钢渣粉煤灰泡沫混凝土热工性质研究

于水军，李 彬，陈晓利

(1.河南理工大学安全科学与工程学院，河南焦作454000;2.河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室，河南焦作454000)

泡沫混凝土一般是由物理发泡方法制得。发泡剂经过稀释后通过发泡机发泡，直接加入预先由骨料、集料、外加剂加水混合搅拌均匀的料浆中，经搅拌、浇筑、拆模、养护即得泡沫混凝土。泡沫混凝土内部气孔大都封闭，使其具有优良的保温隔热阻燃性能，所以具有一定的应用范围。例如用作外墙保温、地暖隔热层、矿井充填等［1－3］。

许多工业排放物已被用作掺合料加入泡沫混凝土中，不仅节约资源保护了环境，同时又改善了泡沫混凝土的性质［4］。目前，国内外也有关于钢渣、粉煤灰作为泡沫混凝土掺合料的研究论述。粉煤灰中含有一定的轻质空心微珠和潜在的火山灰活性，添加到水泥中可进一步提高混凝土的保温性能和轻质性能，同时可以改善泡沫混凝土的孔结构以及孔分布［5－6］，并可降低泡沫混凝土制品的生产成本［7－9］。钢渣经过一定的方式处理后，可以被高效利用［10］。这些成果中涉及了粉煤灰泡沫混凝土和钢渣泡沫混凝土，但关于两者复合的研究不多。本文通过实验研究钢渣粉煤灰泡沫混凝土的热工性质，并对结果进行了分析。

1 试验原料

(1)复合硅酸盐水泥(PC32.5，焦作坚固水泥有限公司)，其主要性能指标如表1所示。

(2)粉煤灰(焦作电力集团有限公司)，粉煤灰的主要化学成分是CaO、Al2O3、SiO2和Fe2O3等。粉煤灰能够发挥三种效应，即活性效应、形态效应和微粒填充效应［11］。粉煤灰具有火山灰活性，在水存在的条件下能够生成水硬性的固体;粉煤灰中含有大量的玻璃微珠，可以减少浆体的内部摩擦阻力;粉煤灰粒径大多小于0.045 mm，可以填充在浆体的毛细孔和气孔中，使凝胶的结构更加密实。粉煤灰扫描电子显微图如图1所示。

表1 复合硅酸盐水泥的主要物理指标

(3)钢渣(河南济源钢铁集团有限公司)，钢渣的主要化学成分是CaO、Al2O3、SiO2、Fe2O3等。钢渣、粉煤灰的化学组成与水泥熟料相似，作为掺合料时既可以减少水泥用量，含有的其他成分又可以改善浆体的性质［12－13］。

(4)复合发泡剂(自配)，其基本组成如表2所示。

表2 复合发泡剂的基本组成

图1 粉煤灰扫描电子显微图

2 实验过程

2.1 试样制备

泡沫混凝土配合比设计依据固定原材料质量法和固定混合料体积法进行［14］。第一步，将水泥、钢渣、粉煤灰按照设计的密度称取相应的质量进行混合搅拌。第二步，用空气压缩机和发泡机制取均匀的泡沫。第三步，把泡沫加入浆体中，待搅拌均匀后浇注到预先准备好的模具中进行养护。实验所用的设备如图2所示。第四步，2 d后脱模进行标准养护。14 d后取出试块进行相关的实验。泡沫混凝土的制备工艺流程如图3所示。

图2 发泡设备实物图

图3 泡沫混凝土的制作工艺流程

2.2 导热系数的测定与结果

泡沫混凝土保温板养护好后，在数显鼓风式干燥箱(温度为110±5℃)中干燥24 h后进行导热系数测定实验。本文用哈尔滨市鸿润教学试验设备厂生产的WPTB－Ⅱ型导热系数测定仪测试导热系数，分别测定 500 kg/m3、600 kg/m3、700 kg/m3、800 kg/m3、900 kg/m3泡沫混凝土保温板和水泥净浆的导热系数，结果如表3所示。由表3可见，随着密度的增加比热容呈现递增趋势，说明密度越大蓄热能力越大。导热系数随密度的增大而增加，水泥净浆的导热系数要比泡沫混凝土的导热系数大得多，这反映了泡沫混凝土的隔热性要比混凝土好。温度传导性是耐火材料常用的指标之一，就泡沫混凝土而言，温度传导性随密度的增加而减小，与导热系数的趋势相反，可以得到温度传导性与泡沫混凝土的隔热性正相关。导热系数与密度的关系如图4所示。温度传导性与密度的关系如图5所示。泡沫混凝土的孔隙率与密度的关系如图6所示。在图6中拟合曲线为y=－0.000 7x+1，拟合度R2=1，孔隙率与密度呈线性关系。

孔隙率的计算公式为:

式中:θi为第i种泡沫混凝土孔隙率;ρ实为实体的密度，单位为kg/m3;ρi为第i中泡沫混凝土的密度，单位为kg/m3。

比热容的计算公式为:

式中:C为泡沫混凝土导热系数，单位为J/(kg·℃);Ci为各成分的比热容，单位为J/(kg·℃);Wi% 为各成分的质量分数。

温度传导性的计算公式为:

式中:α为温度传导性，单位为m2/s;λ为导热系数，单位为W/(m·k);ρ为密度，单位为kg/m3;C为比热容，单位为J/(kg·℃)。

表3 不同密度泡沫混凝土的热工参数

图4 导热系数与密度的关系

图5 温度传导性与密度的关系

图6 孔隙率与密度的关系

本文还研究了设计密度为500 kg/m3的泡沫混凝土中不同钢渣含量对导热系数的影响，结果如表4所示。由表4中数据可知，随钢渣含量的增加泡沫混凝土的密度增加，孔隙率减小，导热系数增加，温度传导性增加，比热容减小。在这里温度传导性与导热系数呈现一致性，与上述温度传导性与导热系数规律相反，这主要是由于钢渣的比热容小引起的。当掺入钢渣时温度传导性与泡沫混凝土的耐火性呈现负相关。由此可以看出，导热系数始终可以作为评价泡沫混凝土耐火性的指标，而导热系数又与密度成正相关，所以密度可以作为评价泡沫混凝土耐火性的指标。密度越大，泡沫混凝土的耐火性越差。

表4 不同钢渣含量泡沫混凝土参数

2.3 耐火性研究

用保温板进行耐火性实验。实验所用火焰温度为恒温1 000℃。实验结果如表5所示。

表5 不同密度泡沫混凝土耐火时间

密度为700 kg/m3、800 kg/m3、900 kg/m3的泡沫混凝土的温度达到220.0℃的时间分别为38 min、36 min、34 min，实体混凝土的温度达到220.0℃的时间为30 min。灼烧前后泡沫混凝土的情况如图7、图8所示。由图8可以看出在同样加热的条件下，随着密度的增加，灼烧后背火面产生的裂纹增加，损毁程度递增，这反映了泡沫混凝土的耐火性随密度的增加而减弱。

图7 各密度泡沫混凝土灼烧前表面结构

耐火材料的抗张拉强度比较小，当从表面加热时受热表面扩张比内部快，表面受到挤压作用，内部受到张力的作用，当其表面冷却时与上述情况相反［15］。耐火材料内部的裂纹可以由中心向表面扩展，而表面裂纹并不向内部扩展，内部裂纹通常都是较宽的，而且裂纹互不交叉，不会导致变形破坏。表面裂纹很细，且相互交叉贯通，能够导致其破坏。本文中受热面加热时内部受到张力作用产生内部裂纹，从图8中可以看到密度为900 kg/m3的试块和未发泡试块表面出现了明显的表面裂纹。冷却时先从表面冷却，表面受到张力作用产生表面裂纹，从图8中可以看到各密度的试块均产生了较细的表面裂纹。泡沫混凝土与水泥净浆相比中心裂纹和表面裂纹都少，耐火性更好。

图8 各密度泡沫混凝土灼烧后表面结构

3 结论

(1)对钢渣粉煤灰复合的泡沫混凝土，随着密度的增大，导热系数增大(0.113～0.153)，比热容增大(1 389～1 691)，温度传导性减小(1.67～1.02)。对于同种密度的泡沫混凝土，随着钢渣含量的增加(0～33%)，导热系数增大(0.102 ～0.113)，比热容减小(1 581 ～1 389)，温度传导性增大(1.42 ～1.67)。

(2)本文中泡沫混凝土的孔隙率和密度呈线性关系，拟合曲线为y=－0.000 7x+1，R2=1。

(3)随着泡沫混凝土密度的减小，相同时间内温度升高得更小，密度可以作为衡量泡沫混凝土隔热性及耐火性的指标。钢渣粉煤灰泡沫混凝土与水泥净浆相比耐火性更好。

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