轻质高强粉煤灰加气混凝土的试验研究毕业论文.doc

Comment a1: 结论 Comment a2: 实验数据怎么来的 I 摘要摘要 加气混凝土是以硅质材和钙质材为基本材料，加入适量发气剂，经发泡、成 型、蒸压养护等工艺制得的无机材料制品。但是目前由于加气混凝土在强度、 体积密度存在不少问题，制约了其作为自保温材料的应用推广，所以研究轻质、 高强、体积稳定性优良的新型加气混凝土材料迫在眉睫。本文通过对影响粉煤 灰加气混凝土轻质高强性能因素的分析，进行初步试验、对比试验和验证试验， 并利用扫描电镜（SEM）进行微观结构机理分析，制备轻质高强粉煤灰加气混 凝土。 试验结果表明，随着水泥掺量的增加，粉煤灰加气混凝土的表观密度先增 大后减少，强度和比强度增加；随着铝粉加入量的增加，粉煤灰加气混凝土的 表观密度先减少后增大，强度和比强度先增大后减少；随着水料比的增大，粉 煤灰加气混凝土的表观密度、强度和比强度减少。研究所得最佳配合比：水泥 掺量 20%，铝粉加入量 0.6，水料比 0.58。 关键词关键词：粉煤灰加气混凝土 干表观密度 抗压强度 比强度 II Abstract The aerated concrete material is formed by foaming, molding and steams maintenance through the addition of foaming agent, whose basic materials are siliceous and calcareous materials. However, there are many problems in the compress strength and bulk density, which constraints the application and development of autoclaved aerated concrete as insulating material. Therefore, it is urgent to study a new type of aerated concrete materials of light performance, high strength, excellent dimensional stability .Based on the analysis of influencing factor, light performance and high strength fly ash aerated concrete is explored and prepared through the preliminary experiment, contrast experiment and orthogonal experiment. Also, the mechanism analysis of micro-structure is completed by scanning electron microscopy (SEM). The experiment results show that: as the cement content increases, the apparent density of fly ash aerated concrete decreases first and then increases while its compressive strength and specific strength increase; As the addition of aluminum powder increases, the apparent density decreases first and then increases while the compressive strength and specific strength increase first and then decrease; As water- cement ratio increases, all of them decrease. he best mixture ratio: twenty percent of cement content, six extremely of aluminum powder and water-cement ratio to 0.58. Key words: fly ash aerated concrete ,apparent density ,compressive strength, specific strength III 目目 录录 摘要.I ABSTRACT.II 第 1 章 绪论1 1.1 引言1 1.2 粉煤灰加气混凝土的发展现状.1 1.2.1 粉煤灰加气混凝土在国外的发展1 1.2.2 粉煤灰加气混凝土在国内的发展2 1.3 粉煤灰加气混凝土的特性3 1.4 粉煤灰加气混凝土的发展前景.4 1.5 本课题拟解决问题及设计路线5 1.5.1 本课题拟解决问题5 1.5.2 设计路线5 第 2 章 试验研究.7 2.1 基本试验介绍.7 2.1.1 粉煤灰加气混凝土原材料的技术要求7 2.1.2 试验仪器9 2.1.3 本试验主要原材料9 2.1.4 本试验工艺流程11 2.2 初步试验.11 2.2.1 初步性试验设计11 2.2.2 初步试验结果及分析12 2.3 对比试验.12 2.3.1 对比试验设计12 IV 2.3.2 对比试验结果及分析13 2.4 正交配比试验.14 2.4.1 正交配比试验设计14 2.4.2 正交配比试验结果15 2.4.3 正交试验极差分析16 2.4.4 正交试验结论19 2.5 验证试验.19 第 3 章 机理分析.20 3.1 发气反应和多孔结构的形成.20 3.2 粉煤灰加气混凝土蒸压硬化过程21 3.2.1 石灰与含硅材料的反应21 3.2.1 水泥与含硅材料的反应21 3.2.3 石灰-水泥-石膏-粉煤灰的化学反应22 3.3 粉煤灰加气混凝土 SEM 分析.22 第 4 章 技术经济分析24 4.1 经济效益分析24 4.2 环保效益分析24 第 5 章 结论与建议26 5.1 结论.26 5.2 建议.26 参考文献.28 致谢.29 1 第第 1 章章 绪论绪论 1.1 引言引言 加气混凝土是一种轻质多孔材料。它是以水泥、石灰、粉煤灰、矿渣、砂、 发气材料等为原料，经磨细、配料、浇注、切割、蒸压养护等工序而制成的。 因其经发气后制品内部含有大量均匀而细小的气孔，故名加气混凝土1。它具 有一系列优点，如：1)节约土地和能源；2)密度小、重量轻；3)保温隔热效能好、 导热系数小，达到自保温墙体的标准。它是今后替代外墙外保温墙材的尚好自 保温墙体材料。 目前，我国建筑节能墙体以外墙外保温为主。主要外保温体系有：膨胀聚 苯板外保温体系、大模内置聚苯板外保温体系以及胶粉聚苯颗粒外保温体系， 其共同点都是在外围护结构外粘结一层聚苯乙烯泡沫材料。这几种外保温体系 的做法存在三大弊病：其一，聚苯乙烯属于石油制品，会加剧能源紧张；其二， 受石油价格影响，工程造价波动大、价格高；其三，保温体系的耐久性 (包括 耐火性)受到了质疑2。加气混凝土是一种实现资源、性能与成本最佳组合的新 型墙体材料，具有节能、资源综合利用、循环使用等诸多优点。 但目前由于在强度、体积密度存在不少问题，制约了加气混凝土自保温材 料应用推广，因此研究轻质、高强、体积稳定性优良的新型加气混凝土材料迫 在眉睫。本课题研究的是加气混凝土的一种粉煤灰加气混凝土。 1.2 粉煤灰加气混凝土的粉煤灰加气混凝土的发展现状发展现状 1.2.1 粉煤灰加气混凝土在国外的发展粉煤灰加气混凝土在国外的发展 加气混凝土最先出现于捷克，1889 年一个叫霍夫曼（Hofman）的人取得了 用盐酸和碳酸钠制造加气混凝土的专利。1919 年，柏林人格罗沙海（Grosahe） 用金属粉未作发气剂制出了加气混凝土。1923 年，瑞典人埃克森 （JA.Eriksson）掌握了以铝粉为发气剂的生产技术并取得了专利权3。以 铝粉发气发气量大，所产生的氢气在水中溶解量小，发气效率较高，发气过程 亦比较容易控制，铝粉来源广，从而为加气混凝土的大规模工业化生产提供了 2 重要的条件。此后，随着对工艺技术和设备的不断改进，工业化生产时机日益 成熟，终于在 1929 年首先在瑞典建成了世界上第一座加气混凝土厂4。 从工业化生产加气混凝土至今仅 70 多年的历史，加气混凝土工业得到了很 大的发展。不仅在瑞典形成了“伊通（Ytong） ”和“西波列克斯（Siporex） ”两 大专利及相应的一批工厂，而且在其他许多国家也相继引进生产技术或开发研 究自己的生产技术。特别是一些气候寒冷的国家如挪威、荷兰、波兰、丹麦等 国，研究成功自己的生产技术，形成了新的专利。如德国的海波尔（Hebel） 、 荷兰的求劳克斯（Durox） 、波兰的乌尼泊尔（Unipol）和丹麦的司梯玛 （Stema） 。二战前，加气混凝土仅在少数北欧国家推广应用，而现在，无论是 严寒地区，还是赤道附近的炎热地带，生产和应用已遍及五大洲 60 多个国家5。 1.2.2 粉煤灰加气混凝土在国内的发展粉煤灰加气混凝土在国内的发展 我国早在上世纪 30 年代，就有了生产和使用加气混凝土的记录。当初，在 上海平凉路桥边，建成一座小型加气混凝土厂，其产品用于几幢单层厂房和上 海大厦、国际饭店、锦江饭店、新城大厦等高层建筑的内隔墙，并一直延用至 今6。 解放后，我国十分重视加气混凝土的研究和生产。1958 年，原建工部建筑 科学研究院开始研究蒸养粉煤灰加气混凝土。1962 年起建筑科学研究院与北京 有关单位研究并试制了加气混凝土制品，并很快在北京硅酸盐厂（现北京轻质 材料厂）和贵阳灰砂砖厂进行工业性试验获得成功。1965 年引进瑞典西波列克 斯公司专利技术和全套装备，在北京建成我国第一家加气混凝土厂北京加 气混凝土厂，标志着我国加气混凝土进入工业化生产时代7。 从 1971 年对引进的西波列克斯技术装备进行测绘，开始了我国加气混凝 土工艺装备的开发使用。先后形成了中国建筑东北设计院的 6 米翻转式切割机 组（目前，各设备制造企业已推出了 3.9 米1.2 米、4.2 米1.2 米等机型） ； 上海杨浦的 4 米预铺钢丝卷切式切割机组；北京建材设计研究院的 3.9 米预铺 钢丝提拉式切割机组；常州建材研究所和中国建筑东北设计院设计的翻版海波 尔切割机组；中国建筑东北设计院设计的海波尔的 JHQ 切割机组；常州建材研 究设计所设计的的司梯玛成套设备和 4 米、6 米系列分步式切割机（仿伊通） 3 及全套设备等，为加气混凝土装备的国产化打下了基础8。 我国自 1965 年建设第一家加气混凝土厂起，经历了 40 多年时间，现建成 了各类加气混凝土厂逾 330 家。总设计能力超过 2000 万立方米，成为国际上应 用粉煤灰生产加气混凝土最广泛、技术最成熟的国家。并且进一步拓展了原材 料的范围，成功地将其他工业废弃物如石材加工产生的碎末、水泥管桩生产过 程中排放的废浆以及玻璃、采煤、采金业的尾矿等作为硅质材料大量用于加气 混凝土生产。随着生产的发展，在全国还涌现了一批从事加气混凝土生产、设 备和应用技术研究的科研院所和大专院校，建立健全了科研、设计、教学、施 工、装备和配套材料等系统；制定了从原材料、产品、试验方法和施工应用的 标准和规范，使我国加气混凝土设备形成了完整的工业体系9。 1.3 粉煤灰加气混凝土的特性粉煤灰加气混凝土的特性 （1）重量轻 由于粉煤灰加气混凝土是加气制品，其绝干容重仅为 600kg/m3左右，仅为 红砖的 1/3，混凝土的 1/4，因此可以减轻建筑物的自重，减少基础和结构的经 济投入，降低软弱地基的施工难度。 表 1.1 几种常见建筑材料的容重 单位：Kg/m3 材料加气砼木料粘土砖空心砌块陶粒混凝土普通混凝土 容重4007004006501600180090017001400180020002600 （2）保温性 蒸压加气混凝土砌块内部含有大量气泡和微孔，因而具有良好的保温性能。 容重 400Kg/m3700Kg/m3的加气混凝土导热系数通常为 0.09w/(m.k) 0.17 w/(m.k)，保温能力是粘土砖的 34 倍，普通混凝土的 48 倍。具体如下表示： 表 1.2 几种常见建筑材料的导热系数 单位：w/(m.k) 材料种类加气混凝土陶粒制品土墙粘土砖玻璃普通混凝土 导热系数0.150.170.700.810.751.50 （3）抗压性 4 06 级蒸压加气混凝土砌块抗压强度为 3.5MPa，07 级为 5.0MPa。蒸压加气 混凝土砌块整体强度大，每个砌块一般相当于 10 块黏土砖。因此其砌体的强度 利用率高，强度利用系数为 0.70.8，而黏土砖的强度利用系数只有 0.20.3。 （4）耐火性 蒸压加气混凝土砌块导热系数低，热迁移慢，能有效抵抗火灾，并保护结 构不受火灾影响。其耐火温度高达 700，为一级耐火材料，属无机不燃物。 高温下不会产生有害气体，是消防免检产品。 （5）吸声性 蒸压加气混凝土具有球状密闭多孔结构，因而有一定的吸声性能。吸声系 数为 0.20.3，吸声性能优于普通的混凝土，适用于对吸声有特殊要求的建筑 墙体。加气混凝土墙的隔声量：100mm 厚为 45dB、180mm 厚为 53dB、240mm 厚为 58dB。 （6）耐久性 150mm150mm150mm 的试件在大气中暴露一年后抗压强度提高 25%，10 年后强度仍然保持稳定，大部分加气混凝土在自然碳化后强度略有提 高。这说明加气混凝土具有良好的耐久性能。 （7）抗渗水性 蒸压加气混凝土具有密闭独立球状结构，因而吸水导湿缓慢。经试验，采 用淋浴喷头分别向 240mm 厚的黏土砖墙和加气混凝土墙喷淋，黏土砖墙 12h 后 全部浸透，而加气混凝土墙喷淋 72h 后渗水深度 80mm100mm。因此, 加气混 凝土制品适用于多雨地区的外墙。 （8）易加工性 由于加气混凝土质地轻，而且硬度不是很高，所以该加气块的生产规格有 很多种，可以根据客户的要求来进行生产，另外该砖还具有锯、刨、钻、钉的 特性。因此加气块的规格的随意性很强。可以在生产现场根据实际需求来进行 生产10。 1.4 粉煤灰加气混凝土的发展前景粉煤灰加气混凝土的发展前景 从加气混凝土的特性可以看出，这种新型墙体材料的市场前景广阔。 根据 Comment a3: 引入实验目的 Comment a4: 实验步骤，具体说明 5 权威人士统计，前几年国内的的加气混凝土行业生产企业有 300 多家。各个厂 家的生产能力也不一样，有年产两万立方的也有年产十万立方的少数也有年产 三十万立方的。而现在加气混凝土行业热已经慢慢的发展开来，现在粗略的统 计，国内的的加气混凝土生产厂家数量是以前的好几倍10。加气混凝土的应用 非常的广泛，主要用在机械厂房和民用建筑中的墙体材料、填充墙、楼板和屋 面板等承重墙材以及非承重材料和州周围的填充围墙。逐渐，加气混凝土已成 为建筑材料行业的主导展品，国家现在已经对粘土实心砖的进行禁止停产。所 以，粉煤灰加气混凝土应用前景良好11。 1.5 本课题拟解决问题及设计路线本课题拟解决问题及设计路线 1.5.1 本课题拟解决问题本课题拟解决问题 虽然加气混凝土优点很多，但目前其在强度、体积密度存在不少问题，制 约了加气混凝土自保温材料应用推广。因此，本课题主要研究轻质、高强、 、体 积稳定性优良的粉煤灰加气混凝土。 本课题拟解决问题如下：本课题拟解决问题如下： （1）干表观密度：通过调节铝粉用量和水料比大小，降低加气混凝土质量，）干表观密度：通过调节铝粉用量和水料比大小，降低加气混凝土质量， 达到课题所要求的轻质性；达到课题所要求的轻质性； （2）强度：通过调节水泥掺量，从而改变水泥石灰含量，达到课题所要求）强度：通过调节水泥掺量，从而改变水泥石灰含量，达到课题所要求 的高强性；的高强性； （3）比强度：在表观密度与强度之间寻找一个最佳平稳点，达到一个最大）比强度：在表观密度与强度之间寻找一个最佳平稳点，达到一个最大 比强度。比强度。 1.5.2 设计路线设计路线 通过查阅文献，特制定以下的试验方案：通过查阅文献，特制定以下的试验方案： （1）初步试验。鉴于实验室无预养环境和蒸压养护条件，故尝试在以下四）初步试验。鉴于实验室无预养环境和蒸压养护条件，故尝试在以下四 种情况下进行：种情况下进行： a.自然条件静停自然条件静停+自然条件养护；自然条件养护； b.标准条件静停标准条件静停+自然条件养护；自然条件养护； c.标准条件静停标准条件静停+高压锅内养护；高压锅内养护； 6 d.沸煮箱内静停沸煮箱内静停+高压锅内养护。高压锅内养护。 （2）对比试验。根据现有各种原材料的配料范围，进行对比分析，摸索几）对比试验。根据现有各种原材料的配料范围，进行对比分析，摸索几 组比较佳的配合比；组比较佳的配合比； （3）正交试验。得出最佳配合比；）正交试验。得出最佳配合比； （4）验证性试验。将最佳配合比投入生产实际，验证正交试验结果的可行）验证性试验。将最佳配合比投入生产实际，验证正交试验结果的可行 性；性； （5）机理分析。使用扫描电镜（）机理分析。使用扫描电镜（SEM）从微观结构对粉煤灰加气混凝土）从微观结构对粉煤灰加气混凝土 进行机理分析；进行机理分析； （6）效益分析。从经济效益和环保效益两个角度出发，分析粉煤灰加气混）效益分析。从经济效益和环保效益两个角度出发，分析粉煤灰加气混 凝土的利用价值及发展前景凝土的利用价值及发展前景。 7 第第 2 章章 试验研究试验研究 2.1 基本试验介绍基本试验介绍 2.1.1 粉煤灰加气混凝土原材料的技术要求粉煤灰加气混凝土原材料的技术要求 （1）粉煤灰 粉煤灰应具有必要的细度 4900 孔/cm2筛筛余小于 20%，2000 孔/cm2筛筛 余小于 70%； 用于加气混凝土的粉煤灰质量标准应达到 JC409G-91硅酸盐制品用粉煤灰 中级和级标准，具体技术指标2见表 2.1： 表 2.1 加气混凝土用粉煤灰技术指标 指标级级 细度（0.04mm 方孔筛筛余） 标准稠度用水量 烧失量 SiO2含量 30 50 7 40 45 58 12 40 放射性符合 GB6763 规定 （2）水泥 对水泥的要求根据加气混凝土的品种、工艺不同而有所不同。如单独使用 水泥做钙质材料时应采用强度等级较高的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。这些 水泥水化时可以产生较多的 Ca(OH)2。如与石灰共同作为钙质材料，可使用强 度等级 32.5MPa 的矿渣水泥、粉煤灰水泥及火山灰水泥。对水泥中游离氧化钙 含量可适当放宽，因为蒸压养护，游离氧化钙将全部水化，而且水泥的掺量不 是很高，不会引起安定性不良。 不宜用高比表面的早强型水泥做钙质材料，因为水泥水化硬化过快影响铝不宜用高比表面的早强型水泥做钙质材料，因为水泥水化硬化过快影响铝 粉的发气效果。粉的发气效果。 Comment a5: 可用发气剂 8 （3）石灰 、有效氧化钙（与 SiO2发生反应的 CaO，简称 ACaO）60%； 、MgO7%； 、采用消化时间 30min 左右的中速消化石灰，经细磨至比表面积 2900- 3100cm2/g。石灰技术要求1见表 2.2： 表 2.2 石灰的技术要求（JC/T621-1996） 指标优等品一等品合格品 A(CaO+MgO)% 907565 MgO,% 258 SiO2% 258 CO2% 257 消化速度5-155-155-15 消化温度60-9060-9060-90 未消化残渣，%101015 细度（0.080mm 方孔筛筛余量） 151520 （4）石膏 石膏在粉煤灰加气混凝土中，是发气过程的调节剂。主要有以下三个作用： 、抑制石灰的消化，使其消解时间延长，并降低最终消化温度,从而控制 料浆的碱度，调节发气速度； 、参与水化反应，与 C3A，Ca(OH)2反应生成对料浆稠化硬化及强度有重 要作用的水化硫铝酸钙； 、和水泥中掺加有石膏一样起缓凝作用。 （5）发气剂 发气剂是生产加气混凝土的关键原材料，它不仅能满足料浆中发气形成大 量细小而均匀的气泡，同时对混凝土性能不会产生不良影响。对加气混凝土发 气材料曾进行研究，可以作为发气材料的有铝粉、双氧水、漂白粉等等，但考 虑到生产成本、发气效果等种种因素，目前基本上都使用铝粉作为发气材料。 我国加气混凝土用铝粉的国家标准（GB2054-89）见表 2.3 9 表 2.3 加气混凝土用铝粉技术指标 代号细度/80um、筛余/%活性铝含量/%盖水面积/(m2/g)油脂含量/% FLO11850.420.602.83.0 PLQ21850.420.602.83.0 FLQ30.5850.420.602.83.0 2.1.2 试验仪器试验仪器 （1）三联模：尺寸为 4040160mm； 尺寸为 100100100mm； （2）HBY-40A 型水泥混凝土恒温恒湿标准养护箱：无锡建仪仪器； （3）标准砂石筛：孔径 0.315mm，浙江上虞市公路仪器厂； 水泥标准筛：孔径 0.080mm，浙江上虞市道墟张兴砂筛厂； （4）WAY300 型电液式压力试验机：最大力值 300KN，精度等级 I 级， 生产厂家无锡市锡仪建材厂； （5）101A-2 型电热恒温鼓风干燥箱,上海恒三仪器有限公司； （6）分析天平：分度值 0.1mg，最大称量 200g，上海精密科学仪器有限公 司； （7）电子天平：分度值 0.1g，最大称量 3Kg，上海友声衡器有限公司； （8）不锈钢电热蒸馏水器，上海光地仪器设备有限公司； （9）蒸压釜，设计压力 1.4MPa，最高工作压力 1.3MPa，设计温度 198， 耐压试验压力 1.75MPa,常州常成热力设备有限公司； （11）场扫描电镜：放大倍数 74300000，分辨率 133ev，分析元素 Be4-U92； （10）烧杯、量筒、温度计、抹刀、搅拌锅、搅拌机。 2.1.3 本试验主要原材料本试验主要原材料 （1）水泥：巢湖水泥厂； （2）粉煤灰：合肥第二发电厂； 10 （3）石灰：凤阳水泥，有效氧化钙含量均大于 60%； （4）石膏：四方磷肥厂； (5) 铝粉：山东铝粉邹平有限公司； （6）蒸馏水：不锈钢电热蒸馏水器加热而得。 以下是拍摄的部分原材料的外观照片： 图 2.1 粉煤灰 图 2.2 石膏 图 2.3 石灰 图 2.4 铝粉 Comment a6: 流程图过于简单，以 后在论文中尽量详写 11 2.1.4 本试验工艺流程本试验工艺流程 2.2 初步试验初步试验 2.2.1 初步试验设计初步试验设计 通过大量查阅相关文献，粉煤灰加气混凝土中各种原材料范围如表 2.5： 表 2.5 粉煤灰加气混凝土原材料用量范围 名称水泥-石灰-粉煤灰 水泥/%1020 石灰/%2024 粉煤灰/%6070 石膏/%35 铝粉/%78 水料比0.600.65 浇注温度/C3640 铝粉搅拌时间/S3660 由于实验室无法到达预养和蒸压养护条件，本次试验主要都是一些尝试性 试验，配合比见表 2.6： Comment a7: 数据说明最好 12 表 2.6 初步试验 A 配合比 组数水料比水泥 （(Kg/m3） 石灰 (Kg/m3） 粉煤灰 (Kg/m3） 石膏 (Kg/m3） 铝粉 (Kg/m3） 水 （ml） A-10.6219110322.52.580.44280 A-20.6225.8103.2322.52.580.44280 A-30.6018.2103.4328.32.40.48270 A-40.6024.3297.28328.32.40.48270 2.2.2 初步试验结果及分析初步试验结果及分析 初步试验都是尝试性试验，试验结果不是很理想，试验现象见表 2.7： 表 2.7 初步试验结果 试验现象试验操作 气孔3d 强度7d 强度 自然条件静停+自然条件养护细小无十分低 标准条件静停+自然条件养护细小无十分低 标准条件静停+高压锅内养护粗大 沸煮箱内静停+高压锅内养护均匀低稍高 试验分析： 从上表可以明显看出，随着静停和养护条件的改变，粉煤灰加气混凝土的 各种性能都随之改善，气孔由细小到均匀，3d 强度、7d 强度都略微提高。 由此可以推断，良好的静停条件和养护条件，试验效果应该会更佳。 2.3 对比试验 2.3.1 对比试验设计对比试验设计 在初步试验的基础上，改变试验环境，即在合肥大来新型建材有限公司进 一步展开试验。对比试验调整了试验方案，具体如下： 第一组：水泥掺量 14%，铝粉占干物料的 0.6，K=3.70，w/c=0.60； 第二组：水泥掺量 14%，铝粉占干物料的 0.55, K=3.70，w/c=0.58； 第三组：水泥掺量 17%，铝粉占干物料的 0.55，.K=3.70，w/c=0.58； 13 第四组：水泥掺量 17%，铝粉占干物料的 0.55，K=3.70，w/c=0.60； 根据上述试验方案，具体配合比见表 2.8： 表 2.8 对比性试验 B 配合比 编号 粉煤灰 (Kg/m3 ） 水泥 (Kg/m3） 石灰 (Kg/m3） 石膏 (Kg/m3 ） 铝粉 (g/m3） 水 (ml) 水料比 B-1431.618.3112.52.6337.5338.10.60 B-2431.618.3112.52.6282.2326.20.58 B-3345.517.886. 92.1225.1261.10.58 B-4345.517.886.92.1225.1270.10.60 2.3.2 对比试验结果及分析对比试验结果及分析 对比性试验结果，即粉煤灰加气混凝土的具体技术指标见表 2.9： 表 2.9 对比验 B 技术指标 编号 出釜质量 (g) 干表观密度 (Kg/m3) 强度 (MPa) 比 强 度 （MPacm3g ） B-1733.8524.12.685.11 B-2773.5552.53.125.65 B-3847.1605.13.345.52 B-4821.7586.93.105.28 对比性试验分析如下： 试验 B-1 和试验 B-2 对比可以看出，随着铝粉掺量增加，粉煤灰加气混凝 土的表观密度减少； 试验 B-2 和试验 B-3 对比可以看出，随着水泥掺量的增加，粉煤灰加气混 凝土的强度增加； 试验 B-3 和试验 B-4 对比可以看出，随着水料比的减少，粉煤灰加气混凝 土的强度增加明显。 综上所述，考虑到影响粉煤灰加气混凝土的各方面因素，本课题初步选定： Comment a8: 学习正交实验 14 水泥掺量、铝粉占干物料百分数和水料比三个因素，进行正交试验。 2.4 正交配比试验正交配比试验 2.4.1 正交配比试验设计正交配比试验设计 正交试验设计是利用规格化的正交表，恰当地设计出试验方案和有效地分 析出试验结果，推出最优配方和工艺条件。正交表是利用“均衡搭配”与“整 齐可比”这两条基本原理，从大量的全面试验方案中，为挑选出少量具有代表 性的试验点，所制成的排列整齐的规格化表格12。 经过初步实验和对比试验，对粉煤灰加气混凝土的几项技术指标的变化已 有深入了解，现在通过调整各种原材料用量：水泥掺量、铝粉加入量和水料比， 采用三因素三水平正交设计试验，确定最佳材料组合用量。正交设计见表 2.10、2.11，配合比见表 2.12： 表 2.10 L9（33）正交试验因素水平 水泥掺量/% 铝粉加入量/ 水料比列代号 因素 试验号ABC C-1100.550.58 C-2150.60.60 C-3200.650.62 表 2.11 正交设计表 水平 因素ABC C-1100.550.58 C-2100.60.60 C-3100.650.62 C-4150.550.60 C-5150.60.62 C-6150.650.58 C-7200.550.62 15 C-8200.60.58 C-9200.650.60 表 2.12 密度为 600Kg/m3加气混凝土的各种原材料组成用量 编号正交 组合 粉煤灰 (Kg/m3) 水泥 (Kg/m3) 石灰 (Kg/m3 ） 石膏 (Kg/m3） 铝粉 (g/m3) 水 (ml) 水料比 C-1A1B1C1414.512.61132.5297.1313.30.58 C-2A1B2C2414.512.61132.5324.1324.10.60 C-3A1B3C3414.512.61132.5351.1334.90.62 C-4A2B1C2414.518.8106.82.5297.1324.10.60 C-5A2B2C3414.518.8106.82.5324.1334.90.62 C-6A2B3C1414.518.8106.82.5351.1313.30.58 C-7A3B1C3414.525.1100.52.5297.1334.90.62 C-8A3B2C1414.525.1100.52.5324.1313.30.58 C-9A3B3C2414.525.1100.52.5351.1324.10.60 2.4.2 正交配比试验结果正交配比试验结果 根据正交试验设计表，逐一做了九组试验。试验结果见表 2.13： 表 2.13 L9（33）正交试验结果 编号出釜质量 （g） 干表观密度 （Kg/m3） 强度 （MPa） 比强度 （MPacm3g） 1814.2581.63.085.29 2749.05352.785.20 3736.9526.42.604.94 4852.5608.93.215.27 5794.5567.53.025.32 6864.1617.23.155.10 7708.7506.22.905.73 16 8802.25733.586.24 9771.9551.43.185.77 2.4.3 正交试验极差分析正交试验极差分析 （1）对干表观密度的极差分析，见表 2.14： 表 2.14 干表观密度的极差分析 C水泥掺量 A铝粉加入量 B水料比 C K(1,J)547.7565.6590.6 K(2,J)597.9558.5565.1 K(3,J)543.5 565.0533.3 R54.47.157.3 分析结果如下： 极差分析： 从表 2.14 可以看出，A 因素的第三水平较佳，B 因素的第二水平较佳，C 因素的第三水平较佳。根据极差大小，顺次排出因素的主次顺序为： CAB。 根据上述分析可知，就表观密度而言，粉煤灰加气混凝土配合比的最优方 案是 C3A3B2。 500 520 540 560 580 600 620 1015200.550.60.650.580.60.62 A B C 干表观密度（kg/m3） A：水泥掺量B：铝粉加入量C：水料比 图 2.6 对干表观密度的影响 17 图 2.6 分析： 如图 2.6 所示，随着水泥掺量的增加，粉煤灰加气混凝土表观密度先增加 后减小；随着铝粉加入量的增加，粉煤灰加气混凝土表观密度先减少达到最低 值后又增大；随着水料比的增大，粉煤灰加气混凝土表观密度呈现下降趋势。 （2）对强度的极差分析，见表 2.15： 表 2.15 抗压强度的极差分析 C水泥掺量 A铝粉加入量 B水料比 C K(1,J)2.823.063.27 K(2,J)3.133.123.06 K(3,J)3.222.982.84 R0.400.140.43 分析结果如下： 极差分析 从表 2.15 可以看出，A 因素的第三水平较佳，B 因素的第二水平较佳，C 因素的第一水平较佳。根据极差大小，顺次排出因素的主次顺序为： CAB。 所以，就强度而言，粉煤灰加气混凝土配合比的最优方案是 C1A3B2。 2.4 2.6 2.8 3 3.2 3.4 1015200.550.60.650.580.60.62 A B C 强度（MPa） A：水泥掺量B：铝粉加入量C：水料比 图 2.7 对抗压强度的影响 18 图 2.7 分析 如图 2.7 所示，随着水泥掺量的增加，粉煤灰加气混凝土强度先快速增加 后有所减缓；随着铝粉加入量的增加，粉煤灰加气混凝土强度先增加达到最大 值后又减小；随着水料比的增大，粉煤灰加气混凝土强度呈现下降趋势。 （3）对比强度的极差分析，见表 2.16： 表 2.16 比强度的极差分析 C水泥掺量 A铝粉加入量 B水料比 C K(1,J)5.145.435.54 K(2,J)5.235.595.41 K(3,J)5.915.27 5.33 R 0.580.320.21 分析结果如下： 极差分析 从上表可以看出，A 因素的第三水平较佳，B 因素的第二水平较佳，C 因 素的第一水平较佳。根据极差大小，顺次排出因素的主次顺序为：ABC。 所以，就比强度而言，粉煤灰加气混凝土比强度的最优方案是 A3B2C1。 4.6 4.8 5 5.2 5.4 5.6 5.8 6 1015200.550.60.650.580.60.62 A B C 比强度（MPacm3g） A：水泥掺量B：铝粉加入量C：水料比 图 2.8 对比强度的影响 图 2.8 分析 如图所示，随着水泥掺量的增加，粉煤灰加气混凝土比强度先稳步增加后 19 快速增加；随着铝粉加入量的增加，粉煤灰加气混凝土强度先增加达到最大值 后又减小；随着水料比的增大，粉煤灰加气混凝土强度呈现下降趋势。 2.4.4 正交试验结论正交试验结论 综合表观密度极差分析、强度极差分析、比强度极差分析，为了平衡表观 密度和强度之间的矛盾，粉煤灰加气混凝土配合比的最优方案是 A3B2C1。 2.5 验证试验验证试验 为了验证正交试验的正确性，将最优方案 C-8A3B2C1组合的配合比投入 生产实际，在合肥大来新型建材有限公司进行实际生产，配合比见表 2.17： 表 2.17 验证性试验配比 粉煤灰 Kg/m3 水泥 Kg/m3 石灰 Kg/m3 石膏 Kg/m3 铝粉 Kg/m3 水 ml 水料比 Kg/m3 414.525.1100.52.5324.1313.30.58 验证试验所测的技术指标见表 2.18： 表 2.18 验证性试验结果 出釜容重 (Kg/m3） 干表观密度 (Kg/m3） 抗压强度 MPa 比强度 （MPacm3g） 795.8568.45.29.12 加气混凝土性能指标（GB11968-2006）见表 2.19： 表 2.19 加气混凝土的性能指标（GB11968-2006） 单位：MPacm3g 比强度B03B04B05B06 优等品7.008.33 合格品 3.335.00 5.005.83 表 2.18 与表 2.19 相比较，验证试验所测结果干表观密度、抗压强度和比强 度相较于合格品，优等品都是最理想的。 20 第第 3 章章 机理分析机理分析 轻质高强粉煤灰加气混凝土的结构形成包括两个过程：第一，铝粉发气使 料浆膨胀和坯体凝结硬化形成多孔的物理化学过程；第二是蒸压养护条件下， 硅质材和钙质材水热合成，使强度增长的物理化学过程。 3.1 发气反应和多孔结构的形成发气反应和多孔结构的形成 在加气混凝土料浆中，发气反应是从原料搅拌开始的，反应可归纳如下： 、在搅拌机中，加入粉煤灰浆、水泥、生石灰、铝粉、水以及其它外加 剂后，水泥和石灰即发生水化反应。水泥水化要析出 Ca(OH)2，生石灰消解也 生成 Ca(OH)2，与铝粉产生的反应为： 2Al+3Ca(OH)2+6H2O3CaOAl2O36H2O+3H2 式(3.1) 、加入烧碱或纯碱时有 NaOH 或 KOH 在场，其反应为： 2A1+6NaOH+6H2O3CaOAl2O36H2O+3H2 式(3.2) 、在加气混凝土料浆中的液相呈碱性且迅速变成饱和溶液（PH12） ， 此时铝粉极易与各种碱液作用： 2A1+6H2O2A1(OH)3+3H2 式(3.3) 2A1+3Ca(OH)2+3CaSO42H2O+ mH2OnAFt+3H2 式(3.4) 可见，铝粉与碱性饱和溶液发生反应产生氢气，这些氢气极少溶于水，而 且随着温度升高体积还要增大，所以必然使料浆产生膨胀13。 铝粉与水反应产生氢气和料浆膨胀始终处于动态平衡。料浆膨胀的动力是 气泡内的内压力，料浆膨胀的阻力是上层料浆的重力和料浆极限剪应力14。发 气初期，铝粉不断产生氢气内压力不断得到补充，因而迅速膨胀，只要气泡内 压力继续大于上层料浆的重力和极限剪应力膨胀就会继续进行下去。当料浆迅 速稠化，极限剪应力急剧增大，膨胀才会逐渐缓慢下来。当铝粉反应结束，气 泡内不再增加内压力，或者这种内压力不足以克服上层料浆的重力和极限剪应 力时，膨胀过程就停止了。 21 当放气完毕、膨胀结束时，料浆中的石灰质矿物胶结料仍在水化，水化作 用的产物氢氧化钙、水化硅酸盐、水化铝酸盐等不断形成，料浆中的水分由于 参加反应成为结合水而逐渐减少水化产物在溶液中浓度增加达到饱和状态，析 出微小的晶体，微晶与凝聚的胶体逐渐形成失去流动性的凝聚状态，凝结硬化， 变成了有强度的坯体，足以承受坯体自身的重量。从料浆浇注到失去流动性并 且有自承重强度的过程通常称为稠化过程。稠化过程结束，坯体的多孔结构基 本形成了。随着水化作用继续进行，孔壁厚度不断紧密，不断增强，但此时由 于水化时间短温度低、水化产物少，这种初步凝结硬化的坯体还只是一种半成 品15。 因此，为了使料浆成为具有一定结构强度、可以进行切割的坯体，需要有 一段静置停放过程。静停过程也就是料浆的凝结过程。 3.2 粉煤灰加气混凝土蒸压硬化过程粉煤灰加气混凝土蒸压硬化过程 加气混凝土中硅质材和钙质材的水热合成反应需要在 180200的高温下 才能顺利进行，所以加气混凝土制品的养护一般都要采用蒸压养护。 3.2.1 石灰与含硅材料的反应石灰与含硅材料的反应 Ca(OH)2与 SiO2在大约 1MPa 大气压、180的养护条件下进行的化学反应： 7CaO+4SiO2 + nH2O7CaO4SiO2nH2O 式 (3.5) 反应开始时温度较低，Ca(OH)2和 SiO2的反应是通过吸附、扩散方式进行 的，在加气混凝土坯体内部形成高碱性水化硅酸钙晶体。随着温度的升高及反 应的继续进行，高碱性水化硅酸钙不断遭到破坏，开始转变为低碱性水化硅酸 钙晶体2。变化过程的化学反应为： 5(7CaO4SiO2nH2O)+ 8 SiO2 7(5CaO4SiO2nH2O) 式 (3.6) 5CaO4SiO2nH2O + SiO2 5(CaOSiO2nH2O) 式 (3.7) 22 4(CaOSiO2H2O)+SiO2 4CaO5SiO2nH2O 式 (3.8) 如果养护时间充分，多量结晶水的水化硅酸钙，最终生成强度高、结晶度好 的托贝莫来石。即： 4CaO5SiO2nH2O 4CaO5SiO25H2O 式(3.9) 3.2.1 水泥与含硅材料的反应水泥与含硅材料的反应 掺有水泥的加气混凝土在蒸压过程中，SiO2不仅与 C2S 和 C3S 发生作用， 而且还与 C3A、C4AF 发生作用生成水石榴子石、CSH 凝胶体等，并析出 Ca(OH)2，这些 CSH 凝胶体和 Ca(OH)2又要与 SiO2反应生成托贝莫来石2。所 以，以水泥为原材料时，高压蒸养时生成托贝莫来石有两种反应过程：一种是 水泥水化产物与硅质材作用成为低钙水化物而形成托贝莫来石；另一种是水泥 析出的 Ca(OH)2与硅质材作用形成托贝莫来石。由此可知，水泥混凝土制品在 常温下硬化与在高温下硬化其硬化机理是不相同的。常温下，仅仅由于水泥的 水化作用形成水泥石，将各种原材料粘结起来，从而产生强度；高温下，水泥 不仅仅是水化，还与原材料发生化学反应，形成托贝莫来石。 3.2.3 石灰石灰-水泥水泥-石膏石膏-粉煤灰的化学反应粉煤灰的化学反应 升温阶段:随着温度升高，Ca(OH)2与粉煤灰中的活性 SiO2反应生成碱度较 高的水化硅酸钙，随着 SiO2的不断溶解，水泥水化的 CSH 凝胶与石灰、粉煤 灰合成的 CSH 等水化硅酸钙的碱度不断降低，开始变成半结晶的 CSH(I)。与 此同时，三硫型的水化硫铝酸钙分解为单硫型的水化硫铝酸钙16。 恒温阶段:在 180-200的恒温初期，大量生成 CSH(I)。在此温度下，单硫 型水化硫铝酸钙也无法稳定，继续分解成 C3AH6和 CaSO4，水化铝酸钙和 SiO2 作用生成水石榴子石。随着恒温时间的延长，水化硅酸钙结晶程度高不断提高， 出现托贝莫来石，进一步延长时间还可能生成其他结晶的水化硅酸钙17。 因此，蒸压石灰-水泥-石膏-粉煤灰加气混凝土中水化产物有 CSH(I)、托贝 莫来石、水石榴子石，随着恒温压力和养护时间的不同，它们的数量和结晶程 度均在变化。 23 3.3 粉煤灰加气混凝土粉煤灰加气混凝土 SEM 分析分析 试验 C-3 是正交试验中综合评定最差的一组试验，试验 C-8 是正交试验中 综合评定为最佳配比组。下面是两组试验扫描图像对比： 图 3.1 C-组样品：放大倍数 100 倍 图 3.2 C-8 组样品：放大倍数 100 倍 由放大倍数 100 倍的图 3.1 和图 3.2 对比可知：C-3 组样品的孔结构非常复 杂，是由大量的连通孔结构组成，在保温隔热、隔音效果上起不到明显的作用， 断面纹理模糊，可能是胶凝材料水化不完全,有大量没有水化的材料导致18；C- 8 组样品是由大量单个、闭合、有规则的孔结构组成，能够起到良好的保温隔 热、隔音效果，断面纹理比较清晰。通过对比可知，C-8 组样品优越于 C-3 组 样品。 图 3.3 C-3 组样品：放大倍数 10000 倍 图 3.4 C-8 组样品：放大倍数 10000倍 由放大倍数 10000 倍的图 3.3 和图 3.4 对比可知：C-3 组样品中含有大量絮 24 状 CSH 凝胶体及少量针状可能是托贝莫来石19，而托贝莫来石是形成强度的主 要来源，所以其强度低；C-8 组样品中含有大量针状的托贝莫来石，结晶程度