核殼型免燒輕骨料的制備與性能研究

  建筑工業(yè)化是我國綠色建筑發(fā)展的主要途徑與必然選擇。順應(yīng)建筑工業(yè)化的發(fā)展，考慮產(chǎn)品的運(yùn)輸、安裝、吊裝等因素，集輕質(zhì)、保溫、吸音等為一體的高比強(qiáng)輕質(zhì)材料或混凝土必將成為建筑工業(yè)化的必然選擇^[1]。實(shí)現(xiàn)高比強(qiáng)輕質(zhì)混凝土的技術(shù)手段主要是引入氣泡和采用輕骨料兩種途徑，引入氣泡的方式發(fā)展出加氣混凝土和泡沫混凝土，這類材料強(qiáng)度偏低，收縮大，易開裂，但價(jià)格較低。近幾年輕骨料以輕質(zhì)、保溫、節(jié)能的優(yōu)異性能得到推廣，在新型墻材中開始占主導(dǎo)地位，已成為我國發(fā)展最快的新型建筑材料之一。

  我國在輕骨料的研究起步稍晚，始自20世紀(jì)60年代，以粘土陶粒、頁巖陶粒和粉煤灰陶粒為主。傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝以粘土、頁巖等為原料，采用回轉(zhuǎn)窯的高溫?zé)Y(jié)技術(shù)，能耗大，生產(chǎn)環(huán)境差、工藝落后、產(chǎn)量較低。根據(jù)國家節(jié)約能源政策，為減少對粘土、頁巖等自然資源的使用，原料多樣化，以垃圾、污泥等廢棄物為原料的產(chǎn)品有所發(fā)展，主要仍為燒結(jié)工藝，此后節(jié)能免燒輕骨料制備技術(shù)的研究得到發(fā)展。如孫盛祥^[2]研制出粒徑為5~20mm免燒輕骨料，自然養(yǎng)護(hù)，堆積密度為650~800kg/m³，28d筒壓強(qiáng)度可達(dá)6MPa。龐蘭輝^[3]等研制出70%粉煤灰摻量免燒輕骨料，容重為600~900kg/m³，其筒壓強(qiáng)度為3~10 MPa。馮乃謙^[4]利用泡沫塑料為芯材研制出自然含水狀態(tài)下表觀密度780kg/m³，筒壓強(qiáng)度3.7~4.0MPa，吸水率19%的免燒粉煤灰輕骨料。馬彥濤^[5]研制了粉煤灰摻量在80%以上，表觀密度840~910kg/m³，筒壓強(qiáng)度4.5~6.0MPa，吸水率17%～22%的免燒粉煤灰輕骨料。

  研制較高摻量粉煤灰制品時(shí)，多采用粉煤灰-石灰/水泥/堿(鹽) -鋁硅酸鹽體系。本研究采用粉煤灰-水泥-石灰體系制備核殼型免燒輕骨料，采用單顆承載力和硬度表征免燒輕骨料的性能，研究石灰摻量、水泥摻量和成熟度模數(shù)對免燒輕骨料性能的影響，同時(shí)研究核殼免燒輕骨料的耐高溫性能。

  1試驗(yàn)原材料與試驗(yàn)方法

  試驗(yàn)采用PII52.5水泥；Ⅰ級粉煤灰；石灰，有效CaO含量為60%；界面粘結(jié)劑。

  單顆承載力測試采用數(shù)顯式推拉力計(jì)，選擇一定加載速度勻速向下壓骨料，直至破碎，記錄峰值即可。硬度采用邵氏D硬度計(jì)，在試樣相距至少6mm的不同位置測量硬度值5~10次，取平均值。筒壓強(qiáng)度依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17431.2-2010輕集料及其試驗(yàn)方法 第2部分：輕集料試驗(yàn)方法進(jìn)行測試。

  2免燒輕集料的制備

  免燒輕集料制備，采用核殼結(jié)構(gòu)，采用憎水粒徑在4～6mm廢棄EPS顆粒作為內(nèi)核，經(jīng)過界面處理后，分散均勻后待用。把各種粉料按比例充分混合，將混合均勻的粉料和經(jīng)過預(yù)處理的內(nèi)核一起放入成球機(jī)成球，新生料球置于空氣中自然養(yǎng)護(hù)一段時(shí)間后，采用不同的方式進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，得到成品。所得產(chǎn)品粒形好，接近圓形，顆粒大小均勻，如圖1所示。

  圖1 免燒輕骨料

  3試驗(yàn)結(jié)果與討論

  3.1 石灰摻量對免燒輕骨料性能的影響

  在粉煤灰-水泥體系中，加入水泥一方面是利用水泥本身的膠結(jié)能力，另一方面水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)₂是粉煤灰活性激發(fā)劑，而水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)₂量是有限的，因此需增加Ca(OH)₂含量以激發(fā)粉煤灰的活性。為確保免燒輕骨料的強(qiáng)度，粉料中水泥用量控制在50%，粉煤灰和石灰總量控制在50%。成型后早期80℃蒸養(yǎng)15h后采用保濕養(yǎng)護(hù)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

  表1  Ca(OH)2摻量對輕骨料性能的影響

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  可以看出，各組輕骨料的堆積密度控制在650kg/m³左右，1h吸水率均偏高，在26.7%~29.5%，高于人造輕骨料應(yīng)小于20%的規(guī)定。粒徑4.75~9.5mm樣品的筒壓強(qiáng)度顯著高于粒徑9.5~16mm的樣品。

  石灰摻量的變化，對輕骨料性能影響較小，石灰摻量從5%~20%，隨著石灰摻量的提高，筒壓強(qiáng)度先升高后降低，但總體變化幅度不超過10%。其中石灰最佳摻量為15%，有效CaO含量為9.0%；水泥熟料完全水化生成的Ca(OH)₂約占總重量的25%，考慮水泥中5%的摻合料和5%的助磨劑，適當(dāng)考慮未完全反應(yīng)，水泥提供的有效CaO約占總量的7.5%，合計(jì)有效CaO含量約占粉煤灰質(zhì)量的37%。研究表明，粉煤灰磚中粉煤灰約占總量的40%~50%，有效CaO摻量宜為總量的10%~14%^[6]，約占粉煤灰質(zhì)量的20%~35%，最佳石灰摻量與之相近。為避免CaO過量帶來的體積膨脹，石灰摻量可取10%。

  3.2水泥摻量對免燒輕骨料性能的影響

  固定石灰用量占粉煤灰和石灰總量的15%，改變水泥與粉煤灰和石灰總量的比例，即改變水泥摻量，制備輕骨料，測得其性能如表2所示。

  表4.2  不同水泥摻量下免燒輕骨料試驗(yàn)結(jié)果

  可以看出，水泥與粉煤灰和石灰的比例對免燒輕骨料性能的影響較大。在球形較好的狀態(tài)下，與粒徑9.5~16mm的輕骨料相比，粒徑4.75~9.5mm的堆積密度高20~30kg/m³，孔隙率約低2%，而筒壓強(qiáng)度高1.3MPa~2MPa。隨著粉煤灰摻量的提高，堆積密度降低，筒壓強(qiáng)度也大幅度降低。結(jié)合經(jīng)濟(jì)性和比強(qiáng)考慮，滿足高強(qiáng)輕骨料的要求，可優(yōu)出CF23組配合比，即水泥摻量40%。

  3.3 筒壓強(qiáng)度與單顆承載力、硬度的相關(guān)性研究

  通常采用筒壓強(qiáng)度來表征輕骨料的性能，但筒壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)量較大，因此研究提出采用單顆承載力，擬結(jié)合硬度來表征輕骨料的力學(xué)性能。顯然單顆承載力與殼層厚度有關(guān)，因此測試了不同Ca(OH)₂摻量下不同厚度輕骨料單顆承載力隨齡期的發(fā)展規(guī)律，并每組測試了20~30顆骨料單顆承載力與硬度值，且硬度值的測試每顆至少測試3次，取其平均值。并與市場燒結(jié)陶粒測試結(jié)果進(jìn)行對比。

表3不同厚度輕骨料的單顆承載力

  由于在成球過程中，外殼層厚度會存在不均勻性，同一顆骨料，不同位置硬度存在差異，硬度數(shù)據(jù)離散性較大。由表3可以看出，各組在28d的硬度在85~90之間，接近硬度的極限值100，而此時(shí)對應(yīng)的單顆承載力，在同厚度如2.5mm，3.5mm下，單顆承載力分別為167N~352N、275N~586N，幾乎相差一倍；筒壓強(qiáng)度在3.81~6.98MPa，幾乎也相差一倍，因此硬度與單顆承載力和筒壓強(qiáng)度的相關(guān)性不大。

  在不同厚度下，輕骨料的單顆承載力與筒壓強(qiáng)度均具有良好的相關(guān)性，且能更準(zhǔn)確的反映材料的力學(xué)性能。由于采用了蒸養(yǎng)制度，力學(xué)性能的發(fā)展較快。在Ca5~Ca20四組輕骨料中，其3d的承載力達(dá)到28d的73%~89%，而7d在此基礎(chǔ)上增加4%~10%，達(dá)77%~94%。最佳摻量組Ca15在早中期，承載力的發(fā)展速度最慢，這是因?yàn)槭业淖罴褤搅?，是針對長齡期而言，早中期大量的Ca(OH)₂未能充分反應(yīng)，而摻量更高時(shí)，雖然過量，但也加速了粉煤灰的反應(yīng)。

  由于水泥含量對免燒輕骨料性能的影響較大，因此力學(xué)性能的發(fā)展速度的差異也較大，3d承載力在28d的60%~90%之間，而7d達(dá)到28d的70%~96%。

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  市場燒結(jié)陶粒單顆承載力均勻性較差，分散性大，而自制免燒輕骨料分散性小；相同外殼層厚度、硬度條件下，免燒輕骨料單顆承載力遠(yuǎn)大于燒結(jié)陶粒，是燒結(jié)陶粒的6.5~7.9倍；4.75~9.5 mm粒徑下，免燒輕骨料筒壓強(qiáng)度是陶粒的1.49~2.05倍，可見免燒輕骨料與燒結(jié)陶粒相比，承載力存在明顯優(yōu)勢。

  3.4 養(yǎng)護(hù)溫度對免燒輕骨料性能的影響

  對上述Ca15的配合比制樣成球，在空氣中自然養(yǎng)護(hù)一段時(shí)間后放入蒸養(yǎng)箱中，分別在40℃、60℃、80℃中養(yǎng)護(hù)不同時(shí)間后取出，放于標(biāo)養(yǎng)室中養(yǎng)護(hù)7d和28d，以單顆承載力來研究相同的模數(shù)下，對骨料力學(xué)性能的發(fā)展規(guī)律，如圖2所示?？梢钥闯?，成熟度模數(shù)對早期力學(xué)性能影響較大，隨著成熟度模數(shù)的增加，7d承載力幾乎成線性增加，而到28d后，不同成熟度模數(shù)下，承載力相差不大，都在460N~500N之間，80℃略高3%～6%。

  圖2  成熟度模數(shù)對單顆承載力的影響

  3.5耐高溫性能

  制備的核殼型免燒輕骨料在爐內(nèi)加熱至預(yù)定試驗(yàn)溫度，并恒溫30min，然后用特制夾具將骨料取出，溫度調(diào)整約20~30min后可進(jìn)行試驗(yàn)，測定質(zhì)量失重率、高溫抗壓強(qiáng)度，觀察從室溫加熱到1000℃時(shí)的物理狀態(tài)變化。測得常溫下平均單顆承載力為496N，在不同溫度下，混凝土的顏色及表面損傷等狀況見下表4和圖3。

  表4 免燒輕骨料的耐高溫性能

  圖3  高溫下骨料的表面特征

  可以看出，輕骨料從常溫加熱至200℃時(shí)，因內(nèi)部自由水蒸發(fā)，失重較快，但強(qiáng)度會相應(yīng)提高，表面不發(fā)生變化，內(nèi)部少部分泡沫缺失；在200~400℃時(shí)，化學(xué)結(jié)合水脫出，失重緩慢增大，強(qiáng)度不下降，顏色由灰色變至灰褐色，內(nèi)部泡沫變成薄薄一層黏在顆粒內(nèi)殼上；溫度超過400℃后，水泥水化的Ca(OH)₂成分分解脫水；600℃時(shí)，強(qiáng)度降到了初始強(qiáng)度的64.9%，此后強(qiáng)度劣化速度顯著加快。則失重更大。600~1000℃時(shí)，顏色均變成土黃色且基本不再發(fā)生改變，700~800℃，CaCO₃的受熱分解，800℃后骨料表層出現(xiàn)細(xì)小裂縫，當(dāng)溫度升至1000℃后，裂縫有相應(yīng)發(fā)展。

  4結(jié)論

  （1）球形度較好的輕骨料，與粒徑9.5~16mm相比，粒徑4.75~9.5mm的堆積密度高20~30kg/m³，孔隙率約低2%，而筒壓強(qiáng)度高1.3MPa~2MPa。

  （2）變化石灰摻量對輕骨料力學(xué)性能影響較小，而變化水泥摻量對輕骨料力學(xué)性能影響較大。隨著石灰含量的提高，筒壓強(qiáng)度先升高后降低，優(yōu)選出合理的石灰摻量15%；隨著水泥摻量的降低，堆積密度降低，筒壓強(qiáng)度也大幅度降低，優(yōu)選出水泥摻量為40%。優(yōu)化出的配方堆積密度在(630~690) kg/m³，筒壓強(qiáng)度在4.4~6.1MPa。

  （3）硬度與單顆承載力和筒壓強(qiáng)度的相關(guān)性不大，單顆承載力與筒壓強(qiáng)度均具有良好的相關(guān)性。免燒型骨料與燒結(jié)陶粒相比，承載力存在明顯優(yōu)勢。

  （4）成熟度模數(shù)對早期力學(xué)性能影響較大，隨著成熟度模數(shù)的增加，7d承載力幾乎成線性增加，而到28d后，不同成熟度模數(shù)下，承載力相差不大。

  （5）制備的免燒輕骨料具有良好的耐高溫性能，400℃時(shí)強(qiáng)度不下降，600℃時(shí)能保持完整，單顆承載力降低約35%。

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