活性石英粉末改性的轻混凝土制备与性能表征

徐华超+樊传刚+马远+李家茂+雷团结+陈贺

摘要：文中采用磨细石英粉末为活性粉末，污泥烧胀陶粒为粗轻集料，和采用膨胀珍珠岩同时兼作细集料和发泡剂载体，制备出了系列轻混凝土试样，并对其力学性能和热学性能等进行了系统表征。研究发现：1）轻混凝土试样的（绝干）体积密度、28d抗折和劈裂抗拉强度随着磨细石英粉末量增加而增大，当石英粉末量从0%增加到16%时，试样的抗压强度从17.3 MPa增加到20.4 MPa，劈裂抗拉强度从1.7 MPa增加到2.1 MPa（提高了24%）；2）石英粉末的加入对轻混凝土试样的干缩率和导热系数影响幅度较小，当石英粉量从0%到4%变化时，轻混凝土试样的干缩率有轻微变化，当石英粉末从4%增加至16%时，试样的干缩率随之减小（从4.3×10-4减小到3.8×10-4）；当石英粉末量从0%增加到16%时，试样的导热系数从0.24 W·m-1·K-1增大到0.27 W·m-1·K-1。

关键词：磨细石英粉末；轻混凝土；原位化学发泡；力学性能

1引言

住宅产业化是建筑现代化的必要途径，而采用装配式轻质墙材是获得隔音、隔热和抗震装配式建筑的必要手段，同时装配式墙材单位容重的减轻，也会使住宅产业化的重要环节，PC件的搬运和吊装成本大幅度降低[1]。发泡和采用轻集料是使水泥基混凝土轻化的两种主要手段[2-3]，但轻化同时会导致混凝土材料的结构强度降低。笔者所在实验室曾开发出原位发泡的轻混凝土制备方法，通过气泡发生过程可控的手段获得了力学性能增强的轻集料混凝土[4]。通用水泥制品役期碳化问题是导致其长期力学性能下降的主要原因[5]，在胶凝体系中引入硅灰等活性粉末，可使胶结部分的结构强度得到增强，从而会提高轻混凝土的整体力学性能和耐久性[6]，但是作为铁合金冶炼副产的硅灰，其产生量无法满足高性能混凝土的大量需求，因此寻求硅灰替代物的工作显得极为关键。在石英矿开采、加工和玻璃原料加工过程中会产生大量的石英粉尘，这些粉尘是导致"矽肺病"的主要原因[7]。石英粉尘主要为SiO2微粒，具有较高活性，若能作为活性粉末加以资源化利用，将会具有重要环保意义。因此本文模拟以回收石英粉尘（磨细石英粉）作为活性粉末，将其掺入到原位发泡轻集料混凝土中，制备出了系列轻混凝土试样，并系统研究了石英粉末量对轻混凝土试样的力学、热学等性能的影响规律。

2. 实验部分

2.1实验原料

（1）水泥：海螺牌PO 42.5级普通硅酸盐水泥，安徽马鞍山海螺水泥有限责任公司生产。

（2）粉煤灰：I级粉煤灰，马鞍山第二电厂提供，各项技术指标均满足GB/T1596-2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》的要求。

（3）轻集料：污泥烧胀陶粒（以下简称"陶粒"），舒城县盛宏陶粒厂产，其中干污泥占陶粒配料组成的40%，陶粒的基本性能指标见表1。

（4）膨胀珍珠岩：产地信阳，最大粒径为2 mm，最小粒径0.1 mm，堆积容重100 kg/m3。

（5）活性粉末：磨细石英粉（平均粒度为2～15 μm），SiO2≥98%。

（6）其他试剂：化学发泡剂，浓度30%的H2O2溶液，国药集团化学试剂有限公司生产；增稠剂，羧丙基甲基纤维素（HPMC），分析纯，粘度为150000 mpa s，安徽磬琮建材有限公司提供；催化剂，一种过渡金属化合物，分析纯；明胶，分析纯，国药集团化学试剂有限公司产；减水剂，聚羧酸类减水剂（无色，液态），安徽马鞍山中海新材料公司产（推荐量为0.8 %～1.2 %，减水率为25 %～30 %）；增强纤维，聚丙烯纤维（PP纤维），长度为9 mm，直径为5 μm。

2.2 实验仪器及设备

采用陶瓷研磨球和陶瓷研磨罐的球磨机研磨石英粉末，研磨体的直径3cm；混凝土的搅拌设备为一台可变速砂浆搅拌机，拌合好新鲜LAC试样在10 cm 10 cm 10 cm和10 cm×10 cm×51.5 cm的混凝土标准试模中浇注成型，并采用标准塌落度筒测试其塌落度。采用万能试验机（WE-1000A型液压式万能试验机，济南试金集团有限公司产）测试28d齡期的LAC试样抗压和劈裂强度，采用YBF-3型导热系数测定仪（杭州大华仪器制造有限公司产）测量其导热系数。

2.3 实验过程

2.3.1 配合比设计

实验中采用的基准轻混凝土配合比确定为：水灰比为0.36（质量比）；采用等量取代法加入I级粉煤灰等量取代水泥，取代率为20%；PP纤维的体积量为1 kg/m？；陶粒（堆积体积，单位：L）与胶凝材料（质量，单位：kg）的比例为5：3；发泡剂双氧水（浓度30 %）用量为胶凝材料质量的2.8 %；稳泡剂（明胶）用量为加入水质量的1.5 %；增稠剂（HPMC）用量为胶凝材料量的0.125 %；催化剂质量占过氧化氢溶液质量的1.5 %；减水剂选用聚羧酸高效减水剂（占胶凝材料的1.33 %）；在保持上述配比不变的情况下，用石英粉末等量取代粉煤灰，取代量分别占凝胶材料质量的0、4 %、8 %、12 %和16 %（分别记作石英粉0、4 %、8 %、12 %、16 %），制备了5组轻混凝土试样。

2.3.2 试样制备与性能表征

按设计配合比称取一定量的水泥、粉煤灰、石英粉、PP纤维、发泡剂、稳泡剂溶液、催化剂溶液、增稠剂、水、陶粒和膨胀珍珠岩。将发泡剂均匀搅入膨胀珍珠岩中，使其成为发泡剂载体。将水泥、粉煤灰、石英粉、PP纤维和增稠剂喂入搅拌机中，先干拌30 s，再依次加入水、减水剂、稳泡剂和催化剂溶液，并依次慢搅30 s和快搅90 s，搅拌均匀后向其中加入污泥烧胀陶粒（陶粒表面预先润湿），并慢搅120 s，然后向其中连续加入载有发泡剂的膨胀珍珠岩，并继续慢搅60 s，使发泡剂从集料堆积间隙中的载体内释放出来进行原位发泡。待发泡过程结束后，将发泡陶粒混凝土浇入10 cm×10 cm×10 cm和10 cm×10 cm×51.5 cm的混凝土标准试模中，并进行振动以脱出搅拌过程引入的大气泡，静养1 d后脱模，脱模试样在（20±2）℃水中养护至28 d龄期，从水中取出擦干，然后进行各项性能测试。

2.3.3 性能检测

养护28 d的LAC试样抗压、劈裂强度按GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行分析，（绝干）体积密度和吸水率按GB/T11970-1997《加气混凝土体积密度、含水率和吸水率的试验方法》进行分析。其中抗压、劈裂强度和体积密度的测试试样尺寸为10 cm 10 cm 10 cm，干缩率测试试样为10 cm×10 cm×51.5 cm的四方柱。采用稳态法测定导热系数，试样尺寸为 13.5 cm 4 cm。

3.实验结果与讨论

3.1石英粉末的颗粒形貌

图1所示为磨细石英粉末的显微形貌照片。将工业级石英粉继续研磨40h，所获得的磨细石英粉末全部过200目标准筛。从图中可以看出，石英粉末颗粒分布明显出现了双峰分布，即以2 m左右和15 m左右的颗粒为主。这样的颗粒分布将有助于和水泥颗粒（3～30 m）[8]共同组成密堆填隙结构，有利于强化水泥石的胶结结构。

3.2体积密度

图2所示为石英粉量变化对轻混凝土试样28 d（绝干）体积密度的影响。从图2可以看出，随着石英粉量的增加，轻混凝土的绝干密度逐渐增大。细磨石英粉的粒径为2～15 m，且以2 m颗粒为主，小于水泥粒径（3 m～30 m），符合最大密度堆积原理，提高了致密度。同时石英粉的加入，由于其为球磨的产物，形状无规则，因此加入水泥浆体后，降低了流动性，使其发泡过程的阻力增大，双氧水发泡所生成气泡的直径缩小[4]，也会导致轻混凝土试样的绝干密度随之增大。

3.3力学性能

（1）28 d 抗压强度

图3 所示为石英粉末量变化对轻混凝土试样抗压强度的影响。从图中看出：轻混凝土的抗压强度随着石英粉末量的增加而增大，未掺入石英粉末时，轻混凝土试样的抗压强度为17.3 MPa；当石英粉量为16 %时，其抗压强度达到了20.4 MPa，抗压强度持续提高。这主要归因于磨细石英粉末的活性粉末填充作用和所起的火山灰反应作用，提高了气泡壁的密实度，使其强度得到合理提高。

（2）28 d劈裂抗拉强度

图4中所示为石英粉末量变化对轻混凝土试样劈裂强度的影响。从图5看出轻混凝土的劈裂抗拉强度随石英粉量的增加而增大。未掺入石英粉时，其劈裂抗拉强度为1.7 MPa；当石英粉量为16 %时，其劈裂抗拉强度达到2.1 MPa，其劈裂强度提高了24 %。石英粉末的加入提高轻混凝土中气泡壁的密实性，对轻混凝土的劈裂强度提高有一定的贡献。

3.4其他物理性能

（1）28d干缩率

图5所示为石英粉末量变化对轻混凝土试样28 d干缩率的影响。随着石英粉的加入，轻混凝土的干缩率呈下降趋势：未掺入石英粉時，试样干缩率为4.2×10-4；石英粉掺入量为16 %时，试样的干缩率减小到3.8×10-4（均低于行业中的规定值6.5×10-4[9]）。上述变化也和石英粉末加入提高了轻混凝土的实体部分的密实性相关，即通过减少混凝土中的微孔、微管系统，使得轻混凝土试样的干缩率降低。

（2）导热系数

图6所示为石英粉末量变化对轻混凝土试样导热系数的影响，从图中可看出，轻混凝土的导热系数随着石英粉末量的增加而轻微增大，未掺入石英粉末时，轻混凝土试样的导热系数为0.24 W·m-1·K-1；当石英粉量为16 %时，其导热系数达到了0.27 W·m-1·K-1，导热系数提高了13 %。这主要是因为石英粉量末的增加，提高了轻混凝土中实体部分的密实度，导热性提高。但是在轻混凝土试样中，隔热作用主要由轻集料、多孔胶结部位的膨胀珍珠岩、PP纤维以及所发气泡等承担，所以当石英粉末量从0增加到16 %时，其导热系数仅随之增加了13 %，仍具有显著隔热功能。

4.结论

通过采用磨细石英粉末作为发泡轻集料混凝土改性用的活性粉末，制备出了系列轻混凝土试样，在对其力学性能和热学性能等进行系统表征后，得到如下的结论。

（1）轻混凝土试样的绝干密度随着磨细石英粉末量增加而增大，当石英粉量从0增加到16 %时，其绝干密度也从1068 kg/m3增加到1208 kg/m3。

（2）轻混凝土试样的28d抗压强度和劈裂抗拉强度随着磨细石英粉末量的增加而增大，当石英粉末量从0%增加到16%时，试样的抗压强度从17.3 MPa增加到20.4 MPa，劈裂抗拉强度从1.7 MPa增加到2.1 MPa

（3）当石英粉量从0%到4%变化时，轻混凝土试样的干缩率变化幅度较小，当石英粉末从4%增加至16%时，试样的干缩率随之减小（从4.3×10-4减小到3.8×10-4），均低于行业中的规定值（6.5×10-4）。

（4）轻混凝土的导热系数随磨细石英粉的增加而轻微增大，当石英粉末量从0%增加到16%时，试样的导热系数从0.24 W·m-1·K-1增大到0.27 W·m-1·K-1（仅增加13%）。

参考文献：

[1]陈福广.加快发展技术先进的优质板材推进住宅产业化进程[J]. 新型建筑材料， 2014， 41 （9）： 1-5.

[2]Choi J， Zi G， Hino S， et al. Influence of fiber reinforcement on strength and toughness of all-lightweight concrete [J]. Construction and Building Materials， 2014， 69 （11）： 381-389.

[3]Du L X， Folliard K J. Mechanisms of air entrainment in concrete [J]， Cement and Concrete Research， 2005， 35 （8）： 1463-471.

[4]樊传刚， 陈贺， 吴瑞， 等. 原位化学发泡轻集料混凝士的制备与性能表征[J]. 新型建筑材料， 2016， 43 （2）： 77-80.

[5]曹明莉，丁言兵， 郑进炫， 等. 混凝土碳化机理及预测模型研究进展 [J]. 混凝土，2012 275 （9）： 35-38，46.

[6]刘斯凤，孙伟，林玮， 等. 掺天然超细混合材高性能混凝土的制备及其耐久性研究 [J]. 硅酸盐学报，2003，31 （11）： 1080-1085.

[7]吴扬帆， 李岳.乡镇石英开采、制砂业农民工粉尘危害调查 [J]. 中国职业医学， 2007， 36（1）： 78-79.

[8]张道令，徐玲玲，王丽娜. 水泥颗粒特性与其性能关系研究 [J]. 材料导报A， 2013， 27 （1）： 147-151.

[9]GB/T15229-2011， 轻集料混凝土小型空心砌块 [S].

作者简介：

徐华超（1992.9-），男，汉族，安徽当涂人，硕士研究生在读，主要从事固废资源综合利用研究。

基金项目：安徽省重点科技攻关项目，项目编号：1301042105