核殼結構免燒輕骨料的制備與性能研究

龐超明，呂夢媛，孫友康

(1.東南大學材料科學與工程學院，江蘇省土木工程材料重點實驗室，南京　211189； 2.河北九易莊宸股份有限公司，石家莊　050031)

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核殼結構免燒輕骨料的制備與性能研究

龐超明1，呂夢媛2，孫友康1

(1.東南大學材料科學與工程學院，江蘇省土木工程材料重點實驗室，南京211189； 2.河北九易莊宸股份有限公司，石家莊050031)

針對核殼結構免燒輕骨料的制備技術，研究采用單顆承載力來表征人造輕骨料的力學性能，研究了石灰摻量、水泥摻量、不同養護方式下成熟度模數對免燒輕骨料性能的影響，同時研究了核殼結構免燒輕骨料的耐高溫性能。結果表明，單顆承載力與筒壓強度具有良好的相關性，石灰摻量對粉煤灰摻量為50%的輕骨料力學性能影響較小，水泥摻量對輕骨料力學性能影響較大。成熟度模數對早期力學性能影響較大，隨著成熟度模數的增加，7 d承載力幾乎成線性增加，但對28 d力學性能影響不大。所制備的核殼免燒型骨料，承載力與燒結陶粒相比存在明顯優勢，具有良好的耐高溫性能，400 ℃時強度不下降，600 ℃時顆粒仍保持完整，承載力降低約35%，可用于結構自保溫材料。

核殼結構； 免燒輕骨料； 筒壓強度 ； 單顆承載力； 耐高溫性能

1　引　言

建筑工業化是我國綠色建筑發展的主要途徑。順應建筑工業化的發展，考慮產品的運輸、安裝、吊裝等因素，集輕質、保溫、吸音等為一體的高比強輕質材料必將成為建筑工業化的必然選擇。混凝土實現輕質的技術手段主要是引入氣泡和采用輕骨料兩種途徑，引入氣泡的方式發展出加氣混凝土和泡沫混凝土，這類材料強度偏低，收縮大，易開裂，尤其是低強導致的吊掛力低，使用感差，但價格較低。輕骨料以其輕質、多孔、保溫、節能的優異性能，近幾年在各種要求功能的材料中得到推廣，如利用其輕質和保溫特性應用于制備陶粒混凝土隔墻板、樓面板等受力要求不高的新型高比強輕質材料中；利用其多孔的吸附特性用于水處理、過濾材料[1]或相變儲能材料[2,3]等。

我國對輕骨料的研究起步稍晚，始自20世紀60年代，以粘土陶粒、頁巖陶粒和粉煤灰陶粒為主。傳統生產工藝以粘土、頁巖等為原料，采用回轉窯的高溫燒結技術，能耗大，生產環境差、工藝落后、產量較低。為減少對粘土、頁巖等自然資源的使用，以垃圾、污泥等廢棄物為原料的陶粒有所發展，仍為燒結工藝，此后節能免燒輕骨料制備技術的研究陸續出現，但總體發展緩慢。孫盛祥[4]研制出粒徑為5～20 mm免燒輕骨料，自然養護，堆積密度為650～800 kg/m3，28 d筒壓強度可達6 MPa。馬彥濤[5]研制了粉煤灰摻量在80%以上，表觀密度840～910 kg/m3，筒壓強度4.5～6.0 MPa，吸水率17%～22%的免燒粉煤灰輕骨料。馮乃謙[6]利用泡沫塑料為芯材研制出自然含水狀態下表觀密度780 kg/m3，筒壓強度3.7～4.0 MPa，吸水率19%的免燒粉煤灰輕骨料。楊魁 采用EPS為芯材，制備了表觀密度570～890 kg/m3，筒壓強度0.82～4.3 MPa的核殼免燒輕骨料。總體而言，研究文獻偏少，所制備的各類陶粒堆積密度較高，且進一步降低難度大，比強仍然偏低。

研制較高摻量粉煤灰制品時，多采用粉煤灰-石灰或水泥或堿(鹽)-鋁硅酸鹽體系。本研究采用粉煤灰-水泥-石灰體系研究核殼型免燒輕骨料的制備技術，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對免燒輕骨料性能的影響，同時研究核殼免燒輕骨料的耐高溫性能。研究制備的集料，制備工藝易調節，產品類中空，輕質高比強，可用于制備集高比強、保溫隔熱、隔音吸音、防火于一體建筑墻體或結構材料。

2　試　驗

2.1原材料與試驗方法

試驗采用PII52.5水泥；Ⅰ級粉煤灰；石灰，有效CaO含量為60%，采用熒光分析測得的成分如表1所示。

表1　原材料的化學組成

單顆承載力測試采用數顯式推拉力計，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，在試樣相距至少6 mm的不同位置測量硬度值5～10次，至少取10顆以上樣品，取平均值。筒壓強度依據標準GB/T 17431.2-2010輕集料及其試驗方法 第2部分：輕集料試驗方法進行測試。

2.2免燒輕集料的制備

免燒輕集料制備，采用核殼結構，使用憎水粒徑在4～6 mm廢棄EPS顆粒作為內核，采用界面處理劑進行界面處理，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過預處理的內核一起放入成球機成球，同時以噴灑方式添加15%～25%的水分，新生料球置于空氣中自然養護一段時間后，采用不同的方式進行養護，得到成品。所得產品粒形好，接近圓形，顆粒大小均勻，粒徑可調，如圖1所示。采用該工藝，通過內核大小與功能的改變，殼層厚度和配方的調整，可進行各種功能性核殼型免燒輕集料的開發，如改用儲熱內核，則可采用該工藝制備具備儲熱功能的高比強輕集料。

圖1　免燒輕骨料Fig.1　Free-sintering lightweight aggregate

3　結果與討論

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能力，另一方面水泥水化產生的Ca(OH)2是粉煤灰活性激發劑，而水泥水化產生的Ca(OH)2量是有限的，因此需增加Ca(OH)2含量以激發粉煤灰的活性。為確保免燒輕骨料的強度，研究將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15 h后采用保濕養護，試驗結果如表2所示。

表2　Ca(OH)2摻量對輕骨料性能的影響

可以看出，各組輕骨料的堆積密度控制在650 kg/m3左右，1 h吸水率均偏高，在26.7%～29.5%，高于人造輕骨料應小于20%的規定。粒徑4.75～9.5 mm樣品的筒壓強度顯著高于粒徑9.5～16 mm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%，可見合理的CaO摻量可一定范圍內提高單位密度下的強度，即實現高比強。研究表明，粉煤灰磚中有效CaO 摻量宜為總量的10%～14%[7]，其中粉煤灰約占總量的40%～50%，可估算CaO應占粉煤灰質量的20%～35%。由于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，假定水化程度為0.7，水泥提供的有效CaO約占總量的7.5%，因此宜添加的有效CaO含量應為2.5%～10%。考慮到石灰摻量取值從15%降低至10%，即有效CaO含量從9%降至6%，筒壓強度降低幅度不大，為減少CaO混合不均勻局部過量帶來的體積膨脹的風險，因此實際可取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3所示。

表3　不同水泥摻量對免燒輕骨料性能的影響

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，提高水泥摻量可顯著提高比強。在球形較好的狀態下，粒徑4.75～9.5 mm的輕骨料與粒徑9.5～16 mm相比，堆積密度高20～30 kg/m3，孔隙率約低2%，而筒壓強度高1.3～2 MPa。隨著粉煤灰摻量的提高，堆積密度降低，筒壓強度也大幅度降低。結合經濟性和比強考慮，滿足高強輕骨料的要求，可優出CF23組配合比，即水泥摻量40%。

3.3筒壓強度與單顆承載力、硬度的相關性研究

通常采用筒壓強度來表征輕骨料的性能，但筒壓強度實驗量較大，因此研究提出采用單顆承載力，擬結合硬度來表征輕骨料的力學性能。顯然單顆承載力與殼層厚度有關，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展規律，每組測試了20～30顆骨料單顆承載力與硬度值，其中硬度值每顆至少測試3次，取其平均值，并與市場燒結陶粒測試結果進行對比。3 d和7 d齡期在不同厚度的承載力如圖2所示，28 d力學性能如表4所示。

圖2　不同厚度下的單顆承載力(a)3d;(b)7dFig.2　Single load bearing capacity of LA with different thickness

No.Singleloadbearingcapacity/N3.5mm3mm2.5mmCylindercrushstrength/MPa4.75-9.59.5-16HardnessCa53372812255.984.1289Ca104033122816.294.5990Ca155124033086.474.6788Ca203783012676.184.3089CF325864603526.985.0286CF234653582316.124.3688CF133693262264.713.4285CF142751981673.812.4686Commercial5-8mm63(40-100)3.1640-60Commercial15-18mm305(110-500)2.5560-80

從圖2可以看出，在不同齡期下，單顆承載力隨著殼層厚度的增大，幾乎成線性增長。而殼層的本體強度決定了其截距與斜率，而殼層本體強度進一步由殼層配方決定。

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，不同位置硬度測試結果存在差異，數據離散性較大。由表4可以看出，各組在28 d的硬度在85～90之間，接近硬度的極限值100，此時對應的筒壓強度在3.81～6.98 MPa，幾乎相差一倍，同厚度下如3.0 mm時，單顆承載力為198～460 N，幾乎也相差一倍，因此硬度與單顆承載力和筒壓強度的相關性不大。而單顆承載力，厚度為2.5 mm、3.5 mm時，單顆承載力分別為167～352 N、275～586 N；在相同厚度下，輕骨料的單顆承載力與筒壓強度均具有良好的相關性，且能更準確的反映材料的力學性能。由于采用了蒸養制度，力學性能的發展較快。在Ca5～Ca20四組輕骨料中，其3d的承載力達到28 d的73%～89%，而7 d在此基礎上增加4%～10%，達77%～94%。最佳摻量組Ca15在早中期，承載力的發展速度最慢，這是因為石灰的最佳摻量，是針對長齡期而言，早中期大量的Ca(OH)2未能充分反應，而摻量更高時，雖然過量，但也加速了早齡期下粉煤灰的反應。由于水泥含量對免燒輕骨料性能的影響較大，因此力學性能的發展速度的差異也較大，3 d承載力在28 d的60%～90%之間，而7 d達到28 d的70%～96%。

市場燒結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大于燒結陶粒，是燒結陶粒的6.5～7.9倍；4.75～9.5 mm粒徑下，免燒輕骨料筒壓強度是陶粒的1.49～2.05倍，可見免燒輕骨料與燒結陶粒相比，承載力存在明顯優勢。

3.4養護溫度對免燒輕骨料性能的影響

圖3　成熟度模數對單顆承載力的影響Fig.3　Effects of maturity modulus on single load bearing capacity of LA

對上述Ca15的配合比制樣成球，在空氣中自然養護24 h后放入蒸養箱中，分別在40 ℃、60 ℃、80 ℃中養護不同時間后取出，放于標養室中養護7 d和28 d，以單顆承載力來研究相同的模數下，對骨料力學性能的發展規律，如圖3所示。可以看出，成熟度模數對早期力學性能影響較大，隨著成熟度模數的增加，7 d承載力幾乎成線性增加，而到28 d后，不同成熟度模數下，承載力相差不大，都在460～500 N之間，80 ℃略高。

3.5耐高溫性能

制備的核殼型免燒輕骨料在爐內加熱至預定試驗溫度，并恒溫30 min，然后用特制夾具將骨料取出，溫度調整約20～30 min后可進行試驗，測定質量失重率、高溫抗壓強度，觀察從室溫加熱到1000 ℃時的物理狀態變化。測得常溫下平均單顆承載力為496 N，在不同溫度下，混凝土的顏色及表面損傷等狀況見表5和圖4。

可以看出，輕骨料從常溫加熱至200 ℃時，因內部自由水蒸發，失重較快，但強度會相應提高，表面不發生變化，內部少部分泡沫缺失；在200～400 ℃時，化學結合水脫出，失重緩慢增大，強度不下降，顏色由灰色變至灰褐色，內部泡沫變成薄薄一層黏在顆粒內殼上；溫度超過400 ℃后，水泥水化的Ca(OH)2成分分解脫水；600 ℃時，顏色變成土黃色，且此后基本不再發生改變，強度降到了初始強度的64.9%，此后強度劣化速度顯著加快，失重更大。700～800 ℃，CaCO3的受熱分解，800 ℃后骨料表層開始出現細小裂縫，當溫度升至1000 ℃后，裂縫有較大發展，強度損失極大，承載力基本喪失。

3.5結構自保溫混凝土性能

使用上述輕集料制備大流動性高比強微孔輕集料混凝土，其中水膠比0.30，同時摻加30%的粉煤灰，輕集料體積用量為43%，泡沫體積摻量15%，所測得28 d性能如表6所示，制備的C30混凝土，干密度僅1500 kg/m3，表明該輕骨料可用于制備集保溫吸音防火于一體的高比強結構自保溫材料。

表5　免燒輕骨料的耐高溫性能

圖4　高溫下輕骨料的表面特征(a)200 ℃;(b)400 ℃;(c)600 ℃;(d)800 ℃;(e)1000 ℃Fig.4　Surface character of LA after high temperature

Drydensity/kg/m3Compressivestrength/MPaSplittingstrength/MPaBendingstrength/MPaAcousticabsorptivityThermalconductivity/W/m·K154037.92.452.870.280.41

4　結　論

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

(2)選擇合理的石灰摻量和提高水泥含量均能提高免燒輕骨料的比強。粉煤灰摻量為50%，石灰摻量對力學性能影響較小，而水泥摻量影響較大。隨著石灰含量的提高，筒壓強度先升高后降低，優選的石灰摻量為15%；隨著水泥摻量的降低，堆積密度降低，筒壓強度也大幅度降低，優選出水泥摻量為40%。優化配方后制備的免燒輕骨料堆積密度在630～690 kg/m3，筒壓強度在4.4～6.1 MPa，比強較高，具有良好的耐高溫性能，400 ℃時強度不下降，600 ℃時能保持完整，單顆承載力降低約35%，但吸水率偏高；

(3)免燒輕骨料的硬度與單顆承載力和筒壓強度的相關性不大，而單顆承載力與筒壓強度具有良好的相關性；單顆承載力隨著殼層厚度的增大，幾乎成線性增長。成熟度模數對免燒輕骨料的早期力學性能影響較大，隨著成熟度模數的增加，7 d承載力幾乎成線性增加，而到28 d后，不同成熟度模數下，承載力相差不大；

(4)研制出的免燒輕集料，結構類似中空，工藝易于實現產品性能的調節；與燒結陶粒相比，單顆承載力存在明顯優勢；可用于制備集高比強、保溫隔熱、隔音吸音、防火于一體結構自保溫材料。

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[2] 朱圣曉，胡小芳.石蠟儲能顆粒粒度分布與相變儲能復合石膏板導熱系數的關系研究[J].新型建筑材料,2009(1)：16-19.

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[4] 孫盛祥，華豫震，章茂木,等.非煅燒粉煤灰輕骨料及其制作方法[P].CN86106928.1986-10-09.

[5] 馬彥濤. 粉煤灰雙免建筑陶粒的研制[J].粉煤灰綜合利用，2005(3):53.

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Preparation and Properties of Free-Sintered Lightweight Aggregate with Core-Shell Structure

PANGChao-ming1,LVMeng-yuan2,SUNYou-kang1

(1.School of Material Science and Engineering,Southeast University,Jiangsu Key Laboratory of Civil Engineering Materials,Nanjing 211189,China;2.Heibei Jiuyizhuangchen Technology Co.LTD.,Shijiazhuang 050031,China)

In order to preparation the free-sintered lightweight aggregate(LA), the mechanical properties of artificial lightweight aggregate were characterized by single load bearing capacity, and the effects of properties for LA on the content of lime or cement, the maturity modulus under different curing condition were studied . The test results show that the single bearing capacity have good correlation with the cylinder strength of LA, The lime content have little effect on the mechanical properties of lightweight aggregate with 50% total content of Fly ash and lime, while cement content has a great influence on them. The maturity modulus has a great influence on the mechanical properties at the early age. With the increase of the maturity modulus, the load bearing capacity of 7 d is almost linear increasing, while it has little effect on the mechanical properties of 28 d. The core-shell LA has higher load bearing capacity compared with the sintered LA and good high temperature resistance. When the temperature is up to 400 ℃, the strength is not decreased, when it is up to 600 ℃, the sphere can still remain intact but its bearing capacity decreased by about 35%.The LA can be used for structural self-insulation materials.

core-shell structure;free-sintered lightweight aggregate;cylinder crush strength;single load bearing capacity;high temperature resistance

國家自然科學基金(51108077)；高性能土木工程材料國家重點實驗室開放基金(2013CEM002)

龐超明(1977-)，女，高工，博士.主要從事先進土木工程材料方面的研究.

TU5

A

1001-1625(2016)07-2121-07