密度为 450~750Kg/m3,仅为红砖的 1/3,混凝土的 1/4,可以减轻建筑物的自重,
②导热系数为 0.11~0.18W/m²K,保温能力是粘土砖的 3~4 倍,普通混凝土的 4~8 倍,在有些地区,240 mm 厚陶粒加气砌块墙体即可达到节能 50%的要求。

陶粒加气混凝土砌块可做到 B07 级,其抗压强度>7.5 MPa,因此其砌体的强度利用率高,同时还具有良好的锚固力。

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④陶粒加气混凝土砌块内有大量的气孔,具有隔音和吸音双重功能,适用于对吸声有特殊要求的建筑墙体。
⑤陶粒加气混凝土砌块生产过程中无废气、废水、废渣等产生,能达到节能、节地、节材/利废的目的。
1.2.2 陶粒蒸压加气混凝土的应用前景陶粒加气混凝土在我国一些南方城市发展迅速,像武汉、广州、福建等一些省会城市是陶粒加气混凝土的生产大市,光武汉市一年的年产量大约有 200 万立方米,占全国产量的五分之一,是当之无愧的陶粒加气混凝土生产冠军城市,除此之外广东、福建等地产量也非常高。随着社会的发展,节能减排、低碳环保是各国发展的理念,中国也不能避免,中国一些沿海城市为我国建筑的发展作出了表率,建筑体系发生了转型,框架结构成了建筑发展的流行趋势。这种转型适应时代发展,为新型节能材料发展提供良好的条件。蒸压加气混凝土按性能可以分为两类:一个是多层混合结构,它的主要优点是保温性能好,另一个是钢筋混凝土框架结构,它的优点是品质轻,适合高层建筑[21-25]。随着加气混凝土工业的不断发展,建筑节能设计标准也在不断提高。加气混凝土存在强度低,保温隔热性能不能充分利用,干燥收缩大,墙体容易产生裂纹等问题,优化加气混凝土的各种性能是亟待解决的重大课题,因此研制开发新型高效加气混凝土产品迫在眉睫。陶粒加气混凝土结合了陶粒混凝土和加气混凝土的优点,既保持了加气混凝土的良好性能,又具有自身独特的优势。其质量轻抗震性好,施工又简便,尤其在夏热冬冷地区,自保温系统必然会取代外墙外保温系统,避免了保温层的多次返修和更新,不存在后顾之忧,不仅节省了工程费用而且维护了建筑寿命,具有极为广阔的应用前景和发展空间。1.2.3 陶粒蒸压加气混凝土国内研究状况我国对陶粒轻骨料的研究起步较晚,最早开始于 20 世纪 50 年代,轻质高强陶粒混凝土的研究始于七十年代。天津建筑科学研究所成功的在实验室配制出 LC40 高强粉煤灰陶粒混凝土。使得新型墙体材料的研发有了新的突破。目前大部分学者将研究重点放在陶粒混凝土的配合比研究和机理研究上来,不断地优化改善陶粒混凝土的性能:从前期整体机理的研究到现阶段着重对陶粒的研究,研究内容不断地深化具体化。
1.2.4 陶粒蒸压加气混凝土国外研究状况经过 100 多年的发展,用陶粒取代混凝土中的粗细骨料生产出的陶粒混凝土,目前已有较为成熟的生产技术,陶粒混凝土产品在建筑领域大规模使用。国外开始开发研究轻质骨料早在 19 世纪,通过不断地研究不断地探索从起初的一些天然轻质材料发展到一些轻质陶粒。陶粒混凝土的应用早期主要用作大型墙板和砌块等非承重结构。直到上个世纪 60 年代中期,美国采用陶粒混凝土建造了 52 层 218 米高的休斯敦贝壳广场,从此高性能陶粒混凝土受到了高度重视并且开始在高层建筑中得到推广应用。在欧洲,挪威使用结构陶粒混凝土建成了许多座大桥包括当时悬臂桥跨度的世界纪录的两座悬臂桥。丹麦、奥地利等国结合自己本国环境条件生产出了具有较好的保温性能的陶粒混凝土。日本从二战后就开始使用陶粒混凝土,并积极研发高性能骨料,并取得了卓有成效的研究成果。目前,外国学者也在对陶粒混凝土做着不懈的研究,他们都为陶粒混凝土工程发展做出了不可磨灭的贡献[23]。1.3 本课题研究的内容最近几年,根据我国建筑业发展的需要,研制轻质高强的的承重保温混凝土砌块是亟待解决的问题,目前一些研究单位研制出了陶粒蒸压加气混凝土砌块,可以达到 50%节能的现行节能规范要求,它的抗压强度可以达 5.8MPa,导热系数为0.18W/(m·k),不过该砌块的造价过高,不符合节能利废可持续发展的要求。因此在全国大多数地区的研究停滞不前,所以现阶段更值得对陶粒蒸压加气混凝土配方和生产工艺进行系统研发[25-28]。
为了减少耕地的消耗,黏土砖已经全面禁用。利用发电厂废弃物粉煤灰,在保证良其好性能的前提下,研发一种新型墙体材料符合节约能源、保护环境、美观又耐久、能够发挥良好的社会效益和满足市场需求。目前蒸压加气混凝土在使用过程中产生的裂缝,不仅严重影响墙体外观质量,裂缝是引起渗漏最主要的原因,严重影响建筑物的使用寿命和使用性能,从而引起墙体含湿量大幅度提高,墙体的保温隔热性能会受到显著降低。制约加气混凝土工程应用的核心技术问题是墙体的开裂,在北方寒冷地区冻融破坏使墙体在干燥和收缩之间交替循环,引发墙体开裂,也是制约其发展的又一重要因素。本文以水泥、粉煤灰、石灰为胶凝材料,轻质高强陶粒为骨料,采用铝粉发泡技术,掺入一定量蒸压加气蒸压,并对生产工艺不断调整优化,制作出陶粒蒸压加气混凝土,寻求到满足产品性能要求的较优配合比。本课题通过在普通粉煤灰蒸压加气混凝土中掺入陶粒制备陶粒加气混凝土,解决其抗压强度、干表观密度、干燥收缩导热系数问题,并进行机理分析和效益分析
设计思路:查阅文献→试验准备→探索试验→正交设计试验→验证试验→预养工艺探索试验→机理分析→效益分析→结论通过对陶粒加气混凝土的材料特性、生产工艺、配合比设计、蒸压养护制度、机理分析等方面进行分析,研制出达到技术指标的陶粒加气混凝土和最佳生产工艺控制参数[29-31]。研究技术路线如下
第二章 陶粒蒸压加气混凝土砌块的试验原材料及试验方法7第二章  陶粒蒸压加气混凝土砌块的试验原材料及试验方法2.1 试验原材料2.1.1 粉煤灰表2.1粉煤灰主要化学组成Tab.2.1 Chemical composition of fly ash名称含量/%SiO2Fe2O3Al2O3CaOMgOSO3LOSS粉煤灰56.685.1819.842.43.090.3415.88我国粉煤灰排放量居世界首位,仅电力工业每年排放的粉煤灰已达一亿多吨,而综合利用率只有 42%左右,远远低于一些发达国家粉煤灰的资源化利用率,可见我国粉煤灰的利用范围还不够广泛。在蒸压加气混凝土生产中,粉煤灰兼有集料和胶凝材料的双重作用。在此以粉煤灰取代水泥,降低了生产成本,不仅可以起填充密实作用,还具有一定的活性,在蒸压养护条件下可以和水泥的水化产物发生二次反应,使砌块的后期强度提高。粉煤灰提供的SiO2和 Al2O3与CaO 反应生成水化硅酸钙和水化铝硅酸钙使加气混凝土获得强度。粉煤灰中的硅、铝质玻璃体处于一种暂时稳定的“介稳状态”,在碱激发和硫酸盐激发下,可以生成 C-S-H 凝胶和 AFt。用于加气混凝土的粉煤灰质量标准应达到 JC409G-91《硅酸盐制品用粉煤灰》中I级和II级标准,本试验中采用的是合肥发电厂废弃物II级粉煤灰,密度测定参照《水泥密度测定方法》(GBT 208-94)粉煤灰的密度为 2083kg/m3,堆积密度为 955kg/m3
水泥是具有一定细度的粉末状材料,是一种很好的胶凝材料,具有很好的可塑性和粘结性。水泥主要是起三个作用,即保证坯体的稳定、促进坯体的硬化,保证砌块的强度。新拌加气混凝土料浆早期起决定作用的是 C3S,次之是 C3A。对混凝土的后期强度起作用的是早期水化较慢的 C2S 。  在蒸压条件下,水泥产生游离的Ca(OH)2与含硅材料中的 SiO2和 Al2O3作用,以水热合成生成水化硅酸钙和水化铝酸钙。水化生成的水化硅酸钙(C-S-H)、水化铝酸钙(C-A-H)等水化产物对混凝土的强度有较大的贡献[32-35]。本试验水泥采用海螺水泥厂生产的 P.O42.5 水泥,表观密度测定参照《水泥密度测定方法》(GBT 208-94)[29]规定的方法测试,水泥胶砂强度参照《水泥胶砂强度检验方法》(GB 17671-1999)[30]规定的方法测试。测得密度为 3100kg/m3,3d 抗压强度为 20.2MPa,28d 抗压强度为 50.5MPa。2.1.3 骨料陶粒是一种性能较好的人造轻骨料。它们具有表观密度小、导热系数小、防火、防腐、化学稳定性好、无毒无味等特点,是良好的保温、隔热、吸音、耐腐蚀的建筑材料。根据不同的原材料生产出来的陶粒可分为粘土陶粒、页岩陶粒和粉煤灰陶粒。
而根据密度和强度可分为超轻陶粒,普通陶粒,高强陶粒三类。本试验采用湖北宜昌光大高强圆形页岩陶粒,粒径 5~10mm,高强页岩陶粒的密度等级分 600~900 级,堆积密度范围为 510~900kg/m3,具有质量轻、强度高、热稳定性好、抗冻、抗渗、吸音等特点,是高层建筑、大跨度建设工程最理想的结构材料石灰是一种气硬性无机胶凝材料,只能在空气中硬化并增长其强度,它是以CaCO3为主要成分的天然岩石,经过高温煅烧,得到的以 CaO 为主要成分的生石灰。在蒸压加气混凝土凝结硬化过程中,石灰的作用主要表现在三个方面:
①石灰作为钙质材料可以与粉煤灰中的 SiO2、Al2O3发生反应,生成使砌块获得强度的水化硅酸钙和水化铝酸钙;
②与水发生消化反应生成 Ca(OH)2,为铝粉的发气提供了碱性环境;
③生石灰水化时产生大量的热量远远高于其他的胶凝材料。提高了料浆的温度,也促进了砌块的凝结硬化。生产过程中应该采用细度高并新鲜的生石灰。生产蒸养加气混凝土砌块所使用的生石灰应当符合 JC/T621《硅酸盐建筑制品用生石灰》的标准。本试验采用安徽省滁州市凤阳县武店镇所生产的石灰;其 CaO 含量为 92%,有效 CaO 含量为 86%,球磨 30 min 细度(0.080mm 方孔筛筛余)≤17%,消化时间 2min,消化温度 100°C
石膏作为发气过程的调节剂。主要有以下三个作用:①抑制石灰的消化并调节发气速度;
②参与水化反应与 C3A、Ca(OH)2反应生成水化硫铝酸钙;
③水泥中掺加有石膏起缓凝作用。本实验采用的石膏是含山县的硬石膏。
2.1.6 发气剂发气剂是生产加气混凝土的关键原材料,对加气混凝土的性能会产生很大影响。目前可以作为发气材料的有铝粉、双氧水、漂白粉等等,综合生产成本、发气效果等种种因素,基本上都使用铝粉作为发气剂。加气混凝土用铝粉膏技术指标《JC/T407-2000 中华人民共和国建材行业标准》本实验采用的铝粉是淮安市宏瑞建材有限公司生产的铝粉。

白炭黑是白色粉末状 X-射线无定形硅酸和硅酸盐产品的总称,主要是指沉淀二氧化硅、气相二氧化硅和超细二氧化硅凝胶和气凝胶,也包括粉末状合成硅酸铝和硅酸钙等。白炭黑是多孔性物质,其组成可用SiO2·nH2O 表示,其中 nH2O是以表面羟基的形式存在。本试验主要利用白炭黑的主要成分SiO2
材料的搅拌与试样成型粉煤灰陶粒蒸压加气混凝土的制备工艺如下[36]:先将干物料粉煤灰、水泥、石灰、石膏按一定比例计量后放入砂浆搅拌机均匀搅拌 2min;按水灰比为 0.63 加入水继续搅拌 2min,水温控制在 40°C左右,铝粉称量后用冷水均匀搅拌,之后与原料一起快速搅拌均匀,搅拌时间不超过 30s,最后按体积百分比称量 20%的圆形页岩陶粒,粒径在 5~10mm,之后与物料一起快速搅拌 15s,最后把搅拌好的料浆快速浇入三联模(模具尺寸为 70.7mm×70.7mm×70.7mm),浇筑模具 2/3~3/4 的高度;铝粉的发起速度较快,为了降低受温度的影响,可在浇筑前对模具进行预热 30°C~40°C。2.2.2 试样的预养模具浇筑完毕,铝粉开始反应产生氢气,砌体开始膨胀,此时应立即放入高温高湿箱在一定的温度湿度条件下进行养护,大约 2~3h。预养阶段温湿度的养护对加气混凝土砌块孔结构的形成有着决定性的影响,对加气混凝土砌块的体积稳定性和对后期蒸压阶段砌块的形成亦有着很大影响,蒸压加气混凝土砌块的预养经过长期的探索试验,通过 IPP 软件观察试样的发气状况,孔结构的半径大小、孔结构的分布是否均匀、孔结构的孔隙率等探索出最佳温湿度为温度 70°C湿度 90%RH。2.2.3 试样的蒸压养护合适的养护制度必须具备以下几个主要条件:
①提供良好的热交换载体(一般需要 1.0~1.45MPa 饱和蒸气)和安全可靠的蒸压釜;
②创造良好的热交换环境;
③适当的加热升温速度;

④有足够的恒温恒压时间;

⑤合理的降温;

⑥制品坯体应当具备必要的的强度和尽可能内外一致的较高温度;蒸压养护是获得强度的必要条件和重要工序,不仅关系到产品性能的好坏,也关系到生产效率和能源的消耗。用蒸压釜可以实现加气混凝土砌块在短时间凝结硬化,使制品在较短时间内达到预期的强度,本试验温度设置为 185°C,压力设置为 1.45MPa。保持时间为 8h~12h,

因为加气混凝土的原材料在这个条件下才能有效的进行物理化学反应,托勃莫来石等产物在这个温度和压力下会大量生成,从而较短时间内获得强度。试样性能的测试方法(1)抗压强度蒸压加气混凝土抗压强度的测定参照规范《蒸压加气混凝土性能试验方法》GB/T11969-2008 进行[37-38],利用 WDW-20E 微机控制电子万能试验机测试蒸压养护后砌块的强度。立方体试块尺寸为 100mm×100mm×100mm,试验时加载速度为 0.5KN/s,采用试块的侧面作为加载测试试面,试件测试面须平整,无磨损和缺角。每组测试三块,算术平均值即作为抗压强度

(2)导热系数根据 GB 10294-2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定防护热板法》中双板法的测试步骤进行导热系数测试,两块试件的尺寸均为 300mm×300mm×30mm,蒸压养护后在规定温度下烘干至恒重,后续冷却到室温,使用 DRX-导热系数测试仪测定导热系数。
(3)干燥收缩值试块干燥收缩试验参照 GB/T11972-1997 快速法测定。试块切取 40mm×40mm×160mm 棱柱体试块进行干燥收缩试验。取两组六个干燥收缩试件,用快速法测得平均干燥收缩值为 0.44mm/m,满足《蒸压加气混凝土砌块》中表 6 的规定,砌块干燥收缩值要求小于 0.80mm/m(快速法)。
2.2.5 试样孔结构的测试蒸压加气混凝土中大量存在的可见宏观气孔将明显影响其性能[52-54]。而要研究这些宏观气孔对性能的影响,首先需要适当的手段来表征这些孔以及其结构。常用的测孔方法有光学法、压汞法、等温吸附法、射线小角度散射等,以下分别对各种方法进行简析。
①光学法根据不同显微镜的不同分辨率,结合图像分析仪分析不同孔径的孔所占的百分比。当图像中固体部分反差很大时,孔的分析会产生较大的误差。
②压汞法(MIP)主要是根据压入混凝土材料等多孔体系中的水银数量与所加压力之间的函数关系,计算孔尺寸和相应的孔体积。所测结果只能反映开放的连通孔的情况,导致测量结构有可能偏小。因此不适合用来测量蒸压加气混凝土中大量存在的宏观大孔。
③吸附法通常用于测定孔尺寸在 5Å~350Å范围内的孔。该方法也不适合用来测量蒸压加气混凝土中大量存在的宏观孔。
④小角度 X-射线散射法(SAXS)可在常压下测定材料中 20Å~300Å的细孔孔径分布。由于干涉效应和仪器精度所限,会产生较大误差,可见,SAXS 同样不适合测量蒸压加气混凝土中的宏观孔
取一块 06 级蒸压加气混凝土砌块,截取截面为 100mm×100mm、厚度大约为 30mm 的小方块。利用场发射扫描电子显微镜,型号 SU8020 对其截面拍照,获得砌块截面,如图示利用将蒸压加气混凝土砌块断面的数码照片图像信息储存于矩阵中。将图像信息以灰度形式存储,则每个像素点的图像信息只需要一个字节即可储存。为此,将图转化为灰度照片。
不同石灰掺量对蒸压加气混凝土砌块导热系数的影响见图 3-11。石灰掺量在55~65kg/m3之间时,蒸压加气混凝土砌块的导热系数随着石灰掺量的增加而不断降低,最低为 0.14w/(k.m),超过 65kg/m3时,蒸压加气混凝土砌块的抗压强度随着石灰掺量的增加而不断增加;由此可见石灰掺量为 65kg/m3时为最佳
不同石灰掺量对蒸压加气混凝土砌块干燥收缩值的影响见图 3-12。石灰掺量在55~65kg/m3之间时,蒸压加气混凝土砌块的干燥收缩值随着石灰掺量的增加而不断降低,最低为 0.182w/(k.m),超过 65kg/m3时,蒸压加气混凝土砌块的干燥收缩值随着石灰掺量的增加而不断增加;由此可见石灰掺量为 65kg/m3时为最佳
不同白炭黑掺量对蒸压加气混凝土砌块抗压强度的影响见图 3-13,白炭黑的掺量对砌块的发气有显著的影响,白炭黑的掺量不超过 0.05%时,砌块发气略显不足,表面孔结构分布不均匀,出现了细小的裂缝;白炭黑的掺量为 0.05%时,砌块发气状况良好,表面孔结构分布细密均匀,抗压强度最大为;白炭黑的掺量超过 0.05%时,发气状况依旧良好,但表面已出现明显的裂缝,对砌块的抗压强度产生不利的影响;经过试验证明白炭黑的最佳掺量为 0.05%
不同白炭黑掺量对蒸压加气混凝土砌块导热系数的影响见,白炭黑的掺量对砌块的导热系数有显著的影响,白炭黑的掺量不超过 0.05%时,导热系数随着白炭黑掺量的增加而降低,白炭黑的掺量超过 0.05%时,砌块发气状况依旧良好,但表面已出现明显的裂缝,对砌块的导热系数产生不利的影响;经过试验证明白炭黑的最佳掺量为 0.05%

不同白炭黑掺量对蒸压加气混凝土砌块干燥收缩值的影响见图 3-15,白炭黑的掺量对砌块的干燥收缩值有显著的影响,白炭黑的掺量不超过 0.05%时,干燥收缩值随着白炭黑掺量的增加而降低,白炭黑的掺量超过 0.05%时,砌块发气状况依旧良好,但表面已出现明显的裂缝,对砌块的干燥收缩值产生不利的影响;经过试验证明白炭黑的最佳掺量为 0.05%

不同陶粒掺量对蒸压加气混凝土砌块抗压强度的影响见图 3-16,陶粒在蒸压加气混凝土砌块中起骨架作用,按体积百分比掺入适量的陶粒对砌块的抗压强度有显著的影响,当陶粒掺量为 0%时砌块的强度最低为 2.73MPa,掺量不超过 20%时,砌块的强度随着陶粒掺量的不断增加,掺量超过 20%时砌块的强度有所降低,因此就抗压强度而言,陶粒的最佳掺量为 20%
不同陶粒掺量对蒸压加气混凝土砌块导热系数的影响见图 3-17,陶粒的掺量小于 30%时,导热系数随着陶粒掺量的增加而降低,陶粒的掺量超过 30%时,砌块的导热系数逐渐增加,陶粒掺量为 20%与掺量 30%导热系数并没有太大差距,从综合方面考虑,就导热系数而言陶粒最佳掺量为 20%
不同陶粒掺量对蒸压加气混凝土砌块干燥收缩值的影响见图 3-18,陶粒的弹性
模量高于加气混凝土的弹性模量,当陶粒掺量为 0%时砌块的干燥收缩值最高为0.19mm/mm,掺量不超过 20%时,砌块的干燥收缩值随着陶粒掺量的不断增加而降低,掺量超过 20%时砌块的干燥收缩值随着陶粒掺量的不断增加而增加,因此就干燥收缩值而言,陶粒的最佳掺量为 20%
大量的探索试验研究,主要研究了蒸压加气混凝土砌块的原材料掺量对试样抗压强度、导热系数以及干燥收缩值的影响[46-47],并根据探索试验所得出的试验结果进一步的进行正交设计试验,进一步的优化配合比。本章的主要研究成果如下:(1)经过不断地探索试验,确定了水泥的最佳掺量占钙质材质量百分比的 20%,石灰占钙质材质量百分比的 80%,铝粉最佳掺量为 0.6‰,石膏最佳掺量为 0.5%,最佳水料比为 0.63,陶粒最佳掺量占体积比的 20%。(2)通过正交设计优化配合比试验,根据《蒸压加气混凝土砌块标准》(GB11968-2006)[49],测出了陶粒蒸压加气混凝土砌块的各种性能指标均满足蒸压加气混凝土砌块国家标准的要求。

加气混凝凝土在预养阶段成型之后,如果要在较短的时间内获得较高的强度,必须在饱和蒸汽的湿热环境中进行养护以保证砌体中胶凝材料的凝结硬化,预养阶段完毕后进入蒸压养护阶段,包括升温、恒温、降温阶段[39-45]。
(1)升温阶段蒸压釜在通蒸汽之前先进行抽真空处理,为了俭省时间可以边烧蒸汽边抽真空。抽真空完毕开始通蒸汽,可在电脑控制仪上设置升温时间、温度、压力本试验压强控制在 1.45MPa,升温的速度太快或太慢都会对蒸压胚体造成过大的温度差、湿度差和压力差。因此,我们应该首先研究升温阶段时间变化及所升高的温度对坯体强度会有很大影响。①研究升温的时间变化对砌体强度的影响,分别设置升温时间为 1h、1.5h、2h、2.5h、3h
试验结果表明:随着升温时间的增长,砌体的抗压强度逐渐增加,在 2.5h~3h之间抗压强度虽有所增加,但增加幅度并不大,从节约时间和节约成本上考虑,最佳升温时间为 2.5h。②在升温时间确定的条件下,分别设置温度为 170°C、180°C、190°C、200°C、210°C
61图 4-44 不同温度砌块的抗压强度Fig.4-44 Compressive strength of blocks at different temperatures试验结果表明:随着温度的增长,砌体的抗压强度逐渐增加,温度在 200°C时抗压强度最大,温度为 210°C时抗压强度接近于 5.8MPa,为了降低成本确定最佳温度为 200°C。
(2)恒温阶段恒温是胚体在设定的温度下保持的时间,是加气混凝土胚体凝结硬化强度增长的主要阶段。恒温的时间和强度影响着产品的性能,上述试验得出最佳升温时间为2.5h 最佳温度为 200°C,在这个结论的前提下研究恒温阶段的时间对抗压强度的影响

在一定的温度下,养护时间不足,制品强度达不到要求,养护时间过长也可能因为水化产物过多而降低强度,随着恒温时间的增加,砌体的抗压强度逐渐增加,在恒温时间为 11h 时砌块的抗压强度最高为 5.7MPa。
(3)降温阶段加气混凝土制品是一种多孔材料,蒸压环境处于一种高温高湿的状态,降温过快会引起内外温差较大,可能会造成爆炸的严重后果。因此,对降压时间的控制是很有必要的。本试验分别降压 2h、2.5h、3h、3.5h、4h
随着降温时间的增加,砌体的抗压强度也逐渐增加,3.5h 抗压强度为 5.8MPa,降温时间继续增加,强度增长及其缓慢,因此最佳降温时间为 3.5h
陶粒蒸压加气混凝土砌块生产的整个过程包括预养阶段温湿度的调整和蒸压养护阶段各种参数的调整,得出的结论如下;
(1) 预养阶段主要是铝粉的发气,胚体的形成过程,通过对预养阶段温度湿度的不断调整,使砌块孔结构分布均匀减少开裂,得出最佳温度为 70°C最佳湿度为 90%R.H。
(2) 蒸压养护阶段是胚体强度增长的过程,包括升温、恒温、降温阶段,各种参数的调整对胚体强度有着重要影响,试验结果得出最佳升温时间为 2.5h 恒温为 11h 降温为 3.5h
陶粒加气混凝土制备理论就制备方法上陶粒加气混凝土与普通匀质加气混凝土所不同,陶粒为轻质多孔材料,为保证骨料和料浆搅拌过程中能够搅拌均匀,不产生分层离析,试验之前应使骨料预吸水 1h,骨料在料浆中悬浮作用力很大程度影响着砌体的匀质性。当骨料的密度小于粒子周围混凝土的密度时轻骨料上浮;当骨料的密度大于粒子周围混凝土的密度时轻骨料下沉。5.1.1 加气混凝土结构形成过程加气混凝土的形成包括两个过程:
①铝粉与碱性水溶液之间反应发气使料浆膨胀以及水泥和石灰的水化凝结而形成多孔结构的物理化学过程;②是蒸压养护条件下硅质材和钙质材发生水热反应
铝粉与水反应产生氢气和料浆膨胀始终处于动态平衡。料浆的膨胀是铝粉微粒周围极小区域内产生的氢气压力,料浆膨胀的阻力是上层料浆、陶粒的重力和料浆、陶粒的极限剪应力。当氢气压力引起的切应力大于料浆和陶粒的极限切应力时,氢气泡逐渐增大使料浆彭涨,直至铝粉反应结束。当铝粉反应结束,水泥和石灰仍在水化。不断形成水化产物氢氧化钙、水化硅
酸钙、水化铝酸盐等,自由水分逐渐减少以致水化产物在溶液中浓度增加达到饱和状态,从而析出微小晶体胶粒,逐渐形成凝聚结构。胚体足以承受自身的重量,具有一定的强度,可进行胚体的切割,静置。5.1.2 加气混凝土蒸压硬化过程加气混凝土中硅质材和钙质材的水热合成反应需要在蒸压养护条件下 175°C~203°C的高温才能顺利进行
(1)石灰与硅质材的水热反应水化Ca(OH)2与SiO2化学反应大约在1.4MPa 大气压、180°C的养护条件下进行的:反应开始时温度较低,Ca(OH)2与 SiO2的反应是通过吸附、扩散的方式进行的,在加气混凝土配体内部形成高碱性水化硅酸钙晶体。随后高碱水化硅酸钙又同内部未反应的硅质反应,相继生成低碱性水化硅酸钙[48]。当 C/S>1.5 时,生成 C2SH(A),随着反应的进一步进行 ,C/S 逐渐减小,当 C/S<1.5 时,生成卷薄状半结晶的 CSH(B)。最后生成板状结晶的托贝莫来石 C5S6H5
2)水泥与含硅材料的水热反应水泥为原材料时,高温高压蒸养时生成托贝莫来石有两种反应过程:一种是水泥水化产物与硅质材作用形成托贝莫来石;另一种是水泥析出的 Ca(OH)2与硅质材作用形成托贝莫来石。所以,水泥混凝土制品在常温与在高温下其硬化机理是不相同的。常温下,水泥的水化作用形成水泥石,将各种原材料粘结起来产生强度;高温下,水泥除了水化,还与原材料发生化学反应,形成托贝莫来石。
(3)石灰-水泥-石膏-粉煤灰的化学反应升温阶段:Ca(OH)2与粉煤灰中的活性 SiO2反应生成碱度较高的水化硅酸钙,随着 SiO2的不断溶解,水泥水化的 CSH 凝胶与石灰、粉煤灰合成的 CSH 等水化硅酸钙的碱度不断降低,开始变成半结晶的 CSH(I)。与此同时,三流型的水化硫铝酸钙分解为单流型的水化硫铝酸钙。
恒温阶段:在 175-203°C的恒温初期,大量生成半结晶的 CSH(I)。此时单流型水化硫铝酸钙也无法稳定存在,继续分解成 C3AH6和 CaSO4,水化铝酸钙和 SiO2作用生成水化石榴子石。保持恒温,水化硅酸钙结晶程度不断提高,出现托贝莫来石。
5.2 陶粒加气混凝土的减缩增强作用机理5.2.1 陶粒加气混凝土的增强作用机理在相同荷载作用下,加气混凝土的变形较大,加气混凝土的弹性模量约为(1.5-2.5)GPa,轻骨料不同的孔隙率其弹性模量可低至 7GPa 或高至 28GPa,轻骨料混凝土的弹性模量为 14-21GPa,约加气混凝土的 10 倍。一般加气混凝土的孔隙高达 70-80%。含水率对加气混凝土强度的影响高于普通混凝土,绝干状态时加气混凝土抗压强度最高,强度随着吸水的增加开始急剧下降[46]。本课题在于加气混凝土中引入陶粒,增强的作用机理主要由于:
①烧结陶粒弹性模量要高于加气混凝土的,陶粒在此体系中主要起骨架作用;
②在潮湿状态下,烧结陶粒本身的强度损失要远小于加气混凝土的。③陶粒在整养过程中与加气混凝土产物之间形成的界面粘结良好,克服了普通混凝土中骨料与水泥浆体之间的弱界面结构。
5.2.2 陶粒加气混凝土的减缩作用机理由于粉煤灰加气混凝土砌块经常出现墙体裂缝,由裂缝引起渗漏,墙面抹灰空鼓、开裂等质量问题是由于其强度等级低、吸水率高、干燥收缩变形大,而干燥收缩与水分蒸发有关,当进行干燥收缩试验时,随着环境的相对湿度的不断降低,水泥浆体孔隙中的自由水会逐渐脱去,与普通的水蒸发一样,产生的毛细管张力较小。当环境相对湿度为 50%80%85%95%和 99%时,孔隙水凹液面产生的最大压力分别为97MPa、36MPa、15MPa、7MPa 和 1.5MPa。本课题在加气混凝土中引入陶粒,减缩的作用机理主要由于:
①陶粒弹性模量要高于加气混凝土对收缩主要起着约束作用;
②轻质多孔陶粒在加气混凝土内部产生的释水效应改善了体系中的湿环境,降低了内部的毛细管负压
对陶粒蒸压加气混凝土的制备进行机理分析以及陶粒蒸压加气混凝土的增强减缩机理分析,试验研究结果如下:
(1)陶粒是轻质多孔材料,由于其自身密度较小,在砌块的生产过程中会出现上浮,应在试验前进行预吸水。
(2)陶粒的弹性模量大约是加气混凝土的10倍,其界面与胶凝材料有很好的粘结作用,在混凝土干燥潮湿循环交替的过程中,减缓应力变化引起的开裂
结论本项目针对目前国内建筑节能要求以及自保温墙体材料的发展状况,利用轻质高强陶粒、粉煤灰和水泥等主要原材料加入铝粉发气剂,预养阶段对温度湿度的不断调整,得出铝粉的最佳发气温湿度,通过陶粒增强减缩技术得出陶粒与浆体最佳配比,以及最佳蒸压养护工艺,研制出了一种新型绿色自保温陶粒加气混凝土砌块。本课题在试验过程中得出的结论如下:
(1)陶粒蒸压加气混凝土制备过程终为了防止陶粒上浮,试验前,陶粒应预吸水 1h左右,在浇筑后匀速缓慢振捣;蒸压加气混凝土的性能受孔结构的影响,预养阶段铝粉的发气对蒸压加气混凝土制备是一个很关键过程,该过程主要受原料配合比、温度湿度的影响,铝粉的掺量及其工艺对加气混凝土孔结构的影响有着举足轻重的作用,铝粉适量可以有效避免憋气和塌模现象,水料比对铝粉的发气也有一定的影响并且决定料浆的稠度,合理的水料比不但有利于发气,对强度也有一定影响,料浆的最佳浇筑温度为 40°C左右,静养温度应控制在 60-70°C,湿度应控制在 90%R.H。
(2)陶粒蒸压加气混凝土砌块合理配比:陶粒为 20%,水料比为 0.63,铝粉为 0.6‰,水泥掺量为 20%。制得具有强度高(立方体抗压强度 5.8MPa)、质量轻(干表观密度 616kg/m3)、比强度大(9MPa.cm3/g)、隔热保温性能好(导热系数 0.153W/m.k)、收缩小(干燥收缩值 0.188mm/m)的 B06 级陶粒加气混凝土砌块。
(3)由于陶粒弹性模量要高于加气混凝土的,陶粒在此体系中主要起着骨架作用和对收缩主要起着约束作用;在潮湿状态下,陶粒本身的强度损失要远小于加气混凝土的;多孔的陶粒在加气混凝土内部产生的释水-释水效应,改善了体系中的湿环境,降低了内部的毛细管负压。陶粒在蒸养过程中与加气混凝土产物之间形成的界面粘结良好,克服了普通混凝土中骨料与水泥浆体之间的弱界面结构。陶粒的掺量显著提高加气混凝土的抗压强度降低了加气混凝土的干燥收缩。经试验证明,该试验制成的陶粒加气混凝土的抗压强度是原加气混凝土抗压强度的 4 倍干燥收缩量是未加陶粒的粉煤灰加气混凝土的 1/4。