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全 国中文核心期刊 新 癯 建魄 粉 免蒸压工艺下粉煤灰加气混凝土性能影响因素分析 李怀玉， 谢 自强， 岳涛， 李碹 ( 中煤科工集团重庆 设计研 究院， 重庆4 0 0 0 1 6 ) 摘要 ： 分别研究在免蒸压工艺下胶凝材料组分、 活性矿物掺合料、 外加剂和养护： [ 艺对粉煤灰加气混凝土性能的影响， 并采用 S E M微观分析解释 了加气混凝土在不 同养护工艺下性能差异的原 因。研究结果对免蒸压加气混凝土生产应用具有一定的指导意义 。 关键词： 免蒸压； 加气混凝土； 粉煤灰； 性能影响； S E M 中图分类号： T U 5 2 2 ． 3 + 2 文献标识码 ： A 文章编号： 1 0 0 1 — 7 0 2 X( 2 0 1 1 ) 0 5 — 0 0 3 8 — 0 5 Fac t or s i nflue nc i ng pe r f o r manc e s o f aut oc l av e — — f r e e fly a s h— - bas e d ae r a t e d c onc r et e LI Hu ai y u， XI E Zi q i a ng， YUE T a o， LI Xu a n ( Ch i n a C o a l T e c h n o l o g y ＆ E n g i n e e r i n g Gr o u p C h o n g q i n g De s i g n ＆ Re s e a r c h I n s t i t u t e ， Ch o n g q i n g 4 0 0 01 6 ， Ch i n a ) 墙体是建筑围护结构的重要组成部分，建筑围护结构节 能是通过开发具有高效保温隔热性能的建筑材料及产品， 并 采用一定的建筑构造形式增强建筑围护结构的保温隔热性 能， 以降低建筑能耗。因此， 集轻质高强、 热工性能好、 施工效 率高等优点为一体的加气混凝土得到了快速的发展和应用。 本文采用免蒸压工艺，通过优化原材料组合方案和养护 工艺，可作为一种改性效果较好的技术路线应用于制备免蒸 压加气混凝土。 1 加气混凝土性能优化试验及结果分析 1 ． 1 原材料 水泥： 重庆拉法基P 0 4 2 ． 5 水泥， 3 d 抗压、 抗折强度分别 为 1 7 ． 6 、 3 ． 7 4 M P a ， 2 8 d 抗压、 抗折强度分别为4 4 ． 5 、 8 ． 9 1 M P a ； 生石灰： A — C a O含量7 0 ％， 取自重庆冬笋轻质建材有限公司； 脱硫二水石膏： C a O含量3 1 ． 6 ％， S O 含量4 2 ％，重庆九龙坡 电厂产； 粉煤灰： 重庆九龙坡电厂准Ⅱ 级粉煤灰； 减水剂： 萘系 高效减水剂， 重庆恒盛外加剂公司产； 早强剂： 采用典型有机 和无机盐类( 三乙醇胺和硫酸钠) ， 重庆西南化学试剂有限公 司产； 促凝剂： C A S 型， 重庆川东化工有限公司产； 活性矿物掺 合料： 埃肯S F 硅灰( S i O 含量9 0 ． 5 ％ ) 和滕辉G N A( S 9 5 ) 磨细 矿渣粉； 发气剂： 加气混凝土铝粉膏， 河北三鑫建材公司产。 1 ． 2 第 1 阶段试验及结果分析 本阶段设计L 1 ( 4 ) 正交试验研究， 因素水平见表 l ， 原材 基金项 目： 重庆市“ 十一五 ” 科技攻关项 目( C S T C 2 0 0 8 A A4 0 2 3 ) 收稿 日期 ： 2 0 1 1 — 0 1 — 1 7 作者简介 ： 李怀玉 ， 男， 1 9 8 2年 生， 贵州遵义人 ， 硕士研究生 ， 从事建筑 节能、 绿色建 筑设计研究 。地 址： 重庆市渝 中区长江二路 1 7 7号， E — ma i l ： l i h y 6 6 6 @ 1 63 ．e o m 3 8 新型建筑材料 2 0 1 1 ． 5 料组合方案中铝粉掺量为粉体总质量的0 ． 0 8 ％，减水剂掺量 根据浆体流动度调整， 各组浆体流动度均大于 1 8 0 m m 。主要 以试件立方体抗压强度、 干密度和浆体膨胀率为考核指标， 试 验结果见表2 。 表 1 正交试验因素水平 羔一 一 瞅 ～ 咖 蚴 蚴 咖 泖 ㈣ ㈨ 哪 黜 一揪 谳 ～ 咖 蚴 蚴 咖 泖 ㈣ ㈨ 哪 黜 一姗 ～⋯ ～ 鲫 如 粥 瞄 加 钉 一 一 一 一 一 舶 ” 加 " 档 一一 。 奇一 一 撕 日 一 一 棚 一， 2 ， m 巧 一注 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 李怀玉， 等： 免蒸压工艺下粉煤灰加气混凝土性能影响因素分析 采用正交试验设计极差分析在判断各因素作用时缺乏一 个定量， 分析结果精度较差ll _ 。为了更加准确地确定各因素水 平间的较优组合， 分别把各指标按单一指标进行方差分析( 表 3 表5 ) ， 然后再对各指标计算分析结果进行综合平衡。 表 3 1 4d 饱 水抗压强度方差分析 注 ： “ 表示 因素对考核指标的影响显著性程度 ， 下 同 表 4 干密度方差分析 表 5 膨胀率方 差分析 综合考察各考核指标： ( 1 ) 各因素对加气混凝土性能影响的主次顺序见表 6 ， 水 料比是显著影响因素， 水泥掺量次之， 石膏和石灰掺量影响不 显著。 表 6 各因素对考核 指标 的影响结果 根据表2 正交试验 结果，借 助数学软件采用多元 线性回 归的方法， 得到强度指标与各因素之间的关系式： 户1 4 ． 1 1 6 2 + 0 ． 0 0 5 2 A + 0 ． 0 8 7 1 B - 0 ． 4 5 1 0 C - 2 7 ． 4 3 1 3 D 式中： 产 _ _1 4 d 饱水抗压强度， M P a ； A ——石灰掺量， ％； —— 水泥掺量， ％； C ——石膏掺量， ％； 一 水料比。 通过数理统计方法对关系式进行线性相关检验，结果表 明， 在9 9 ％置信度水平下， 加气混凝土强度值与各因素呈显 著多元线性相关。 ( 2 ) 随着水料比的降低， 浆体流动性差， 发气与稠化速度 向2 个相反的方向发展。萘系高效减水剂的加入使浆体具有 适宜的流动度， 调节了 发气与稠化速度间的矛盾， 有利于加气 混凝土形成致密、 均匀的气孔结构。 与普通混凝土强度形成的 影响因素不同， 加气混凝土通过水料比对浆体稠度的影响， 制 约着膨胀率和干密度的变化， 又直接影响到抗压强度。 ( 3 ) 水泥掺量增加可加速坯体硬化， 提高坯体的强度， 进 一 步水化生成更多C S H凝胶和A F t ， 提高加气混凝土强度。 1 ． 3 第 2阶段试验及结果分析 考虑到第 1 阶段试验制备的免蒸压加气混凝土强度和密 度等级与蒸压加气混凝土国标中的规定存在一定的差距， 且 过高的水泥掺量对生产成本不利。为了最大限度地提高低等 级粉煤灰用量， 相应地降低水泥用量， 参照外加剂和矿物掺合 料对普通混凝土性能的作用机理，本阶段试验采用外加剂和 活性矿物掺合料对免蒸压养护工艺下制品的性能进行改善。 采用水泥胶砂试验方法，基准料浆配合比设定为水胶比 0 ． 6 ， 渠河细砂掺量 1 3 5 0 g ( 细度模数0 ． 9 8 ) ， 水泥掺量4 5 0 g 。 原材料组合方案中选取典型的有机和无机类早强剂三乙醇胺 和硫酸钠进行粉煤灰胶砂单掺试验，通过外加剂对粉煤灰活 性的激发效果， 确定其较优掺量， 配合比及试验结果见表 7 。 表 7 胶砂试验配合 比及试验结果 注 ： 三 乙醇胺和硫酸钠掺量按胶凝材料总量 的百分 比计。 NE W BUI L Dl NG MAT E RI AL S 3 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 李怀玉， 等： 免蒸压工艺下粉煤灰加气混凝土性能影响因素分析 由表 7可知： ( 1 ) 三乙醇胺掺量为0 ． 0 7 ％的胶砂试件相对第2 组未掺 试件的7 d 和2 8 d 抗压强度分别增长 8 9 ％ 和7 0 ％，试件的早 期强度显著提高， 并促进了后期强度的增长。另有试验表明， 当掺量大于0 ． 0 7 ％时， 试件强度发展趋于平缓。 这可以解释为 三乙醇胺的掺入促进了水泥中C A的水化， 它能加快钙矾石 的生成， 随着掺量增多， 钙矾石转变成单硫型硫铝酸钙的速度 加快， 保证了后期强度的提高。 ( 2 ) 硫酸钠提高为 1 ． 5 ％时， 试件 7 d和2 8 d 抗压强度较 掺量为0 ． 3 ％的第2 组分别增长了2 2 1 ％~ 11 8 4 ％。表明硫酸钠 能够促进水泥早期水化反应， 但早期水化物结构形成较快， 结 构致密程度较差一些， 因而后期强度发展缓慢。 有资料表明，三乙醇胺和硫酸钠的复掺使用能较好地发 挥早强作用闭 。在外加剂试验的基础上， 原材料组合方案中同 时掺入活性矿物掺合料，进一步研究早强剂的复掺和活性矿 物掺合料对加气混凝土性能的影响。配合比固定基准组的粉 煤灰掺量5 9 ％、水泥掺量3 0 ％、铝粉掺量0 ． 1 6 ％，水料比取 0 ． 3 4 ， 减水剂掺量视浆体稠度调整。 配合比及试验结果见表8 。 表 8 第 2阶段试验配合 比及试验 结果 由表 8司知： ( 1 )掺入0 ．5 ％的硅灰对免蒸压加气混凝土性能影响不 大。 由于加气混凝土强度值与干密度成正比关系， 虽然当硅灰 掺量增加到 1 ． 0 ％、 1 ． 5 ％时， 1 4 d抗压强度相比硅灰掺量为 0 ． 5 ％的试件略有提高， 但试件成型干密度较大， 所以在低水 料比 下， 硅灰的掺入对加气混凝土的改性效果不理想。 ( 2 ) 与硅灰的掺入效果形成鲜明对比， 磨细矿渣粉在低等 级粉煤灰加气混凝土中的掺入效果非常明显，掺量为3 ％ 和 5 ％的试件 1 4 d 抗压强度较基准组分别提高了4 3 ％ 和 8 8 ％。 表 8 中掺量同为 l ％的硅灰和磨细矿渣粉， 2 组试件成型干密 度相差不大， 而后者强度增长更为明显。结果表明， 在免蒸压 工艺下利用低等级粉煤灰制备加气混凝土，掺入活性高的磨 细矿渣粉与浆体水化产物反应生成更多的水化硅酸钙，有利 于试件强度的发展I3 ] 。 ( 3 ) 在干密度均值基本相同的前提下， 复掺2 种早强剂的 加气混凝土各龄期的强度均高于基准组， 1 4 d强度增长 7 6 ％， 强度增长仅次于掺5 ％磨细矿渣粉的作用效果。 因此， 复 掺三乙醇胺和硫酸钠可作为一种效果较好的外加剂应用于改 善加气混凝土性能。 1 ． 4 第 3阶段试验及结果分析 本阶段试验参照J T J 0 5 3 —9 4 《 公路工程水泥混凝土试验 4 0 新型建筑材料 2 0 1 1 ． 5 规程》 中的促凝剂配方进行砂浆促凝压蒸试验， 测试通过水浴 箱加速养护后的试件强度。配合比及试验结果见表9 。 由 表 9 可见： ( 1 ) 在8 5℃水浴环境下加速养护加气混凝土试件， 前 3 组试件5 d 抗压强度高出同龄期标养试件 1 0 5 ％。结果表明， 由于在热养护条件下粉煤灰玻璃体结构网络被破坏， S i ～0 、 A l 一0键断裂， 活性硅、 铝易溶出， 加快了水化产物的形成， 加 气混凝土强度发展较快，试件在短时间内即可获得较高的强 度。 ( 2 ) 水料比为0 ． 3 4时， 结合第2阶段矿渣粉单掺试验结 果可知，早强剂和矿渣粉的复合掺入更加有利于提高加气混 凝土性能。而且从试件性能和成形性、 完整性来看， 无论是促 凝剂的单掺还是促凝剂与矿渣粉复合掺入，其掺入效果都不 如早强剂与矿渣粉的复合掺加。 因此， 参考砂浆促凝压蒸法选 用的促凝剂， 在粉煤灰加气混凝土中的使用效果不好。 ( 3 ) G B l 1 9 6 8 --2 0 0 6 规定B 0 8 级加气混凝土合格品的干 密度不大于8 2 5 k g ／ m ， 抗压强度不小于7 ． 5 M P a 。 表9中通过 掺加外加剂和活性矿物掺合料热养护工艺下制备的第 1 组试 件虽然干密度略高于B O B ，但 5 d龄期强度等级已达到了 A 7 ． 5 级蒸压加气混凝土合格品要求。由于本试验采用小模发 气制备加气混凝土， 未能充分利用水泥水化和石灰消解放热， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 李怀玉， 等： 免蒸压工艺下粉煤灰加气混凝土性能影响因素分析 表 9 第 3阶段试验配合 比及试验结果 注： ( 1 ) 促凝剂总用量按粉 体质量 的 l ％计； ( 2 ) 早强剂的用量 按粉体质量 百分 比掺入； ( 3 ) 水浴箱升温速率为 4 0 ～ 6 0％／ h ， 升温阶段 总时间为 2 ． 0 ～ 2 ． 5 h 。 ( 4 ) G B 1 1 9 6 8 -- 2 0 0 6《 蒸压加气混凝 土砌块》 规定砌块 出釜 自然养护 5 d后方 可出厂使用 ， 因此强度对 比测试龄期设定为 5 d 。 不利于铝粉发气和制品强度的增长，与企业规模化制备的产 品存在一定的性能差异。 因此， 通过采用工业化生产进一步调 整水料比， 改善孔结构和孔壁强度， 可进一步降低制品密度并 提高其强度以达到G B 1 1 9 6 8 --2 0 0 6 要求。 2 热工性能及微观结构试验 2 ． 1 热工性能试验 将表9中第 1 组热养护下制备的粉煤灰加气混凝土与几 种墙体材料保温隔热性能进行对比， 结果见表 1 0 。 表 1 0 几种墙体材料保温隔热性能对 比 由表 1 0 可知， 本文研制的加气混凝土的导热系数较低， 密度较小， 采用较小的保温层厚度即可获得较大的热阻值， 制 品热工性能优异。 2 ． 2 微观结构试验 对表9中第1 组标养和热养试件分别进行扫描分析( 分 别见图1 图2 ) 。图3为热养成型试件气孔结构图。 图1 表明，标养条件下的加气混凝土水化产物以石膏结 晶体为主， 没有托贝莫来石和水化石榴子石出现， 孔隙较多， 结合较弱。 一 一 一 一 图2 表明，热养条件下的加气混凝~z k 4 L 产物主要以片 状氢氧化钙、 针棒状钙矾石、 凝胶和结晶度介于凝胶和托贝莫 来石晶体之间的C S H( B ) 为主， 还有少量托贝莫来石及A F t 、 ■霸■ 图 3 热养 加气混凝土试件的气孑 L 结构 N E W BU J L D J NG M AT E R J A L S 41 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 李怀玉， 等： 免蒸压工艺下粉煤灰加气混凝土性能影响因素分析 加气混凝土强度与孔结构有关， 强度随孔隙率增大而降 低。图3 表明， 试验制备的加气混凝土气孔结构分布均匀， 孔 径形状以椭圆形为主，孔径和孑 L 问壁厚度均不足0 ． 1 r t l m ， 经 测试孔隙率在5 0 ％ 6 0 ％。 S E M分析结果表明， 免蒸压粉煤灰加气混凝土由于养护 温度较低， 水化产物结晶度较低， 凝胶数量较多， 凝胶孔的含 量比结晶良好的托贝莫来石要多， 因而它的收缩性较大， 制品 强度发展尤其是后期强度会受到制约 。 3 结语 ( 1 ) 水料比和水泥掺量是影响加气混凝土性能的最主要因 素， 加气混凝土的抗压强度与 试验各因素问存在显著线性关系。 ( 2 ) 早强剂和矿渣粉的复掺更加有利于提高加气混凝土 的性能。 ( 3 ) S E M分析结果表明， 与蒸压加气混凝土水化产物不 同， 免蒸压工艺下制备的加气混凝土水化产物结晶度较低， 结 合较弱， 产品收缩较大， 在工程应用中易发生开裂破坏现象。 因此， 为了更好地推广使用免蒸压加气混凝土， 应深入研究其 收缩性能。 参考文献： 【 1 ] 刘振学 ， 黄仁和 ， 田爱民． 实验数据 与数据处理【 M】 ． 北京 ： 化学工 业出版社 ， 2 0 0 5 ： 9 0 — 1 3 0 ． [ 2 ] 陈建奎 ． 混凝 土外 加剂原 理与应 用【 M] ． 北京 ： 中 国计 划 出版 社 ， 2 0 0 4： 1 01 一l l 2． [ 3 ] 王瑞燕 ， 王进思 ， 徐华 ， 等． 耐磨 砼在高速公路收费广场的应用研 究[ J J ． 重庆交通大学学报 ， 2 0 0 7 ( 4 ) ： 7 4 — 7 7 ． [ 4 ] 吴笑梅 ， 樊粤 明． 粉煤灰加气混凝 土水化产物的种类和微观结构 I J 1 ．华南 理1： 大学学报 ， 2 0 0 3 ， 3 1 ( 8 ) ： 5 8 — 6 1 ． A ( 上接 第 8页) 率为0 ． 0 1 4 m m ／ s ， 仅为干燥养护下毛细管吸附率的1 3 ％， 标 准养护制度下毛细管吸附率的2 2 ％。聚合物涂层所形成的高 分子薄膜封堵砂浆试件表面大量的开放毛细孔，有效阻止了 外界水分的侵入， 使试件毛细管吸附率降低， 抗渗性能提升； 但由于水蒸气扩散嗣 在试件内毛细孔中产生凝结， 引发毛细作 用， 部分凝结水向内迁移导致毛细管吸附依旧存在。 2 ． 5 聚合物涂层对表层混凝土抗氯离子扩散 性 能 的影 响 表5 为涂覆 7 O m厚聚合物涂层对表层混凝土试件氯 离子扩散系数的影响。 表 5 聚合物涂层对混凝土氯离子扩散系数的影响 项 目 氯离子扩散深度／ mm 氯 离子扩散系数／ ( x l 0 2 I 1 】 2 ／ s ) 由表5 可见， 相对于基准混凝土， 涂覆聚合物涂层的表层 混凝土试件氯离子扩散深度由1 8 ． 5 m m降低至 1 3 ．2 5 I n m ， 氯 离子扩散系数由7 ． 7 9 9 x 1 0 m V s 减小至5 ． 9 4 4 x 1 0 m 2 ／ s 。氯 离子主要是通过表层混凝土的微裂纹及开放毛细孑 L 的毛细作 用渗透至混凝土内部17 1 ， 聚合物涂层封闭了混凝土表层绝大多 数的开放毛细孔， 填充表层微裂纹， 使混凝土结构更加密实， 缺陷减少， 有效提升了表层混凝土的抗有害介质渗透性能。 3 结语 ( 1 ) 聚合物涂层有效降低混凝土表层砂浆试件的干燥收缩 率， 随着涂层涂覆厚度的增加， 其减缩效果趋于明显。砂浆试 件表面涂覆聚合物涂层后， 其7 d 抗折与抗压强度相对于标准 4 2 新型建筑材料 2 0 1 1 ． 5 养护试件分别增大约9 ％和2 2 ％，但2 8 d 强度发展不及标准 养护试件。 ( 2 ) 表层混凝土试件涂覆聚合物涂层后， 3 d 碳化深度有所 降低， 但随着碳化龄期的增长， 当碳化层超过 1 0 m m后， 试件 的碳化深度增幅趋于明显。 ( 3 ) 聚合物涂层使混凝土表层砂浆试件的毛细管吸附量明 显降低， 试件的抗渗性能得到显著提升。 聚合物涂层涂覆的混 凝土表层砂浆试件毛细管吸附率仅为干燥养护制度下毛细管 吸附率的1 3 ％， 标准养护制度下的2 2 ％。 ( 4 ) 表层混凝土试件经聚合物涂层涂覆处理后， 试件的氯 离子扩散系数由7 ． 7 9 9 x 1 0 m 2 ／ s 降至5 ．9 4 4 x 1 0 m 2 ／ s ，抗氯 盐侵蚀性能得到明显提高。 参考文献 ： [ 1 ] K r e i j g e r P C ． T h e s k i n o f c o n c r e t e c o mp 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