陶粒輕集料微孔泡沫混凝土自保溫砌塊的研制與應用

  0前言

  在滿足防火要求和與建筑同壽命要求的前提下，增大圍護結構的熱阻值，減少建筑物與環(huán)境的熱交換，是實施建筑節(jié)能的最有效措施。建筑節(jié)能的重點就在于提高建筑物外圍護結構的保溫隔熱性能。但在不同的氣候條件下對建筑物外圍護結構的保溫隔熱要求有較大差別。北方地區(qū)主要以保溫為主，南方地區(qū)則以隔熱為主，而對于夏熱冬冷地區(qū)，夏季需要隔阻白天外圍護結構受到太陽輻射被加熱升溫，向室內傳遞的熱量，夜間還要使圍護結構能快速散熱。冬季則主要是隔阻外圍護結構向室外傳遞熱量。在南方，夏季制冷是建筑用能的主體，冬季采暖用能相對為輔。這一地區(qū)節(jié)能建筑圍護結構設計重點除應滿足夏季白天良好的隔熱性（衰減值較大，延遲時間長）、夜間散熱快之外，還要求冬季具有良好的保溫性能。

  利用陶粒輕集料和微孔泡沫混凝土材料的良好熱工性能和防火性能，制造陶粒輕集料微孔混凝土自保溫墻體材料制品，增大圍護結構的熱阻值和熱惰性指標，以減少建筑物與環(huán)境的熱交換，是實施建筑節(jié)能的有效措施之一。同時，可實現(xiàn)建筑物墻體保溫與圍護結構一體化和同壽命。為此我們研制開發(fā)了性能優(yōu)良的陶粒輕集料微孔泡沫混凝土自保溫砌塊（以下簡稱陶粒微孔泡沫混凝土砌塊）。本文主要介紹該型砌塊結構特點、材料組成、配合比、性能指標和生產工藝技術及其建筑保溫圍護一體化墻體的構造和作法。

  陶粒微孔泡沫混凝土砌塊是采用超輕陶粒（陶粒堆積密度小于400kg/m³）和微孔泡沫混凝土（水、水泥、粉煤灰、專用水泥發(fā)泡劑、專用促凝增強劑）經(jīng)混合攪拌制漿、澆注模具成型、脫模免切割或二次切割定型、自然養(yǎng)護或蒸汽養(yǎng)護而成的實心砌塊制品。其創(chuàng)新點為陶粒微孔泡沫混凝土砌塊采用整體澆注成型，其內外同質，均為陶粒輕集料微孔泡沫混凝土。在陶粒與陶粒之間，充滿了具有細密氣孔的水泥基微孔泡沫體。這些水泥基微孔泡沫體的密度與陶粒相當或比陶粒更低，因此，其砌塊可實現(xiàn)超輕化，承重型砌塊密度不大于1000kg/m³，非承重型砌塊密度不大于600kg/m³。充分集成了兩種材料的優(yōu)良特性，具有輕質高強、防火抗?jié)B、高效保溫、耐久性好的特點，是一種集裝飾、保溫、承重（或非承重）功能為一體的新型節(jié)能墻體材料。

  1 陶粒微孔泡沫混凝土砌塊結構特點及規(guī)格

  陶粒微孔泡沫混凝土砌塊規(guī)格分主砌塊和切割薄板塊兩種。主砌塊主尺寸采用我國中型砌塊的通用規(guī)格尺寸（長*寬*厚），有600*300*250；600*300*2000；600*240*120；600*240*250；600*190*200等規(guī)格；切割薄板塊有300*250*40、50、60；600*300*70、80、90等規(guī)格。如產品結構如圖1所示。

  圖1 產品外觀結構

  切割薄板塊適用于框架梁柱、剪力墻等的模內置或貼砌等熱橋部位的處理。主砌塊用于自保溫墻體砌筑，可采用保溫砌筑砂漿砌筑以提高灰縫處熱工性能，采用普通砌筑砂漿砌筑須用EPS灰縫壓條。

  2 主要原材料及配合比

  2.1 原輔材料

  2.1.1膠凝材料

  陶粒微孔泡沫混凝土砌塊采用澆注模制工藝，所制備的陶粒微孔泡沫混凝土漿料是一種的流態(tài)料自密實漿體，一般可采用普通硅酸鹽水泥，但其硬化慢，不能滿足澆注工藝的快速脫模要求。不采用蒸汽養(yǎng)護時，也可采用快硬硫鋁酸鹽水泥，以提高模具周轉速度和微孔泡沫的穩(wěn)定性及減低收縮性。水泥標號應不小于42.5級。同時該種水泥凝結快、早期強度高，有利微孔的穩(wěn)定形成。故一般應選用快硬硫鋁酸鹽水泥。但由于該型水泥抗碳化能力較差，表面易起粉，一般要與普通硅酸鹽水泥和礦渣粉復配成快硬型復合水泥使用。

  本試驗采用自主研發(fā)的HF早強快硬復合水泥，已獲國家發(fā)明專利（ZL200510096428.1）。其HF-32.5型水泥物理力學性能檢測結果見表1，符合蘭州海鋒建材科技有限公司企標《早強快硬復合水泥》Q/HF01-2006標準指標要求。

  表1 HF-32.5早強快硬復合水泥性能檢測結果

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  2.1.2陶粒輕集料

  可選用燒結、燒脹或免燒型粘土陶粒和粉煤灰陶粒。骨料為自然級配，并要求粒形好和級配合理。生產非承重自保溫砌塊時，陶粒堆積密度不大于600kg/m³；若生產承重砌塊，陶粒堆積密度可不大于1200 kg/m³。對于承重型砌塊，陶粒的筒壓強度應不小于10MPa；非承重砌塊，陶粒的筒壓強度應不小于4MPa。吸水率應不大于20%。細輕集料應盡量采用陶砂或其他輕砂，以降低砌塊密度。如無輕砂資源或生產承重砌塊，可以采用河砂。

  本研制中粗輕集料采用天津武清輕型建材廠生產的燒脹粘土陶粒，見圖2。物理性能依照《輕集料及其試驗方法》（GB/T17431.1-1998）并參照《建筑用砂》（GB14684-2001）的有關規(guī)定進行試驗測定。測定結果見表2。

  表2 陶粒粗骨料物理性能檢測結果

  試驗結果表明：圓形陶粒輕集料級配較好，筒壓強度較高。

  本研制中細輕集料采用粒化高爐水渣輕集料，由酒鋼集團榆中鋼廠提供。

  表3 細骨料物理性能檢測結果

  試驗結果表明：?；郀t水渣輕集料符合粗砂輕集料級配要求，10mm以上顆粒較少，筒壓強度高。

  在實際生產中，我們采用燒脹粘土陶粒和鋼廠粒化高爐水渣制備陶粒輕集料微孔混凝土均取得了良好的效果。

  圖2  天津武清軒逸輕型建材廠生產的燒脹粘土陶粒

  2.1.3增強纖維

  纖維是一種重要的增強、增韌組分，主要用于提高混凝土材料的斷裂韌性和抗裂防滲性能。在輕集料微孔混凝土中摻加一定數(shù)量的纖維，形成三維網(wǎng)絡結構，不僅可以起到增強、增韌的作用，而且還可以有效防止輕集料的上浮，提高混凝土的穩(wěn)定性。這是由于有機纖維非常細小，比表面積大，需要吸附大量水泥漿包裹，因而在膠凝材料用量、砂率不變的情況下，摻加纖維將使混凝土的粘度有所增加。因此摻加纖維能夠有效控制輕集料的自由運動，從而減小混凝土的分層離析程度，改善混凝土的各項性能。

  選用8mm長無機礦物與聚丙烯短切復合纖維，經(jīng)采用自行研制的高效分散劑處理后，具有很好的分散性，可均勻分散于混凝土中減小干縮，提高抗裂性。

  2.1.4高效減水劑和發(fā)泡劑

  陶粒輕集料微孔混凝土需采用高效減水劑和引氣發(fā)泡劑。其中高效減水劑使用的主要目的是能夠改善和易性，增加塌落度。水泥用量不變，強度也大致不變，高效減水劑可是塌落度增加10cm以上，從而獲得塌落度為20±2cm的流態(tài)混凝土。而采用引氣發(fā)泡劑是獲得基體微孔泡沫結構的必需。引氣發(fā)泡劑品種有蛋白類、植物皂素類、松香膠類、合成活性劑類，均可使用。從穩(wěn)泡性、發(fā)泡倍數(shù)、泌水率三大技術性能及使用成本綜合考慮，建議選用復合型高效發(fā)泡劑，其發(fā)泡倍數(shù)不小于30，可滿足發(fā)泡技術要求，用量小。

  使用高起泡穩(wěn)泡性的引氣發(fā)泡劑和高效減水劑，是獲得高性能陶粒輕集料微孔混凝土的關鍵。這就要求外加劑體系針對流態(tài)輕集料微孔混凝土特點，具備高效減水促流、抗裂減縮、起泡穩(wěn)泡和增強水泥石與集料粘結力的性能。要協(xié)調解決陶粒輕集料微孔混凝土微孔形成、拌和物穩(wěn)定性和流動性，工業(yè)化的生產工藝對陶粒輕集料微孔混凝土拌和物的流動性和穩(wěn)定性都提出了非常高的要求，本研制中在使用市售FDN10高效減水劑的同時，采用自主研發(fā)出的陶粒輕集料微孔混凝土專用HFPM引氣發(fā)泡劑。

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  2.1.5輔助礦物材料

  采用硅灰、粉煤灰、礦渣微粉可增強復合膠凝材料的安定性，從而提高輕集料微孔混凝土的耐久性。加入少量粉煤灰，可以提高砌塊強度。粉煤灰最好采用一級灰或二級灰。如采用三級灰，可超細粉磨至比表面積不小于400m2/kg。

  2.1.6其他外加劑

  主要有發(fā)泡穩(wěn)定劑、膨脹減縮劑、硅水泥促凝劑（禁用速凝劑）等。當采用低堿度硫鋁酸鹽水泥時，為克服其強度倒縮，應使用專用增強劑，以保證砌塊的后期強度。

  脫模劑選用自制的HF-2型乳化油皂液，具有無毒味、高隔離和不污面性能，可使用于噴涂工藝。

  2.2 陶粒微孔泡沫混凝土砌塊配合比及性能測試

  2.2.1配合比設計范圍

  每立方米制品材料用量：

  水泥基膠凝材料                           400~500kg/m³；

  燒脹粘土陶粒                              150~250kg/m³；

  ?；郀t水渣集料                        50~100kg/m³；

  粉煤灰（一級干灰）                     水泥量20%~30%

  短纖維                                       0.5kg

  微孔泡沫氣泡率                           40%~60%

  高效減水劑                                 水泥量1%

  水灰比0.6，控制料漿容重900~1000 kg/m³。

  2.2.2試驗用配合比及主要性能指標測定

  表4

  3 生產工藝技術

  陶粒微孔泡沫混凝土砌塊可采用先進的工藝技術以實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產。由原材料處理、陶粒發(fā)泡混凝土料漿制備、成組模澆注成型、蒸汽養(yǎng)護、脫模切割、碼垛包裝養(yǎng)護等工藝組成。在生產中需重點解決陶粒上浮控制、干縮和體積穩(wěn)定控制、抗?jié)B性和澆注工作性等問題。

  在原材料處理工段必須進行陶粒預濕處理，使之達到一定的含水率，以增加其與其他物料的界面結合力，不預濕的陶粒不可使用。盡量通過復配使陶粒輕集料級配連續(xù)。使用部分膨脹珍珠巖和膨潤土降低料漿密度并摻加纖維素增粘可有效減小陶粒上浮現(xiàn)象。

  應盡量采用蒸汽或干熱養(yǎng)護，以避免澆注后由于水泥終凝時間長而造成塌模，同時提高砌塊強度。試驗表明初期采用蒸汽或干熱養(yǎng)護時砌塊強度較自然養(yǎng)護提高10%-30%。

  陶粒微孔泡沫混凝土砌塊生產工藝流程見圖3。

  圖3 陶粒微孔泡沫混凝土砌塊生產工藝流程

  4砌塊主要性能測試及其建筑保溫系統(tǒng)構造作法

  4.1主要性能指標的測試

  我們對以S2號試驗配比生產的700級陶粒微孔泡沫混凝土砌塊技術主要性能指標進行了測試。抗壓強度超過3.5MPa；快速法測定干縮值小于0.5mm/m；干燥狀態(tài)導熱系數(shù)小于0.18w/mk.。燃燒性能測定：微孔水泥保溫板屬非燃燒體，依據(jù)《建筑材料及制品燃燒性能分級》GB8624-2006，測試評定為A1級。

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  4.2復合有機內芯的砌塊耐火極限性能測試

  為驗證復合有有機聚苯乙烯泡沫芯材的陶粒輕集料微孔泡沫混凝土復合砌塊的耐火性能，2011年我們對山東嘉禾集團和甘肅張掖五色建材集團生產的流態(tài)輕集料微孔混凝土斷熱節(jié)能復合砌塊進行了耐火極限試驗送檢，經(jīng)四川都江堰國家防火建筑材料質量監(jiān)督檢測中心兩次檢測，均表明陶粒輕集料微孔混凝土具有卓越的隔熱性能和防火性能。該項檢測試驗的做法步驟如下，試驗過程見圖4-1、圖4-2、圖4-3所示。

  （1）在鋼制構件框內用待檢測的流態(tài)輕集料微孔混凝土斷熱節(jié)能復合砌塊，規(guī)格尺寸為600（長）*300（高）*200（厚），砌塊結構為雙層EPS板內芯。砌筑成3000*3000的墻體構件，兩面用1：3水泥砂漿抹灰20mm，形成3000*3000*240（厚）的受火試件。養(yǎng)護14后，進行試驗。

  （2）將耐火構件吊裝到燃燒爐口固定就位。安裝好爐內溫度傳感器，在構件爐外表面上按試驗要求粘貼10點溫度感應片，并連接中央控制室的測溫系統(tǒng)。如圖4-1所示。

  （3）啟動試驗控制系統(tǒng)進行試驗，爐內噴柴油點火燃燒，系統(tǒng)自動記錄顯示爐內溫度和構件表面溫度曲線，觀察試件出現(xiàn)的現(xiàn)象。

  圖4-1 耐火構件的安裝和溫度感應片粘貼

  圖4-2  耐火構件試驗中

  圖4-3 試驗結束后構件受火面狀況

  試驗現(xiàn)象分析和結論如下：

  爐內點火燃燒后，由于流態(tài)輕集料微孔混凝土復合砌塊的優(yōu)良保溫隔熱性能，阻隔熱傳遞，試件表面升溫十分緩慢，在開始的1小時內，幾乎無多少變化。試驗過程中，在構件上方和鋼框架結合部位，有水蒸氣不斷冒出。試件表面也有水跡點狀滲出，如圖4-2所示。說明受火面混凝土中含有的游離水和結晶水開始陸續(xù)釋放，在爐內熱壓力下從縫隙排出。2小時后試件表面溫升仍很緩慢，個別點溫升明顯，可能是砌筑灰縫處存在熱橋導致溫升的變化。如圖4-4所示，試驗中央控制系統(tǒng)電腦顯示：耐火3小時27分鐘時爐內平均溫度1149.46℃，試件表面平均溫度16.26℃。

  試驗結束后，將耐火構件吊出，如圖4-3所示，可以看到受火面流態(tài)輕集料微孔混凝土復合砌塊部分水泥抹灰砂漿脫落，但復合砌塊整體完好。用鋼釬將其沿邊開縫后才能破壞震出。從砸破的復合砌塊結構看，靠受火面一側的EPS泡沫板部分熔化揮發(fā)?？勘郴鹈嬉粋鹊腅PS泡沫板均尚未熔化。流態(tài)輕集料微孔混凝土基體仍保有較高強度，無粉化破裂現(xiàn)象。充分說明流態(tài)輕集料微孔混凝土基體材料具有極好的保溫隔熱和抗裂耐火性能。

  圖4-4 耐火極限試驗中央控制系統(tǒng)電腦溫度顯示屏

  國家防火建筑材料質量監(jiān)督檢測中心試驗結果：200厚流態(tài)輕集料微孔混凝土復合砌塊耐火極限210min。

  4.3 陶粒微孔泡沫混凝土砌塊墻體熱阻測定

  陶粒微孔泡沫混凝土砌塊（試驗用、粘土燒脹陶粒、高爐水渣與膨脹珍珠巖復配骨料）的砌體熱阻測定如下：

  700級200厚砌塊自保溫墻體（單面粉刷25mm水泥砂漿，計內外表面換熱阻0.15m².K/W）主斷面總熱阻1.633m².K/W，傳熱系數(shù)0.612w/m²k，可能滿足國家寒冷地區(qū)65%建筑節(jié)能對9層以上建筑外墻圍護結構傳熱系數(shù)≤0.70w/m²k的限制要求。

  4.4 陶粒微孔泡沫混凝土砌塊自保溫墻體系統(tǒng)構造作法

  陶粒微孔泡沫混凝土砌塊適用于砌筑自保溫墻體，其建筑保溫墻體的構造和作法如圖5所示。

  圖5 框架結構體系建筑自保溫墻體構造作法

  4.5 陶粒微孔泡沫混凝土砌塊施工要點

  陶粒微孔泡沫混凝土砌塊可鋸切，砌塊應上下錯縫搭砌，一般搭接長度為200mm，個別部位不應小于100mm，并符合有關結構構造要求；砌筑前不宜浸水，應采用保溫砌筑砂漿并盡量減小灰縫厚度以減小灰縫熱橋提高墻體熱工性。

  5 結語

  陶粒微孔泡沫混凝土砌塊基體材料組成獨特合理，充分發(fā)揮了輕集料混凝土和泡沫混凝土的優(yōu)良特性，輕質高強，體積穩(wěn)定，熱工性能好，生產工藝成熟可靠，適于工業(yè)化規(guī)模生產，制品保溫隔熱，其建筑保溫墻體系統(tǒng)耐火性好，耐久性可與建筑主體同壽命，是可滿足國家第三步（65%）建筑節(jié)能目標要求的理想的耐火性保溫墻材產品。