超轻憎水混凝土的研发与应用.pdf

2 0 1 1 年第 4期 4月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI N A C 0NCR ET E AND CE MENT P R0DU C I 2 01 1 No 4 Ap r i l 超轻憎水混凝土的研发与应用 冯乃谦 ， 李章建 ， 黄文君 ， 张志龄 ( 1 清华 大 学 ， 北 京 1 0 0 0 8 4 ； 2 云南建 工混 凝 土公 司 ， 昆 明 6 5 0 0 5 1 ) 摘要 ： 研 究 了超 轻 陶 粒 、 聚 苯 泡 沫 塑料 粒 和 引 气 剂 配 帑 1 的 超 轻 混 凝 土 ， 其 密 度 为 8 0 0 1 2 0 0 k g m3 ， 抗 压 强 度 为 4 8 MP a ， 导热 系数 为 0 2 2 W ( m k ) ， 并研究 了可漂浮 于水 面上 的憎 水超轻 混凝土。此外 ， 对超轻 混凝 土进 行 了多次 泵 送试 验 。 关键词 ： 超轻骨料 ； 超轻混凝土 ； 泵送施工 ； 憎水混凝 土 Ab s t r a c t ： T l e s u p e r - l i g h t we i g h t e o n e r e t e i s ma d e b y u s i n g c e r a mi c s a g g r e g a t e p o l y s t y r e n e f o a m a n d a i r e n t r a i n i n g a d d i t i v e， wh i c h i s wi t h b u l k d e n s i t y 8 0 0 - 1 2 0 0 k g m ， c o mp r e s s i v e s t r e n g t h 4 8 MP a a n d h e a t t r a n s f e r c o e ffi c i e n t 0 2 2 W ( m k r h e h y d r o p h o b i c c o n c r e t e wi t h s u p e r l i g h t w e i g h t a g g r e g a t e i s a l s o ma d e ， a n d p u mp i n g t e s t s a r e c a r r i e d o u t s e v e r a l t i me s f o r s up e r l i g h t we i g h t c on c r e t e Ke y wo rd s： Su pe r l i g ht we i g ht a g g r e g a t e ；S u pe r -l i g h t we i g ht c o nc r e t e ；Pumpi ng c o ns t r u c t i o n；Hy dr op h ob i c co nc r e t e 中 图 分 类 号 ： TU5 2 8 文 献 标 识 码 ： A 文 章编 号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7f 2 01 1 ) 0 4 01 0 5 0前 言 超 轻 混 凝 土 可 大量 利 用 工 业 废 渣 和 生 活 废 弃 物 为原 材 料 ， 使建 筑 材 料 和制 品在 生产 过 程 中降 低 天然资源和能源消耗。超轻混凝土可作为墙体和屋 面保温材料 ，使建筑物维护管理的能源消耗降低 ， 而且无 火灾 隐 患 。 超 轻 混 凝土 的 内部结 构 中 ，往 往都 含 有 气 泡 ， 也 就是 说 ， 超 轻 混凝 土属 于 多孑 L 混凝 土 。2 0世纪 5 0 年 代 ， 我 国 生产 和应 用 泡 沫 混凝 土 保 温 材料 和泡 沫 混凝 土 砌 块 ，是 以泡 沫剂 掺 入 水泥 粉 煤 灰 料 浆 中 ， 经搅拌 、 成型 、 蒸养( 或蒸压) 而成。当时全国各地均 采用这种混凝土作为屋面保温材料 ， 而蒸压 的多孔 混凝土砌块往往都用作保温隔热的墙体 。天津当时 用地毯毛下脚料作泡沫剂 ， 生产蒸压多孔混凝土砌 块 就是 其 中一例 。 2 0世纪 6 0年代 加气混凝土兴起 ， 利用铝粉 发 气剂与料浆 中组分 的化学反应 。 产生气体而形成多 孔结 构。其干容重 为 4 0 0 8 0 0 k g m。 ，强度 在 1 5 8 MP a左右 ， 导热系数 0 0 8 0 2 5 W ( m k 1 ， 可制成墙 板 、 屋面板或砌块等I 1 - -2 1 。 2 0世 纪 7 0年 代 我 国研 发 出了 陶粒 加气 混 凝 土 ， 在 铝粉 发 气 的 多孑 L 混凝 土 中 ， 掺 入 了陶 粒 ， 使 混 凝 土 中形 成 双 重 的 多 孔 结 构 多 孔 陶粒 与 多 孔 料浆 。虽然是蒸养制品 ， 但由于轻骨料的存在 混凝 土的收缩降低 ； 同时 ， 如有裂缝存在时 ， 轻骨料也会 把裂缝断开 ， 使连续裂缝变成间断裂缝 。这种混凝 土干容重为 9 0 0 9 5 0 k g m 。抗压强度 7 5 8 0 MP a ， 用作外墙板 。后来用天然沸石粉为载气体 ， 代替铝 粉把气体引入轻骨料混凝土 中， 得到载气多孔混凝 土。这种蒸养混凝土干容重为 8 0 0 1 2 5 0 k g m ， 抗压 强度 达 6 1 3 5 MP a 3 卅。 2 0世纪 8 0年代 ， 在我国的张家 口， 以天然沸石 粉 为载气体 。 生产 了多孔混凝土墙板 ， 用于建 筑物 的 内隔断 墙 。 2 0世纪 9 0年代 ， 日本发 明了 3 L混凝土。 日本 久 保 田公 司 ( 株 ) 从 德 国引 进 了一 种 泡 沫剂 ， 将 这 种 泡沫剂与轻骨料混凝土搅拌 使混凝 土中形成泡沫 剂的多孔结构和人造轻骨料的多孔结构。这种混凝 土为蒸养制 品， 干容重约 1 4 0 0 k g m ， 抗压强度达到 1 2 1 4 MP a ， 久保 田公 司用这种混凝土制作房屋的外 墙板 。 2 0世 纪末 ， 我 国又研 发 出 了泡 沫 塑料 粒 、 发 泡 剂和 水泥 浆 配制 成 的保 温 材料 。近年 来 广州 大学 研 制了有机微珠 的轻质混凝土 而且还制订了相应的 地方应 用 技术 规 程 。 上述超轻混凝土的技术途径如下图 l 所示 ： 由此可见 ，超轻量化关键 是成孔物和超轻 骨 料 。因此 ， 本课 题 的构 思如 图 2所示 。 1 试 验 原材 料 ( 1 ) 水泥 ： 选用云南昆明产的 P 0 4 2 5级普硅水 泥 ， 各项 性 能检验 如 表 1 。 ( 2 ) 粉煤灰 ： 云南产的 I I 级粉煤灰 ， 具体指标见 表 2 。 一 1 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1 年第 4期 混凝土与水泥制品 总第 1 8 0期 ( a ) ( b ) ( c ) ( a ) ： 多孔混凝 土 ； ( b ) ： 轻骨料 多孔混凝土 ； ( c ) ： 泡沫塑 料多孔混凝土 。 其 中 ： 气 孔 成孔 物 可 为铝粉 、 泡 沫剂 、 载 气体 ； 超 轻 骨 料 可为人工超轻 骨料及聚苯泡沫塑料粒。 图 1 混凝土达到超轻的技术 途径 超轻骨料 气孔 水 泥 石 - 聚苯泡沫塑料 图 2 超 轻混凝土 内部结构构思 ( 3 ) 砂 ： 选用昆明产的山砂 ， 技术性能指标见表 3。 ( 4 ) 聚苯 乙烯泡沫塑料粒 ： 密度为 1 0 1 4 k g m 3 。 以高速粉碎机粉碎聚苯乙烯泡沫塑料而成 ，粒度 0 1 l mm。 ( 5 ) 高效减水剂 ： 柯帅减水剂母体 ， 粉剂。 ( 6 ) 缓凝剂 ： J G 一 1 缓凝型减水剂 ， 水剂 。 ( 7 ) 引气剂 ： A E A。 ( 8 ) 陶粒 ： 有可保 陶粒和坤达陶粒两种 ， 其 中可 保陶粒 以开采煤矿时废弃黏土为原料烧制而成 。 坤 达陶粒采用 附近荒坡土烧制而成 ， 有关性能见表 4 。 由上述技术指标可见 ， 紧堆密度达 3 0 0级的超 轻陶粒 ， 可保 陶粒 的筒压强度为 2 0 MP a ， 而坤达 陶 粒仅为 1 6 M P a 。考虑到其他各项指标相差不大 ， 选 用可保细陶粒为试验材料。 2试验 根据昆明市科技局的要求 ， 节能超轻陶粒泡沫 混 凝土 的性 能要求 如下 ： 干 容重 ： 6 0 0 1 2 0 0 k g m3 ； 抗 压强 度 ： 3 5 MP a ； 吸 水 率 ： 1 5 ； 抗 渗指标 ： P 6 ； 能泵送 施工 。 表 1 水泥各项性能检验指标 表 2 I I 级粉 煤灰检测指标 细度表观密度 松堆密度 空隙 含水 含泥 吸水 模数 m 3 ) ( k g m 3 ) 率 率 量 率 可保 粗 陶粒 可保 细 陶粒 坤达粗 陶 粒 坤达细 陶 粒 2 7 8 3 01 3 1 2 4 3 6 6 5 6 0 5 0 2 0 2 5 6 4 4 7 1 8 0 2 0 3 7 0 2 0 4 9 2 5 2 8 6 3 0 2 2 1 9 2 3 5 5 7 5 0 5 0 1 6 4 5 7 5 0 0 1 4 0 1 6 0 8 8 8 0 4 9 2 5 2 2 1 不 同密度 超轻 混凝 土配合 比试 验 将可保陶粒 ( 粗骨料) 破碎后作为细骨料 ， 并在 配料 中掺入少量聚苯泡沫塑料及微沫剂 。 以降低混 凝土的密度。拌合 1 5 L混凝土， 测定其坍落度 、 扩展 度 、 湿容重 、 干容重 、 并测定 7 d 、 2 8 d超轻混凝土 的 抗压强度。 配合 比试验如表 5所示 ， 试验结果如表 6 所示 。 由表 6可知 ，在 同样原材料及配 比条件下 ， 采 用裹浆工艺的超轻骨料混凝 土的强度 比普通工艺 效果好 ； 水泥的强度等级高 ， 配制的超轻骨料混凝 土的强度相应提高 ； 通过初步探索 ， 可 以配制 出密 度 8 0 0 k g m 左右 2 8 d抗压强度 4 。 0 MP a的超轻混 凝土 ； 废弃 聚苯泡沫塑料细颗粒材料 ， 代替部分或 全 部砂 子配制 轻骨 料混凝 土 。 可 以达 到密 度 1 0 0 0 k g m 。 以上的超轻混凝土 ，但这时必须相应掺 人引气 剂 ， 使 料浆 中含有一定量气泡 。 才能保证 拌合物 的 稳定性与均匀性。 2 2 不 同配 比的新拌混凝土及硬化混凝土的性能 针对 云南当地条件及生产要求 。 开展 了进一步 系统试验 ， 共进行了 l 8个配 比的混凝土试验 ， 如表 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 冯 乃谦 ， 李 章建 ， 黄 文君 ， 等 超 轻憎 水 混凝 土 的研发 与应 用 注 ： 编号 1与 2代表 不同的投料顺序 ， 两 编号混凝 土均选用 P 0 3 2 5级水泥 。编号 3 ， 4 ， 5系将原状超轻骨料 与破碎后超轻骨 料按 1 ： 1 配合 ， 水泥为 P 0 4 2 5级。 表 6混 凝 土 试 验 结 果 7所示 ， 试 验结 果见 表 8 。 从 表 8中检 测 了部分 编 号 的 新拌 混 凝 土 ， 其性 能 变化 如表 9所 示 。 通 过上 述试 验结 果 可知 ： ( 1 ) 采用干陶粒 ， 在拌合时先倒人 陶粒 ， 加入预 湿水 ( 相当于陶粒 l h吸水量 ) ， 把陶粒搅拌均匀 ， 然 后倒入水泥 、 粉煤灰等一起拌合 1 m i n ， 再投入剩余 材料和水 ， 拌 合成混凝土 ， 这样拌合的超轻骨料混 凝 土强 度 高 ， 如表 8中编 号 2 、 4、 5 、 7均 为 干 陶粒 加 预湿水拌合 ， 混凝土强度均高于其他各组 。 ( 2 ) 将 表 8中 的数 据 按水 胶 比 和强 度关 系整 理 后可知 ： 当水胶 比 W B低 于 0 _ 3后 混凝 土强度完 全 由轻骨料制 约 ， 故 W， B由 0 - 3减为 0 2 7时 ， 强度 没有 增 长 说 明本 课 题 所 能 配制 的 混凝 土最 大 极 限 强度 在 7 O MP a 左 右 。 ( 3 ) 根据混凝土的干容重与强度关 系再分类如 一 3 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1 年第 4期 混凝土与水泥制品 总第 1 8 0期 编号 丽 表 1 0干容重与强度关 系分类 干容 ( k g m 3 ) 平均强度 MP a 3 2 4 3 5 0 69 79 表 1 0所 示 。 试验 中 如 以干 陶粒 或 自然 状态 下 含 水 陶粒 为 原料 在混凝土拌合 时， 加入半小 时吸水量 的预湿 水 ， 按裹浆工艺可以更有效地提高混凝土强度。 2 3 憎水 超轻混 凝 土 使混凝土憎水是混凝土防渗抗渗的最好途径 ， 本 课 题 用 硬脂 酸 乳 化 液代 替 混 凝 土 中 的部 分用 水 量 ， 可 以使混凝土憎水 ， 混凝土投入水 中， 可漂浮于 一4一 水面上。该种混凝土在吸水率和抗渗性方面 ， 均能 达到要求。憎水混凝土配合 比如表 1 1 所示。 按表 1 1 配合 比， 拌合 1 5 L混凝土 ， 测定新拌混 凝 土性能 ， 并成 型 1 0 c mx l 0 c mx l 0 c m三联模 。 测定 湿容 重 。新 拌混凝 土性 能见 表 1 2 。 混凝土脱模后 ， 将 l O c mx l O c mx l O c m试件放人 盛水 的大 烧 杯 中 ， 混凝 土试 块 漂 浮 于 水 上 ， 相 应 的 2 8 d抗压强度为 4 2 MP a 。由于掺入乳化硬脂酸 ， 与 水泥水化过程 中的 C a ( O H ) ： 反应 ， 会生成硬脂酸钙 ， 故早期 、 后期强度均会相应提高。 2 4 超轻 混凝 土 的导热 系数 为 了检测 研 制开 发 的超 轻 混凝 土 的热 工 性能 ， 按表 1 3的配 比拌合混凝土 。 成型试块。 测定 混 凝 土 的湿 容 重 约 1 l O O k g m3 ，干容 重 约 9 5 0 k g m， ，经北京建筑工程学院测定 ，导热系数为 卯啪 擞 墙 0 O 0 0 =兮 ( l l 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 冯乃谦 ， 李章建 ， 黄文君 ， 等 超轻憎水混凝土的研发与应用 表 1 2 新 拌 混凝 土 性 能 0 2 2 W ( m k ) ， 混 凝 土强度 为 4 8 MP a 。 按照建筑材料辞典介绍 ： 一般物质的导热系数 范围 ， 金属材料 2 3 6 0 ， 建筑 0 5 3 ， 绝热材料 0 0 2 0 2 ， 空 气 0 0 2 ， 水 O 4 2 ， 砌 筑外 墙 的 黏土 砖 导热 系 数 约 0 7 0 7 2 。过去 ， 北 京地 区 的外墙 需 为 3 7 e m厚 的 砖 墙 ， 才 能 满足 热 工 效果 。采 用 本课 题 研 发 的超 轻 表 1 3 测定导热系数 的混凝土配 比 kg ,m ， 3 混 凝 土 ， 按 此 法 考 虑 ， 约 1 0 1 2 c m 即可 满 足北 京 地 区建筑的热工要求。 3泵送试 验 由于研 制的超轻混凝土要用于屋顶保温 ， 因而 在 试验 室 研 发 的基 础上 ， 进行 了超 轻 混凝 土 的泵 送 试验 。云南省建工混凝土公司搅拌站进行了 3次泵 送试 验 ， 最 初 采 用高 压 泵 送 ， 没有 成 功 ； 后 又 采 用 低 压泵 ， 水 平 泵 送 距 离 只有 1 0 m 左 右 ； 第 三 次 用 天 然 砂代 替 部分 聚苯 泡 沫塑 料 粒 ， 混 凝 土 湿容 重 由原 来 的 1 2 0 0 k g m 以 下 ， 增 加 到 1 3 0 0 k g m 以上 。 这 时 采用低压泵 ， 泵送高度 可达 2 O多米 ， 满足 了昆明市 科学技术局 的技术要求 。 4结论 ( 1 ) 利 用 煤 矿开 挖 过 程 中废 弃 黏 土 为 原料 烧 制 的超轻 陶粒 ( 可保陶粒 ) 、 生活废弃垃圾 聚苯泡 沫 塑 料 、工 业 废 渣 粉 煤 灰 及 部 分 水 泥 等 为 原 料 ， 配制出了干容重 8 0 0 1 2 0 0 k m 抗压强度 4 0 8 0 MP a的超轻陶粒混凝土。 该种混凝土具有节能降 耗 并 与 环境 相 容 的性 能 ，为 一 种 低 碳 技 术 的 混 凝 土 。 ( 2 ) 制备的超轻混凝土导热 系数约为黏土砖 的 1 3 s - ， 用该 种 超 轻 混 凝 土 1 0 1 2 e m 可 以 达 到 3 7 e m 黏土砖墙 的热工效果 。作 为非 承重墙体 及层顶保 温 ， 这 种 超轻 混 凝土 可 以降低 建 筑 物 运行 过 程 中 的 内部 能耗 ， 创 造适 宜 的人居 条 件 。 ( 3 ) 本课 题 研 究 的超 轻 混凝 土 ， 还 具有 憎 水 、 防 水 的效 果 。产 品除 了可用 于 外墙 、 屋 顶外 ， 还 可用 于 卫生 间和厨 房 的 隔墙 ( 4 ) 本课题对超轻混凝 土的泵送施工 。 进行 了 多次的试验摸索。结果发现 。 对于采用聚苯泡沫塑 料粒代替部分天然砂配 制的超轻混凝 土 ，在泵送 时 ， 除了需要考虑混凝土拌合物与泵送管壁 的粘阻 力 以外 ， 还必须考虑 拌合物 中可压缩组分 ( 聚苯泡 沫塑料及气 泡) 由于瞬时压力过大 ， 会 使泡沫塑料 粒及气泡从管 内拌合物 中分离出去 ， 变成透气多孑 L 体 ， 压 力 骤 然下 降而 无 法泵 送 的情 况 。改 善 这 种混 凝 土 泵 送 性 能 的重 要 途 径 是 以天 然 砂 部 分 代 替 拌 合 物 中 的聚 苯 泡 沫塑 料粒 ， 此 时 混凝 土 的 湿容 重 在 1 3 5 0 k g m。 以 上 。 参考文献 ： 【 1 】 笠井芳夫编 轻 量 C o n c r e t e 柬京： 技钭 于 耆院， 2 0 0 2 【 2 】 R I L E M T e c h n i c a l C o m mi t t e e s 7 8 - MC A a n d 5 1 一 A L C ： A u t o c l a v e d Ae r a t e d Co n c r e t e E & F N S P 0N1 9 9 3 【 3 】 F e n g N a i q i a n N a t u r a l z e o l i t e c e r a m s i t e ( N C )a n d i t s c o n c r e t e t e s t i n g a n d q u a l i t y c o n t r o l i n c e me n t i n d u s t Vo 1 3 ， C h i e f E d i t o r D r S N Gh o s h ， Ne w D e l h i ， I n d i a ， 1 9 9 3 4 冯 乃谦 天然沸石 混凝土应 用技术 北京： 中 国铁道 出版 社 1 9 9 6 5 】 龚洛书 主编 混凝 土实用手册( 第二 版) 北京： 中国建筑工 业 出 版 社 1 9 9 4 6 周 士琼 主 编 土 木 工 程 材 料 北 京 ：中 国铁 道 出版 社 ， 2O O7 收稿 日期 ： 2 0 1 1 一 O 2 1 3 作者简介 ： 冯乃谦 ( 1 9 3 4 一 ) ， 男 ， 教授 。 通讯 地址 ： 清华大学土木工 程系 联系电话 ： 1 3 5 2 0 7 1 0 2 3 9 E- ma il ： f e n g n qma i l t s i n g h u a e d u c a 一 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m