引气型玻化微珠粉煤灰保温混凝土抗压强度和导热系数试验研究

方张平，黄 伟

(淮南联合大学 建筑与艺术学院，安徽 淮南232038)

近年来，我国建筑行业能耗占社会总能耗比重越来越大，建筑节能和绿色建筑成为研究热点﹒据统计，我国每年冬季采暖和夏季制冷至少有30%以上的能量是通过门窗和墙体散失，这就要求建筑围护结构除了要有基本力学性能之外，还应具备良好的保温隔热性能﹒目前，国内研究方向主要是通过在普通混凝土中掺入外加剂或具有保温性能的轻集料形成自保温混凝土体系来改善其热工性能[1-6]﹒玻化微珠是由珍珠岩经电热管多级加热膨胀而形成的玻璃质熔岩矿物质，特殊的加工工艺使其表面玻化封闭，内部呈现不规则的多孔空腔结构，可以有效阻隔混凝土结构的热传导通道，提高热阻性能，被广泛应用于自保温混凝土中﹒黄伟等[7]对玻化微珠混凝土砌块进行试验研究，验证了玻化微珠能与混凝土中其他组分材料有良好的相容性；赵琳[8]研究了玻化微珠保温混凝土在实际工程中的应用，证实了其施工中的可操作性﹒引气型混凝土是在普通混凝土中掺入适量引气剂，它属于一种化学表面活性剂，可在混凝土拌合物中引入大量粒径较小的有益独立微细气泡，且在混凝土内部分布均匀，气泡体系稳定，在搅拌过程中不会聚结形成有害大气泡，能长久保留在混凝土硬化体内部，使其形成海绵状多孔结构，降低混凝土密度，提高保温性能﹒蒋荣等[9]对引气型玻化微珠混凝土保温砌块强度进行了优化研究，证实引气剂有利于改善混凝土的工作性能；李磊等[10]测试了不同因素对引气型混凝土导热系数的影响程度；李丹等[11]研究了引气混凝土的微观孔结构，证实适量引气剂有助于增加混凝土内部孔道连通性﹒

本文结合安徽淮南及周边地区粉煤灰被肆意浪费的现象，利用轻集料玻化微珠和电厂工业废弃物(粉煤灰)制备引气型玻化微珠粉煤灰保温混凝土，通过抗压强度试验和导热系数测试试验，研究玻化微珠和粉煤灰在不同掺量下的力学性能和热工性能，并找出两者最优掺量，分析其作用机理﹒该试验数据对后续自保温混凝土的优化设计具有重要参考价值，有利于促进我国建筑节能和绿色建筑的健康发展﹒

1 试验材料和试验方法

1.1 试验原材料

水泥选用P.O 42.5 普通硅酸盐水泥(安徽省淮南市八公山牌)；石子采用淮南砂石厂普通碎石，粒径5～15 mm，级配连续；砂采用ISO标准砂；保温轻集料采用河北廊坊信义鼎节能保温建材公司生产的玻化微珠，其物理性能指标见表1；粉煤灰由安徽省淮南市平圩电厂提供，密度2 140 kg/m3，堆积密度780 kg/m3，表面积3 400 cm2/g，吸水率106%；硅灰由河南远恒环保工程有限公司生产，SiO2含量≥92%，容重1 600～1 700 kg/m3，平均粒径0.1～0.3μm，比表面积20～28 m2/g；引气剂和减水剂均选用山东省莱阳市宏祥建筑外加剂厂生产的高纯度型引气剂和聚羧酸系高效减水剂；采用当地饮用水拌合﹒

表1 玻化微珠物理性能指标

1.2 试验配合比

混凝土强度等级按C30设计，水灰比0.5，砂率36%﹒为在混凝土内部引入数量丰富的小粒径有益气泡，掺入0.3%引气剂；为减小水胶比，增大浆体粘性，提高混凝土后期强度，掺入5%硅灰和0.5%减水剂，基准配合比见表2﹒

表2 实验室混凝土基准配合比 kg/m3

1.3 试验设计

本试验在实验室混凝土基准配合比的基础上以轻集料玻化微珠等体积替代细集料砂子0%，20%，40%和60%，工业废弃料粉煤灰等质量替代胶凝材料0%，10%，20%和30%为变量，采用正交试验方法设计16组不同配合比的引气型玻化微珠粉煤灰保温混凝土，测试其抗压强度和导热系数，分析两者之间的变化规律，找出能同时满足承重和保温双向性能要求的玻化微珠和粉煤灰最优掺量﹒

2 试验方法与结果分析

2.1 试验方法

1)抗压强度测试﹒依据《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2016)[12]，采用WAW-1000 kN 微机控制电液伺服万能试验机测试混凝土抗压强度，制备16组，每组3个，共48个尺寸为150 mm×150mm×150 mm 立方体混凝标准试件﹒混凝土各组成材料按拌合顺序依次投入强制式搅拌机内，搅拌充分后入模、振捣、抹平，静置24 h 后脱模，放入养护箱内标养28 d后取出，及时进行抗压强度测试，荷载加载速度控制为0.6MPa/s﹒

2)导热系数测试﹒采用DR3030智能平板导热系数测定仪测试混凝土导热系数，导热系数测定范围0.01～1.50 W/(m·K)，测量误差±3%，温度测量范围(10～90)℃，测量精度0.06℃，试验室温(20～25)℃，湿度(20～80)%RH﹒依据《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定：防护热板法》(GB/T 10294-2008)[13]测试要求，制备16组，每组6个，共96 个尺寸为300mm×300mm×30mm混凝土平板试件，用来进行导热系数的测定，如图1所示﹒为避免因试件表面不平整导致与平板接触时产生空隙热阻影响测试数据精准性，试验模具采用定制钢模板，试件成型后静置24 h 拆模，拆模后用砂纸对混凝土板表面及时磨平处理，保证试件厚度均匀，两表面平行，然后放置养护箱内标养28 d﹒在进行导热系数测定前需将试件放入(105～110)℃烘箱内烘干至恒重，冷却至常温状态后将2块混凝土试件板紧贴冷热板放入测定仪内夹紧，确保各接触面平整且贴合紧密，为避免外界因素对数值产生影响，最后需关好保护盖将整个测试体系封闭密实，见图2﹒试验环境保持干燥状态，热板控制温度设为35℃，冷板控制温度设为15℃，冷热板温差20℃；启动电源，开始试验，经过一段时间后试验数据稳定收敛，测试设备自动停止，系统显示导热系数具体数值﹒

图1 混凝土平板试件

图2 导热系数测试

2.2 试验数据分析

表3为玻化微珠和粉煤灰在不同掺量下制备成的16组不同配合比混凝土试件的抗压强度和导热系数试验数据算术平均值﹒

由表3可知混凝土试件抗压强度数值区间为13.9～35.4MPa，导热系数数值区间为0.371～0.432 W/(m·K)﹒

表3 混凝土试件抗压强度和导热系数试验数据

图3(a)为玻化微珠掺量20%，粉煤灰掺量0%，10%，20%和30%时的引气型玻化微珠粉煤灰保温混凝土试件抗压强度与导热系数关系曲线图；图3(b)为粉煤灰掺量10%，玻化微珠掺量0%，20%，40%和60%时的引气型玻化微珠粉煤灰保温混凝土试件抗压强度与导热系数关系曲线图﹒从图3中看出，混凝土的抗压强度与导热系数呈现相同变化规律﹒这表明混凝土强度与保温性能之间具有矛盾性，且玻化微珠和粉煤灰的不同掺量对两者有明显影响﹒

图3 抗压强度与导热系数关系变化曲线

热量传导是从高温区向低温区传递，要想使材料热阻性能增强，需通过延长热量传导时间和增加传导路线来降低热量传递效率，以提高保温隔热性﹒热量传导路径分为在固态中的传导和在气态中的传导﹒固态是混凝土强度产生的主要原因，但热传导时由于引气型混凝土内部丰富的有益稳定微气孔的存在，使得热量在固态中的传导路线发生转折，总传导路线增加，热量传递速率降低，导热系数减小，保温隔热性能增强﹒此外，热量在气态中的传导主要以微气孔中的空气为媒介，而空气的导热系数很低，仅有0.025 9 W/(m·K)，引气型混凝土内部呈现的海绵状多孔结构中的封闭气孔被空气完全填充，封闭气孔的尺寸越小数量越多，空气对流幅度也相应减少，内部气孔壁表面积增大，增加了混凝土固体的反射面，减少了空气的对流传热效率和辐射传热效率，混凝土保温隔热性能提高，导热系数下降[14-15]﹒但同时也正是因为引气型保温混凝土内部海绵状多孔结构，导致水泥浆体与粗细骨料界面的粘结能力下降，且随玻化微珠和粉煤灰掺量的递增，细集料和水泥掺量相对减少，这种粘结强度削弱现象更加严重，混凝土结构内部缺陷和孔隙增多，在外力作用时混凝土内部因密实度不够，多孔结构易被压裂破碎塌陷，进而直接影响混凝土的强度﹒

从表3中的试验数据可得出，在玻化微珠掺量20%和粉煤灰掺量10%时，引气型玻化微珠粉煤灰保温混凝土的抗压强度和导热系数均达到最大值，分别为35.4 MPa 和0.432W/(m·K)，抗压强度符合C30混凝土强度设计标准，导热系数远小于普通混凝土的导热系数1.51W/(m·K)，保温隔热性能提高了71.41%，符合我国居住建筑节能设计中对墙体材料导热系数小于1.0 W/(m·K)的要求[16-17]﹒试验数据表明，在引气型混凝土中双掺玻化微珠和粉煤灰满足最佳掺量后会形成叠加效应，该配比的引气型玻化微珠粉煤灰保温混凝土同时具有承重混凝土的力学性能和良好的保温隔热性能，满足承重与保温材料一体化的双向性能要求﹒

2.3 影响因素分析

1)玻化微珠影响因素分析﹒图4为不掺粉煤灰，玻化微珠掺量分别为0%，20%，40%和60%时，混凝土试件抗压强度和导热系数关系曲线﹒

从图4中可明显看出，未掺粉煤灰时，随玻化微珠掺量的递增，混凝土试件抗压强度与导热系数呈现相同变化规律，均是先增大后减小，且都在玻化微珠掺量为20%时达到最大值﹒玻化微珠掺量为20%时，混凝土抗压强度相对掺量为0%，40%和60%时分别增幅58.47%，22.36%和56.76%，导热系数分别增幅1.71%，4.51%和6.11%，表明玻化微珠的掺量对混凝土承重和保温性能均有较大影响﹒

图4 未掺粉煤灰时抗压强度与导热系数关系变化曲线

玻化微珠部分等体积替代细集料砂子，预湿后与混凝土组成材料进行充分拌合，能有效填充到引气型混凝土粗细骨料与水泥净浆的孔隙以及其内部海绵状多孔结构中，增大粗细骨料与水泥净浆的粘结程度，细化混凝土内部孔径，提高混凝土整体密实程度，在受压状态下各组成材料能够做到共同受力，相互匹配抵抗外力，提高强度，且增加了热量在混凝土内部的传导路线，提高其保温隔热性能﹒此外，玻化微珠因特殊加工工艺，使其呈现表面玻化、封闭内部多孔空腔的异型，与混凝土组成材料充分拌合后因其多孔球状结构可充当空心砂子和固体引气剂的角色，这些“固态小气泡”弹性较好，有较大的自由变形空间，在受到外力作用时能有效释放部分应变，增大强度，而且它的球状结构还能吸附水泥的水化凝胶产物，堵塞混凝土内部毛细孔，减少微裂缝的产生，促进强度增大﹒随着玻化微珠等体积替代砂子的比例越来越高，水泥砂浆的粘结能力大大减小，混凝土内部充斥着因引气剂作用产生的气态空腔和过量玻化微珠自身固态空腔，这些空腔的存在降低混凝土结构质量的同时也降低了其密实程度﹒混凝土承重骨架呈现多孔疏松状，且玻化微珠强度较低，在外力作用下，易被压碎，造成内部微小裂缝拓展成孔隙裂缝，强度降低﹒大量空腔的存在，降低混凝土强度的同时又阻隔了热量在混凝土内部的传导通道，延长了热量的传递时间和路线，提高了其热阻性能，使混凝土的导热系数进一步降低﹒

2)粉煤灰影响因素分析﹒图5为不掺玻化微珠，粉煤灰掺量分别为0%，10%，20%和30%时，混凝土试件抗压强度与导热系数关系曲线﹒

图5 未掺玻化微珠时抗压强度与导热系数关系变化曲线

从图5中可明显看出，未掺玻化微珠时，随粉煤灰掺量的递增，混凝土试件的抗压强度与导热系数呈现相同变化规律，均是先增大后降低，且均在粉煤灰掺量为20%时达到最大值﹒粉煤灰掺量20%时，混凝土抗压强度相对掺量为0%，10%和30%时分别增幅67.21%，51.49%和75.86%，导热系数分别增幅2.43%，2.68%和8.79%﹒

粉煤灰的适量掺入，水泥被部分取代，粉煤灰表观密度相对水泥较小，能使浆体密度降低，粘度增大，改善混凝土拌合物的和易性，减弱骨料分层，增加密实度，提高混凝土强度；此外，粉煤灰中火山空心微珠在水泥水化的碱性环境中能充分发挥潜在活性，其化学组分中的氧化硅和氧化铝等活性物质能与水泥水化后的产物氢氧化钙发生二次水化反应生成大量凝胶产物，促使混凝土内部结构更加密实，强度进一步增大，使得热量在固态中的传导路线变长，提高保温隔热性能﹒但随着粉煤灰掺量进一步增大，水泥掺量相应减少，水化产物氢氧化钙的生成量变少，降低了粉煤灰二次水化反应速度，凝胶产物浓度过低，与粗细骨料的黏结作用减弱，且过量的粉煤灰还会包裹在周边水泥浆上阻止其水化，导致混凝土结构内部孔隙增多，在受到外部荷载时，骨料位移变形加强，裂纹延伸，抗压强度降低﹒

3 结论

1)引气型玻化微珠粉煤灰保温混凝土试件抗压强度数值区间为13.9～35.4MPa，导热系数数值区间为0.371～0.432 W/(m·K)﹒抗压强度与导热系数数值成正比关系，证实抗压强度的提高与导热系数的降低是相互矛盾的﹒

2)玻化微珠掺量为20%，粉煤灰掺量为10%时，引气型玻化微珠粉煤灰保温混凝土的抗压强度为35.4 MPa，导热系数为0.432 W/(m·K)，此时，其兼具承重混凝土的力学性能和良好的热工性能，符合我国居住建筑节能设计中对墙体材料的设计要求﹒

3)在引气型保温混凝土中单掺玻化微珠或粉煤灰，混凝土试件的抗压强度与导热系数随掺量的递增呈现相同变化规律，均是先增大后降低，且均在掺量为20%时达到最大值，这表明玻化微珠和粉煤灰对引气型保温混凝土强度的提高和保温性能均有不同程度影响，存在最优掺量﹒