无机多孔材料对全轻混凝土性能的影响

引言随着十四五时期住房与城乡建设政策的不断推进，城乡建设绿色低碳技术研究变得越来越重要[1]。建筑能耗持续占全国能耗前列，因此提高建筑节能成为达到绿色低碳目标的有效方法之一[2]。我国在夏热冬冷地区，一般没有统一的供暖制冷系统，采用分户采暖、制冷。由于不同住户对室内温度要求的差异，导致热量在不同楼层之间传递，节能效率低于65%，因此必须对楼地面采取保温措施，减少能耗损失[3]。随着建筑节能的要求和推进，目前楼地面保温层材料有聚苯乙烯泡沫塑料板、聚苯颗粒保温浆料、复合硅酸盐板、无机保温砂浆、泡沫混凝土等[4]。但是，这些保温层强度低，它们用于楼地面保温系统时，由于强度较低，因此必须额外增设钢丝网和细石混凝土保护层，以免引起开裂，且聚苯颗粒保温砂浆系统和苯板系统防火性能差[5]。全轻混凝土是轻集料混凝土的一种。轻集料混凝土一般是粗骨料采用陶粒等轻集料，细集料也采用轻质集料（如陶砂）。全轻混凝土质量轻，保温性能好，相较于其他保温材料强度较高，可有效解决保温材料空鼓、开裂等问题，可用于分户楼板保温[6]。全轻混凝土主要采用无机多孔材料作为集料，其主要包括天然与人工多孔材料，常见的多孔材料包括页岩陶粒、粉煤灰陶粒、膨胀珍珠岩、漂珠等。无机多孔材料对全轻混凝土的力学、热学性能具有极大的影响[7]。本文采取不同种类无机多孔材料，测试其性能参数，进而研究无机多孔材料对全轻混凝土性能的影响规律，推进全轻混凝土在楼面保温工程中的应用，实现建筑节能低碳。1、材料与方法

1.1试验材料水泥：峨胜水泥厂生产的P·O42.5R水泥，其28d抗压强度为49MPa。粉煤灰：风选I级粉煤灰。硅灰：92硅灰。减水剂：江苏苏博特生产的聚羧酸高效减水剂，固含量11%，减水率25%。引气剂：十二烷基磺酸钠。细集料：试验选用陶砂、漂珠、钛矿渣、膨胀珍珠岩作为细骨料；试验中配合比计算采用陶砂作为细骨料进行计算；漂珠、膨胀珍珠岩选择为细骨料时，仅同体积比例替代20%的陶砂；钛矿渣选择为细骨料时，同体积全部替代陶砂。粗集料：试验主要选用陶粒作为粗集料，陶粒类别包括粒形、容重、粒径等；本试验主要选取页岩陶粒代替粗集料；选择不同陶粒作为粗骨料时，陶粒为同质量全部替代。

1.2试验方法1.2.1全轻混凝土的制备试验采用不同种类多孔材料作为细集料，轻质陶粒作为粗骨料制备全轻陶粒混凝土。全轻混凝土的配合比设计参照JGJ/T12—2019《轻骨料混凝土应用技术》中的松散体积法，试验配合比见表1。试验前预先将陶粒倒入水中，浸泡1h，使陶粒处于预吸水状态，然后将陶粒倒入筛网，滤掉多余水分，放置待用。先将陶粒与粉料倒入搅拌锅内进行搅拌，然后倒入水与外加剂搅拌，最后倒入陶砂进行搅拌，搅拌完成后进行试样的制备。表1

全轻混凝土配合比kg/m31.2.2测试方法干表观密度：采用整体试件烘干法进行测定。将待测的混凝土立方体试件置于105~110℃烘箱中，烘至恒重，采用电子秤称量，精确至2g；相邻2次称量的时间间隔不得小于2h，且以相邻2次称量值之差不应大于试验要求的精度判定为恒重。采用游标卡尺分别测量试件的长、宽、高各自对应的4条边，分别取其均值，然后计算试件的体积。干表观密度的计算见式（1）。饱和吸水率：将6块试件在105~1l0℃下烘至恒重；取其中3块试件测定抗压强度平均值f0；取其余3块试件称重，测定质量平均值m0后，将其浸入温度为（20±5）℃的水中，浸水时间均为48h，达到要求的浸水时间后，将试件取出，擦干并称量，计算该浸水时间的质量平均值mt。见式（2）。2、结果与讨论

2.1多孔材料性能测试表2为不同种类多孔细集料的性能测试结果。由表2可知，不同种类的轻质多孔材料的容重差别很大。其中珍珠岩的堆积密度远小于其他多孔材料，并且其容重随目数的增加而减小。漂珠的堆积密度随目数的增加而增大。选取攀西地区钛矿渣的堆积密度与陶砂密度类似，但细度模数相对较低。表3为不同类型多孔粗集料的性能测试结果，图1为3种等级陶粒的表观以及断面形貌图。由表3可知，随着陶粒容重的增加，陶粒的吸水性降低，筒压强度增加。对比不同类型陶粒发现，椭圆型陶粒与破碎型陶粒的吸水率与筒压强度均低于球形陶粒。其中破碎型陶粒的吸水率最高，筒压强度最低。由图1可知，陶粒的直径均在10mm左右，并且陶粒的容重越高，内部孔隙率越小，表面越光滑致密。表2

不同种类多孔细集料性能测试结果表3

不同类型多孔粗集料的性能测试结果图1

不同等级陶粒表观形貌图2.2多孔材料对全轻混凝土表观密度的影响图2为不同种类的多孔细集料对全轻混凝土干密度的影响。由图2可知，无机多孔材料的种类对混凝土干密度具有极大的影响，随着龄期的增长，混凝土干密度增加；当陶砂的密度增加，混凝土的干密度随之增加。珍珠岩的掺入并未显著降低混凝土的干密度，珍珠岩容重在98～141kg/m3，同体积替代陶砂，可降低混凝土容重，但是由于其吸水性较强，吸水后容重显著提高，因此导致混凝土中水灰比降低，孔隙率下降，干密度提高。漂珠的掺入提高了混凝土的干密度，其中漂珠目数越大，比表面积越大，吸水率更高，其混凝土干密度越大。钛矿渣的密度与陶粒相差较小，吸水性较陶砂低，因此混凝土干密度略微下降。图2

不同多孔细集料对全轻混凝土干密度的影响图3为不同类型粗集料对全轻混凝土干密度的影响。由图3可知，随着陶粒密度的升高，混凝土干密度提高；破碎形陶粒混凝土与500级陶粒混凝土的干密度相对较低。根据陶粒的吸水率可以发现陶粒容重越大，吸水率越小，破碎型陶粒的吸水性大于规则型陶粒。由于陶粒处于预吸水状态，且预吸水未算入混凝土水灰比中，当陶粒处于搅拌状态下，陶粒内部水溢出到混凝土基体中，导致混凝土实际水灰比增大。随着混凝土中水灰比的增大，混凝土的孔隙率增加，因此混凝土干密度降低。并且由于陶粒本身容重直接影响混凝土的容重，混凝土的干容重随陶粒的容重降低而降低。图3不同类型粗集料对全轻混凝土干密度的影响

2.3多孔材料对全轻混凝土力学性能的影响图4为不同种类多孔细集料对混凝土抗压强度的影响。由图4可知，随着陶砂容重的增加，混凝土抗压强度增强。这是由于随着陶砂容重的提高，陶粒混凝土容重提高，混凝土的密实度增加，孔隙率减小，因此混凝土抗压强度提高。珍珠岩的掺入提高了混凝土抗压强度，这主要是因为珍珠岩比表面积大，吸水率高，掺入混凝土中吸取大量自由水，减小了混凝土中实际水灰比，因此混凝土的抗压强度提高，其中30～50目珍珠岩对混凝土抗压强度的提升程度最高。漂珠的掺入显著提高了混凝土的抗压强度，并且随着目数的增加，混凝土抗压强度提高，其中80目漂珠提高了混凝土28d抗压强度5.7MPa。钛矿渣对混凝土抗压强度的影响较小，可直接替代陶粒。图4不同种类多孔细集料对混凝土抗压强度的影响

图5为不同种类粗集料对全轻混凝土抗压强度的影响。由图5可知，随着陶粒容重的提高，混凝土的抗压强度先提高后减小。这是因为随着陶粒容重的提高，其筒压强度提高，因此混凝土强度上升。相对于圆球形陶粒，破碎型与椭圆陶粒明显降低了全轻混凝土的抗压强度。因此，全轻混凝土的抗压强度与陶粒的容重呈线性关系。当陶粒容重提高，混凝土抗压强度提高。图5不同类型粗集料对混凝土抗压强度的影响2.4多孔材料对全轻混凝土导热系数的影响图6为不同种类多孔细集料对全轻混凝土导热系数的影响。由图6可知，随着陶砂容重的提高，混凝土的导热系数提高。混凝土的导热系数主要由混凝土孔隙率决定。随着陶砂容重的提高，混凝土容重提高，孔隙率减小，因此导热系数提高。珍珠岩与漂珠的掺入，提高了混凝土的导热系数。这是由于珍珠岩与漂珠的细度较高，在混凝土中填充于孔隙之间，减小了混凝土的孔隙率，因此导热系数增加。钛矿渣属于水淬矿渣，其自身孔隙率较高，可降低混凝土容重及导热系数。图6不同种类多孔细集料对混凝土导热系数的影响图7为不同类型粗骨料对全轻混凝土导热系数的影响。由图7可知，随着陶粒容重的提高，全轻混凝土的导热系数先上升后下降。破碎型陶粒混凝土的导热系数最低。通过对比图2与图6可以发现，导热系数变化与容重变化一致。这是由于陶粒容重的提高导致全轻混凝土容重的提高，孔隙率下降，因此导热系数增加。图7不同类型粗集料对混凝土导热系数的影响2.5陶粒与混凝土基体界面区域图8为陶粒与混凝土基体之间界面区域扫描电镜图。图a、b、c是破碎型陶粒与基体界面区域图，而图d、e、f为圆球型陶粒与基体界面区域图。由图d可以看出，陶粒表面存在许多均匀且微小的气孔，混凝土基体上分布着许多不均匀的气孔，孔径在100～500μm之间，这是由于引气所导致的气孔。由图a与图d均可看出陶粒与混凝土之间明显的界面区域。在不同陶粒界面区域均可发现陶粒表面生长许多C-S-H凝胶颗粒，这可能是由于陶粒表面存在许多成核位点，水泥水化生成了C-S-H凝胶，因此基体与陶粒之间被C-S-H凝胶连接起来。由于引气作用可在陶粒周围存在较多的气孔，因此在基体与陶粒界面区域形成了薄弱区。混凝土在外界力的作用下，薄弱区易发生裂纹，导致混凝土受到破坏。图8陶粒与混凝土基体界面区域SEM图结论

文通过对不同种类无机多孔材料对全轻混凝土力学性能与导热性能的影响，得出以下结论：（1）随着陶粒容重的增加，其吸水性降低，筒压强度增加；椭圆型陶粒与破碎型陶粒的吸水率与筒压强度均低于球形，其中破碎型陶粒的吸水率最高，筒压强度最低。（2）全轻混凝土干密度随陶砂密度的增加而增加；珍珠岩与漂珠能提高全轻混凝土的干密度；全轻混凝土容重