利用輕質紅黏土陶粒制備陶粒泡沫混凝土的研究

賈曉釗 雷國元 宋均平 向 銳 毛紹波 許 彥

（1.武漢科技大學資源與環境工程學院，湖北武漢430081；2.武鋼資源集團有限公司，湖北武漢430080）

泡沫混凝土作為新型節能環保材料，具有輕質、保溫、隔聲、耐火、減震、耐久、利廢、環保等特點［1-2］。陶粒泡沫混凝土為普通泡沫混凝土的升級產品，強度更高，且保溫、耐久等性能更好［3］。從目前的研究與實踐看，陶粒泡沫混凝土所采用的多為粒型系數較高的頁巖陶粒［4-5］，鮮有使用低粒型系數的黏土陶粒生產泡沫混凝土的報道。

紅黏土是礦山開采過程中較常見的一種剝離土，目前利用率極低，其開發利用有利于提高資源的利用率，減輕企業的安全與環保壓力［6］。紅黏土具有塑性系數高、成球性能好的特點。因此，在制備陶粒方面具有獨特的優勢。

試驗以某冶金熔劑礦山廢棄紅黏土為主要原料生產的陶粒為骨料，進行了泡沫混凝土制備研究。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗原料

（1）陶粒。試驗用輕質紅黏土陶粒的性能指標見表1。

（2）水泥。水泥為中建商品混凝土有限公司的42.5等級普通硅酸鹽水泥，其物理力學性能見表2。

（3）發泡劑。發泡劑為鹽城市世隆裝飾材料有限公司的FP-180型動物蛋白質發泡劑，外觀為棕褐色液體，其性能指標見表3。

（4）減水劑。減水劑為中建商品混凝土有限公司ZJSS-1型聚羧酸型減水劑，其性能指標見表4。

（5）玻璃纖維。玻璃纖維為佛山市平吉復合材料有限公司生產的耐堿玻璃纖維，其性能指標見表5。

（6）試驗用水為自來水。

1.2 試驗方法

1.2.1 陶粒泡沫混凝土原料配方試驗

將發泡劑與水按質量比1∶20配成發泡液后用發泡機制取泡沫，泡沫密度為30～35 kg/m3；再將已浸泡1 h并瀝干至飽和面干的陶粒與水泥、玻璃纖維等按設計配合比加入混凝土攪拌機中干拌均勻，加入水、減水劑、泡沫，漿體充分攪拌3 min后在30 mm×30 mm×30 mm混凝土試模中澆注成型，放置1 d后脫模，按標準養護法養護28 d。

《GB/T 23450-2009建筑隔墻用保溫條板》對墻板厚度的規定有90、120、150 mm等3種規格，對應的面密度要求分別為小于85、100、110 kg/m2，對應的體密度要求分別為小于944、833、733 kg/m3。其中，120 mm板的體密度對應《JG/T 266-2011泡沫混凝土》中的A08干密度等級（800～840 kg/m3）；《GB/T 23450-2009建筑隔墻用保溫條板》對抗壓強度（≥3.5 MPa）的要求較《JG/T 266-2011泡沫混凝土》（1.8～3.0 MPa）更高；《GB/T 23450-2009建筑隔墻用保溫條板》對質量吸水率無明確要求、《JG/T 266-2011泡沫混凝土》中A08干密度等級對應吸水率等級為W20（≤20%）。

因此，按照《GB/T 23450-2009建筑隔墻用保溫條板》規定的方法測定試件的干表觀密度、抗壓強度；按照《JG/T 266-2011泡沫混凝土》規定的方法測定試件的干表觀密度、質量吸水率。

1.2.2 送檢樣品制備方法

依據陶粒泡沫混凝土原料配方試驗結果，確定各物料最佳配比，用100 mm×100 mm×100 mm及300 mm×300 mm×30 mm試模澆注陶粒泡沫混凝土試件，標準條件養護28 d后送至湖北省建材產品質量監督檢驗站。

相較傳熱系數大小取決于材料的導熱系數、固體表面的形狀、壁面兩側流體的物性等因素，導熱系數更能反映材料本身的保溫性能，而且通常情況下行業標準嚴于國家標準，《JG/T 266-2011泡沫混凝土》作為泡沫混凝土行業標準，頒布晚于國家標準《GB/T 23450-2009建筑隔墻用保溫條板》。所以，試驗將依據《GB/T 23450-2009建筑隔墻用保溫條板》測定試件干表觀密度、抗壓強度，依據《JG/T 266-2011泡沫混凝土》測定試件導熱系數。

2 試驗結果與討論

2.1 陶粒泡沫混凝土原料配方試驗

2.1.1 陶粒添加量對陶粒泡沫混凝土強度及吸水率的影響

在泡沫混凝土的生產過程中，降低水泥添加量可降低生產成本，而適當提高陶粒添加量可減少水泥添加量。陶粒添加量（300、350、400、450 kg/m3）試驗的陶粒粒型系數為1.2，調整水泥添加量，以控制混凝土成型密度，對應的水泥添加量分別為440、400、360、320 kg/m3，減水劑的添加量與水泥的質量比為1%，水灰比為0.31，發泡劑添加量與水泥的質量比為0.125%（即泡沫的體積與水泥質量的比為0.9 L/kg），玻璃纖維添加量為0。陶粒添加量分別為300、350、400、450 kg/m3的情況下試件的干表觀密度非常穩定，分別為829、826、827、828 kg/m3，陶粒添加量對陶粒泡沫混凝土試件抗壓強度及吸水率的影響見圖1。

由圖1可知：試件的抗壓強度隨陶粒添加量的增加而降低，但均高于3.5 MPa，這是因為隨著陶粒添加量的增加，試件內部陶粒的表面積增大，包裹陶粒的水泥漿密度降低，阻礙陶粒位移的力量減小，受外力作用時試件更易產生裂紋；吸水率隨陶粒添加量的增加而增加（陶粒添加量超過400 kg/m3后，試件的吸水率高于W20的吸水率等級），這是因為陶粒具有吸水性，其添加量的增加導致試件吸水率升高。綜合考慮，確定陶粒添加量為400 kg/m3。

2.1.2 發泡劑添加量對陶粒泡沫混凝土強度及吸水率的影響

陶粒添加量為400 kg/m3，陶粒粒型系數為1.2，水泥添加量為360 kg/m3，減水劑與水泥的質量比為1%，水灰比0.31，發泡劑與水泥的質量比分別為0.075%、0.100%、0.125%、0.150%（亦即加入的泡沫體積與水泥質量比分別為0.4、0.7、0.9、1.1 L/kg），玻璃纖維添加量為0。發泡劑添加量對陶粒泡沫混凝土試件抗壓強度及吸水率的影響見圖2、圖3。

由圖2、3可知：各試件干表觀密度隨發泡劑添加量增加而降低，在添加量為0.125%時符合120 mm板的密度等級；各試件的抗壓強度均高于3.5 MPa，且隨著發泡劑添加量的增加而降低，當發泡劑添加量超過0.125%后，試件的抗壓強度急劇降低；吸水率隨發泡劑添加量增加而增加，發泡劑添加量超過0.125%后高于W20吸水率等級。這是因為，隨著發泡劑添加量的增加，泡沫摻入量增加，水泥漿密度降低，有更多的泡沫破碎導致混凝土孔隙率增加，抗壓性能降低，吸水性升高［7］。綜合考慮，確定發泡劑添加量與水泥的質量比為0.125%。

2.1.3 粒型系數對陶粒泡沫混凝土強度和吸水率的影響

試驗選用粒度相同、粒型系數分別為1.2、1.3、1.5的陶粒，在陶粒添加量為400 kg/m3，水泥添加量為360 kg/m3，減水劑與水泥的質量比為1%，發泡劑與水泥的質量比為0.125%，水灰比為0.31，玻璃纖維添加量為0情況下試件的干表觀密度非常穩定，分別為827、829、832 kg/m3。粒型系數對陶粒泡沫混凝土試件抗壓強度和吸水率的影響見圖4。

由圖4可知：各試件的抗壓強度均高于3.5 MPa，且隨著粒型系數的增大而降低。這是因為隨著粒型系數的增加，陶粒比表面積增大，水泥總量不變的情況下混凝土拌合物的和易性、保水性及密實性均降低，進而導致其抗壓強度降低［8］；各試件吸水率無明顯差別，均低于W20的吸水率等級。綜合考慮，確定選用粒型系數為1.2的陶粒。

2.1.4 水灰比對陶粒泡沫混凝土強度及吸水率的影響

在陶粒添加量為400 kg/m3，粒型系數為1.2，水泥添加量為360 kg/m3，減水劑與水泥的質量比為1%，發泡劑與水泥的質量比為0.125%，玻璃纖維添加量為0，水灰比分別為0.28、0.31、0.34、0.37情況下，試件的干表觀密度非常穩定，分別為838、827、824、821 kg/m3，水灰比對陶粒泡沫混凝土試件抗壓強度及吸水率的影響見圖5。

由圖5可知：各試件的抗壓強度隨水灰比的提高先上升后下降，但均高于3.5 MPa，高點在水灰比為0.31時；各試件的吸水率隨水灰比的提高而緩慢降低，且均低于W20吸水率等級。這是因為，隨著水灰比的增大，混凝土漿體流動性、和易性增強，易于澆注，但過量的水會降低漿體黏聚性和泡沫穩定性［9］，導致成型強度降低。綜合考慮，確定水灰比為0.31。

2.1.5 玻璃纖維添加量對陶粒泡沫混凝土強度及吸水率的影響

在陶粒添加量為400 kg/m3，陶粒粒型系數為1.2，水泥添加量為360 kg/m3，減水劑與水泥的質量比為1%，發泡劑與水泥的質量比為0.125%，水灰比為0.31，玻璃纖維添加量與水泥的質量比分別為0、0.4%、0.8%、1.2%情況下，試件的干表觀密度非常穩定，分別為827、823、825、821 kg/m3，玻璃纖維添加量對陶粒泡沫混凝土試件抗壓強度及吸水率的影響見圖6。

由圖6可知：隨著玻璃纖維添加量的增加，各試件的抗壓強度先上升后下降，但均高于3.5 MPa，在玻璃纖維添加量為0.8%時，試件的抗壓強度達到峰值，這是因為，適當增大玻璃纖維的添加量，有利于阻礙混凝土在受外力時在內部產生裂縫［10-11］；玻璃纖維的添加量對試件吸水率無明顯影響，各試件均低于W20的吸水率等級。綜合考慮，確定玻璃纖維的添加量為0.8%。

2.2 確定條件下陶粒泡沫混凝土試件的性能

在陶粒添加量為400 kg/m3，陶粒粒型系數為1.2，水泥添加量為360 kg/m3，減水劑與水泥的質量比為1%，發泡劑與水泥的質量比為0.125%，玻璃纖維與水泥的質量比為0.8%，水灰比為0.31情況下制得的混凝土試件關鍵性能指標見表6。

由表6可知，確定條件下陶粒泡沫混凝土試件的各項關鍵性能指標均達到《GB/T 23450-2009建筑隔墻用保溫條板》、《JG/T 266-2011泡沫混凝土》的技術標準。

3 結論

以某較低粒型系數和吸水率的黏土陶粒與泡沫、玻璃纖維、水泥等為原料可制得輕質陶粒泡沫混凝土。在粒型系數為1.2的陶粒添加量為400 kg/m3，水泥添加量為360 kg/m3，減水劑與水泥的質量比為1%，發泡劑與水泥的質量比為0.125%，玻璃纖維與水泥的質量比為0.8%，水灰比為0.31情況下制得的混凝土試件的干密度為821.3 kg/m3，抗壓強度為3.64 MPa，導熱系數為0.199 W/（m·K），達到《GB/T 23450-2009建筑隔墻用保溫條板》120 mm板、《JG/T 266-2011泡沫混凝土》A08級泡沫混凝土的技術標準。