生土泡沫混凝土试验研究.pdf

第 1 8卷第 1期 2 0 1 5年 2月 建筑材料学报 J OURNAL OF BUI LDI NG MATERI AL S VO 1 1 8 No 1 Fe b ， 2 0 1 5 文章编号 ： 1 0 0 7 9 6 2 9 ( 2 0 1 5 ) o i 一 0 0 0 1 0 6 生 土 泡 沫 混 凝 土 试 验 研 究 陈 兵 ， 胡华洁 ， 刘 宁 ( 上海 交通 大学 土木 工程 系 ，上海 2 0 0 2 4 O ) 摘要：以生土作为填料 ， 制备 了生土泡沫混凝 土 试验研 究了生土泡沫混凝土的千表观 密度、 抗压 强度 、 导热 系数 、 孔 隙分 布和 吸 湿特性 ， 探 讨 了微 硅 粉 对 生土 泡 沫混 凝 土 抗压 强度 和 导热 系数 的影 响 结果表明 ： 生土泡沫混凝土干表观密度 、 抗压强度和导热 系数均随着泡沫掺量( 体积分数) 的增 大而减 小 ； 随微硅 粉 掺 量( 质 量分 数 ) 增 大 ， 生 土 泡 沫 混凝 土抗 压 强 度 和保 温 隔热 性 能 同时得 到 改 善 利 用 生土作 填料 ， 同时掺 加 2 O 微 硅 粉 ， 可 以制备 出干 表观 密度 、 抗 压 强 度和 导热 系数 分 别 为 7 9 0 k g m。 ， 7 8 MP a 及 0 1 5 6 W ( m K) 的性能优异的生土泡沫混凝土( 泡沫掺量为 6 O 0A) 泡沫 掺 量 7 5 的生 土泡 沫混 凝 土( 未掺 微硅 粉 ) 的 纳米级 孔 隙量低 ， 吸 湿 能力 小 关 键词 ：生 土 ；泡 沫混凝 土 ；导热 系数 ；抗 压 强度 ；吸 湿特性 中图分 类 号 ： TU5 2 8 2 文献 标志 码 ： A d o i ： 1 0 3 9 6 0 j i s s n 1 0 0 7 9 6 2 9 2 0 1 5 0 1 0 0 1 Ex p e r i me n t a l Re s e a r c h o n I mma t u r e S o i l Ba s e d Fo a m Co n c r e t e CHEN Bi n g， HU Hu a j i e。 LI U Ni n g ( De p a r t me n t o f Ci v i l En g i n e e r i n g，S h a n g h a i J i a o t o n g Un i v e r s i t y，S h a n g h a i 2 0 0 2 4 0，Ch i n a ) Ab s t r a c t ：I mma t u r e s o i l wa s u s e d a s f i l l e r t o p r e p a r e i mma t u r e s o i l b a s e d f o a m c o n c r e t e Th e p r o p e r t i e s ， s u c h a s d r y a p p a r e n t d e n s i t y，c o mp r e s s i v e s t r e n g t h，t h e r ma l c o n d u c t i v i t y，p o r e s t r u c t u r e a n d mo i s t u r e a b s o r p t i o n c h a r a c t e r i s t i c o f i mma t u r e s o i l b a s e d f o a m c o n c r e t e we r e e x p e r i me n t a l l y r e s e a r c h e d Th e e f f e c t o f s i l i c a f u me o n c o mp r e s s i v e s t r e n g t h a n d t h e r ma l c o n d u c t i v i t y o f i mma t u r e s o i l b a s e d f o a m c o n c r e t e wa s s t u d i e d a s we l 1 Th e e x p e r i me n t a l r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e d r y a p p a r e n t d e n s i t y ，c o mp r e s s i v e s t r e n g t h a n d t h e r ma l c o n d u c t i v i t y o f i mma t u r e s o i l b a s e d f o a m c o n c r e t e d e c r e a s e wi t h i n c r e a s i n g u s e 1 e v e l ( b y v o l u me )o f f o a m The c o mpr e s s i v e s t r e ng t h a nd t h e r ma l i n s u l a t i o n o f i mm a t u r e s o i l ba s e d f o a m c o n c r e t e a r e bo t h i m p r o v e d wi t h i n c r e a s i n g u s e 1 e v e l ( b y ma s s )o f s i l i c a f u me M o r e o v e r ，t h e i mma t u r e s o i l b a s e d f o a m c o n c r e t e ( 6 0 f o a m)wi t h a d r y a p p a r e n t d e n s i t y o f 7 9 0 k g m。 ，c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f 7 8 MP a ，a n d t h e r ma l c o n d u c t i v i t y o f 0 1 5 6 W ( m K)i S p r o d u c e d t o u s e i mma t u r e s o i 1 a s f i l l e r a n d wi t h a d d i t i o n o f 2 0 s i l i c a f u me Na n o s c a l e p o r e v o l u me o f i mma t u r e s o i l b a s e d f o a m c o n c r e t e wi t h 7 5 f o a m ( wi t h o u t s i l i c a f u me a d d e d )i S l O W a n d i t s mo i s t u r e a b s o r p t i o n a b i l i t y i S l O W a l s o Ke y wo r d s ：i mma t u r e s o i l ；f o a m c o n c r e t e ；t h e r ma l c o n d u c t i v i t y；c o mp r e s s i v e s t r e n g t h；mo i s t u r e a b s o r p t i on c h a r a c t e r i s t i c 能源危机使得建筑节能成为众多学者关注的重 点 据 统计 ， 发 达 国家建 筑 能耗 占国 民经 济总 能 耗 的 3 O 5 O ， 而中国单位建筑面积的能耗 约为发达 国家的 3 倍 ， 但其舒适度还远不如人， 这表明建筑节 能在 中国有非常大 的发展空间 建筑节能现在早已 不是 简单 意义 上 的节 能 ， 建 筑 既 节 能又 安 全 舒适 才 是大 家努 力 的最终 目标 因此 ， 如 何利 用现 有 的 自然 资源创造具有 自然空调特性 的低能耗健康建筑成为 收稿 日期 ： 2 0 1 3 一 O 9 0 6 I修 订 日期 ： 2 0 1 3 - 0 9 一 l 1 基金项 目： 国家 自然科学基 金资助项 目( 5 1 3 7 8 3 0 9 )l “ 十二五” 国家科技 支撑计划项 目( 2 0 1 4 B AL 0 3 B 0 3 0 1 ) 第 一作者 ： 陈兵( 1 9 7 3 一) ， 男 ， 安徽安庆人 ， 上海交通大学教授 ， 博士生导师 ， 博 士 E ma i l ： h n t c h e n s j t u e d u c n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 建筑材料学报 第 1 8卷 世 界各 国学 者普 遍关 注 的课 题 泡沫混凝土是近年来飞速发展的一种保温隔热 材料 ， 具有十分优异的性能， 如防火 、 耐久、 隔声、 现 场浇筑 、 原料来源广以及绿色环保等 ， 将成为第一大 建筑保温材料_ 1 泡沫混凝土 的基本原材料主要为 水泥 、 石灰 、 水和发泡剂 ， 但近年来很多研究人员在 作为填料 ， 制备一种新型的生土泡沫混凝土， 然后通 过试验分析研究生土泡沫混凝土 的干表观密度 、 抗 压强度 、 导热 系数 、 孔隙分布和吸湿 特性 ， 以期获得 一 种具 有 自然空 调特性 的生土 泡沫混 凝 土 1 试 验 泡沫混凝土中引入一些填料 ， 以改善泡沫混凝土 的 1 1 原材料与配合比 性能和降低其造价n 生土作为一种来源广泛 、 无 水泥： 上海海螺水泥有限公司海螺牌 4 2 5级普 需任 何加 工且 可 循环 再 生 利 用 的 生态 材 料 ， 在 中 国 通 硅酸 盐水 泥 ， 其 2 8 d抗 压 强度 为 5 6 7 MP a ， 化 学 传统住宅中发挥了极为重要的作用 如陕北窑洞 、 客 组成”见表 1 家土楼、 新疆穹顶土坯房等 ， 这些建筑展现给世人的 微硅粉 ： 由 E l k e n公 司提供 ， 颗粒粒 径 0 0 1 是其冬暖夏凉且湿度适宜 的 自然空调特性 构建这0 1 0 m， 化学组成见表 1 些建筑 自然空调特性是源于这些建筑采用生土制作 生土 ： 上海交通大学校 园内某 处工地开挖 时采 墙体 由于固有纳米级细孔 ， 生土具有较大的蓄热性 集到的黏土， 自然风干 该生土液 限为 4 2 ， 颗粒级 和排湿性 当生土墙体足够厚时 ， 建筑将呈现冬暖夏 配( 见图 1 ) 良好 ， 化学组成见表 1 凉且湿度适宜 的自然空调特征 本文基于此 ， 将生土 发泡剂 ： 采用一种蛋白质类发泡剂 ， 发泡剂与水 衷 1 水泥、 微硅粉及生土的化学组成 T 曲l e 1 C h e mi c a l c o mp o s i t i o n s ( b y ma s s ) o f c e me n t 。s i l i c a f u m e a n d i mma t u r e s o i l M a t e r i a l S i Oz A1 2 O3 Fe z O3 Ca O M g O Na 2 O Kz O S O3 M n O I L Ce me nt S i l i c a f u me I mma t u r e s o i 1 S i e v e s i z e ram 图 1 生土颗粒级配 曲线 F i g 1 S i e v e c u r v e o f i mma t u r e s o i l g r a n u l e s 质 量 比为 1： 5 0 添加剂 ： 实验室 自制的一种用于提高生土黏结 力和加速水泥水化 的外加剂 ( 主要成分为硅酸钾) ， 其用量 控制 在生 土掺 量 的 0 0 1 9 6 O 2 0 生 土泡沫 混凝 土配合 比见表 2 1 2试 件制 作与 养护 本研究采用预制泡沫 的方法进行生土泡沫混凝 土制备 首先将生土与胶凝材料 ( 水泥和微硅粉) 及 添加剂按 给定 比例加入到搅拌机 中， 搅拌 1 mi n左 右 ， 再将 水 添加 到搅 拌机 中继 续搅 拌 2 mi n左 右 ， 使 料浆拌和均匀 采用专用泡沫发泡剂进行发泡并将 1 ) 文中涉及的化学组成 、 用量 等除特别说 明外均为质量分数 泡沫按给定的掺量( 以占料浆体积分数计) 添加到料 浆中 ， 搅拌 2 mi n左右 ， 然后浇模成型试件 试 件成 型后 置 于温 度 为 ( 2 0 土2 ) 、 相 对 湿 度 为( 6 0 土1 0 ) 的环境 中养护 ， 1 d后拆模 ， 并继续养 护至 2 8 d ， 然 后进行 相关 试验 1 3性 能测试 选用 7 O 7 mm7 0 7 mm7 0 7 n l m立方体试 件 ， 参照 J GJ 5 l 一 2 0 0 2 轻 骨 料 混凝 土技 术 规 程 进 行混 凝 土干 表观 密度测 试 混凝土 抗压强度测试 选用 7 0 7 mmX 7 0 7 r n mx 7 O 7 mm立方体试件 每种配合比取 3个试件进行测 试 ， 取平 均值 混凝 土抗压强 度测试 在 3 0 0 k N 的液压 伺服试验机上进行 ， 加荷速度为 0 3 O 5 MP a s 参照 J GJ 5 1 2 O O 2进行混 凝 土导 热 系 数测 试 试 验 中 以 3块试 件 ( 配合 比相 同) 为 1 组 ， 3 块 试件分 别为： 薄试件( 2 O 0 mm2 0 0 mm2 O mm) 1块， 厚试 件 ( 2 0 0 IT l mx 2 0 0 mmX 6 0 mm) 2块 混凝 土 吸湿量 测试 采用 7 O 7 F i l m7 0 7 miT t 7 O 7 IT t m 立方 体试 件 ， 测试 设备 装 置见 图 2 该 设 备 是利用不同浓度的硫酸溶液来控制空气相对湿度 9 L 6 5 3 W 4 O 8 “ 5 0 他 伯 嚣g 套I ) 目 薯ld_ 矗量 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 建筑材料学报 第 1 8卷 土泡沫混凝土导热系数降低 ， 这与以往研究m 得出 的结论 相 同 由 图 4 ( b ) 可 见 ： 随 着 生 土 泡 沫 混 凝 土 FO a l l l u s e l e v e l ， ( a ) T h e r ma l c o n d u c ti v i t y w f o a m n s c l e v e l 抗压强度 的降低 ， 其导 热系数降低 ， 保温隔 热性能 提 高 Co mp r e s s i v e s t r e n g t h MPa ( b ) T h e r ma l c o n d u c t i v i t y坩c o m p r e s s i v e s t r e n g t h 图 4 生土泡沫混凝土导热系数与泡沫掺量及抗压强度 的关 系 F i g 4 Re l a t i o n s h i p s b e t we e n t h e r ma l c o n d u c t i v i t i e s o f i mma t u r e s o i l b a s e d f o a m c o n c r e t e a n d f o a m u s e l e v e l ( b y v o l u me )o r c o mp r e s s i v e s t r e n g t h 综上可知， 制备生土泡沫混凝土 ， 重要的是在其 抗压强度降低与保温隔热性能提高之间寻找一种平 衡 ， 以使生土泡沫混凝土在具备一定抗压强度条件 下 实现保 温 隔热性 能最 大化 通过 调整 泡 沫掺 量 ， 可 以制备 出抗压 强 度 达 到 2 O ， 1 0 ， 5 ， 2 MP a ， 而 导 热 系 数分别为 0 6 5 ，0 2 7 ， 0 2 1 ， 0 1 2 w ( m K) 的生 土泡沫混凝土 ， 用于满足不同工程需求 2 2 生土 与水 泥质 量 比影 响 为了研 究生 土与水 泥质 量 比对生 土泡 沫混 凝 土 抗压强度及导热系数的影响， 选取泡沫掺量为 6 O 的生土泡沫混凝土( 4 ， 6 ， 7 配合 比混凝土) 进行 相 关试 验 生土 与水 泥质量 比对 生土 泡沫 混凝 土抗 压强 度 及导热系数的影响见图 5 由图 5可见 ， 随着生土与 I mma t u r e s o i V c e me n t ma s s r a t i o 图 5 生土与水泥质量 比对生 土泡沫混凝土 抗压强度 和导热 系数 的影响 Fi g 5 E f f e c t s o f i mma t u r e s o i l c e me n t ma s s r a t i o s o n c o mp r e s s i v e s t r e n g t h a n d t h e r ma l c o n d u c t i v i t y o f i mma t u r e s o i l- b a s e d f o a m c o n c r e t e 水泥质量比减小 ， 生土泡沫混凝土抗压强度提高 这 是因为， 生土材料含有绿泥石、 伊 利石及少量石英 、 云母 、 闪石等主要矿物成分， 在 自然状态下以胶粒形 式存在 ， 呈层状 、 片状结构 ，各 晶体之间相互分离 ， 自身难 以产生 强 度 而 形成 稳 定 的结 构 体 掺 入水 泥 后 ， 水泥水化后的产物与生土颗粒胶结成整体 ， 形成 强度 生土与水泥质量 比越小， 即生土掺量越小 ， 水 泥掺量越大 ， 则水泥水化产物与生土颗粒胶结越好 ， 生土泡沫混凝土抗压强度越高 由图 5 还可见 ， 随着生土与水泥质量 比增大 ， 生 土泡沫混凝土导热系数下降， 保温隔热性能提高 ， 这 可能与生土材料内部特殊的微细孔隙有关 2 3微 硅 粉掺量 影 响 微硅粉是一种超细的活性混合材 ， 掺入到水泥 混 凝土 中可 以大 幅度 提高 混凝 土 的强度 采用微硅粉分别取代水泥质量 5 ， 1 O 9 6 ， 1 5 9 6 和 2 O ， 制备 泡沫掺量 为 6 0 的生土泡 沫混凝土 ( 4 ， 8 1 1 配 合 比混 凝 土 ) ， 然 后 测 试 混 凝 土 抗 压强度 和导 热 系数 ， 结果 见 图 6 由图 6可见 ， 适量微硅粉 的掺加一方面大幅度 提高了生土泡沫混凝 土抗压强度 ， 另一方面大幅降 低了生土泡沫混凝土导热 系数 ， 即显著改善了生土 泡沫混凝土保温隔热性能 一般而言 ， 微硅粉的掺加 可 提高混 凝 土 的密实 度 ， 从 而提 高其抗 压 强度 ， 但 微 硅粉的掺加能降低混凝土的导热系数却令人难 以理 解 为此， 笔者采用光学显微镜对不同微硅粉掺量 的 生土泡沫混凝土内部孔隙结构进行 了观察 ， 结果发 现 ， 随着微硅 粉掺 量 的增 大 ， 生 土泡 沫混 凝土 孔 隙结 - 1 舀 一、 壹 3 n 曩 0 Q 目H 譬L L _1) I - u 【 邑 、 蛊 勺 口 8 蜀I a q 工 一 拿 蓉苫召 。 n p u 8 一 l丑 5 O 5 O 5 O 5 O 5 时 翻 暑 a _l s s 2Qd 嗣 0 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m