自保温污泥陶粒混凝土砌块及其性能研究.pdf

2 0 1 5年第 9期 (总 第 3 1 1 期 ) N u mb e r 9 in 2 0 1 5( T o t a l N o 3 1 1 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 混凝土制品 CONCRE TE P RODUCTS d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 5 0 9 0 3 6 自保温污泥陶粒混凝土砌块及其性 能研究 朱静， 杨鼎宜，洪亚强，高益， 胡东康， 周延， 杨旗 ( 扬州大学 建筑科学与工程学院，江苏 扬州 2 2 5 0 0 9 ) 摘要 ： 研制了一种新型自保温污泥陶粒混凝土砌块， 对其物理力学性能及热工性能进行了研究。 结果表明： 所研制的自保温污 泥陶粒混凝土砌块的块型设计及配合比设计合理 ， 各项性能指标均满足标准要求 ， 与普通混凝土空心砌块相比节能效果显著， 适 于夏热冬冷地区的新型墙体材料。 关键词 ：自保温砌块； 污泥陶粒 ； 物理力学性能 ； 热工性能 中图分类号 ： T U 5 2 8 2 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 5 ) 0 9 0 1 3 0 0 5 R e s e a r c h o n p e r f o r ma n c e of s e l f i n s u l a t i on s l u d g e c e r a m s i t e c o n c r e t e b l o c k ZHUJ i n g，YANG Di n g y i，HONG Ya q J a n g，GAO Yi， H UDo n gk a n g，ZHOU Ya h，Y ANG ( Co l l e g e o f Ar c h i t e c t u r a l S c i e n c e a n d E n g i n e e ri n g， Ya n g z h o u Un i v e r s i t y ， Ya n g z h o u 2 2 5 0 0 9 ， Ch i n a ) Abs t r ac t： A n e w t y p e o f t h e h e a t p r e s e r v a ti o n o f s l u dg e c e r a ms i c o n c r e t e b l o c k wa s d e ve l o p e d， the p h y s i c a l a n d me c ha n i c a l p r o p e r t i e s a n d the r mal p r o p e r t i e s we r e a na l y z e d I t i s p r ov e d tha t the b l o c k d e s i g n and mix p r o p o r t i o n d e s i g n o f s e l fi n s u l a tio n s l u d g e c e r a m s i t e c o n c r e b l o c k a r e r e a s o n a b l e， a l l k i n d s o f t a r g e t s are a l l t o s t a n dard r e q u i r e me n t s ， a n d ha s s i g n i fic ant i mp r o v e me n t s o n e n e r g y c o n s e rva ti o n c o mpare d wi t h the o r d i n a r y c on c r e t e b l o c k， wh i c h i s the n e w wa l l ma t e ria l s wi t h a d a p ti n g t o ho t s u mme r a n d wi n t e r a r e a s Key wor ds： s e l fi n s u l ati o n b l o c k； s l u d g e c e r a ms i t e； p h y s i c a l a nd me c hani c a l p r o p e r t i e s ； the rm a l p r o p e r t y 墙体在建筑物围护结构中所 占面积最大 ， 其外墙热损 失率也最大。 因此降低建筑能耗 的关键 因素是降低墙体 的 热损失率 ， 即提高墙体 的热工性能 。J 。目前 ， 我国建筑节 能墙体 体 系 主要 有 内保 温、 夹 芯保 温 及 外 保 温 三种 方 式 J 。 其中内保温墙体体系虽具有施工方便、 造价低等 优点 ， 但存在热应 力较大 、 热稳定性较差 、 易产生热桥 、 降 低建筑室内使用空间及导致墙面产生发 霉、 开裂 现象。 外 保温墙体体系具有 较好 的保温效果及不 占用室 内空 间等 特点 ， 但存在成本 较高、 施 工工艺较复杂及耐久 性较差等 缺点。 夹芯保温墙体体系对 施工条件、 季节及保温材料 的 要求不高、 有效保护 内墙与保温材料 ， 但易产生 “ 热桥 ” 现 象 ， 并在火灾时难 以控制 。 因此 ， 需大力发展新 型 自保 温墙体材 料 ， 降低建筑 围 护结构的传热系数， 从而达到节能效果。 自保温墙体体系 具有施工方便、 热工性能稳定、 质轻、 安全性好、 整体性及 耐久性好等优点 ， 具有较好 的经济效益 和社会 效益。 结合 目前现状 ， 论 文提 出一 种新型 自保温 污泥 陶粒混 凝土砌 块， 将污泥陶粒掺入普通混凝土中， 并掺加扬州地区现有 废弃物炉底渣 、 粉煤灰与水配制成混凝 土空心砌块。 在制 作中不仅消耗大量 的废弃物 ， 且不污染环 境 ， 具 有显著 的 环境效益 引。 本研究介 绍 了自保 温污泥 陶粒 混凝 土砌 块的设计及其性能指标的测试过程。 1 砌 块 的设 计 1 1 原材料 的选取 ( 1 ) 污泥陶粒 污泥陶粒是由“ 十二五 ” 课题组研制 ， 主要是以污泥为 原材料烧制成 的污泥 陶粒 ， 取代混 凝土 中的碎石或 卵石 ， 作为 自保温混凝土砌块的主要原材料 ， 是研制 自保温污泥 陶粒混凝土砌块的前提 。 应选用外型 、 级 配 良好 的污泥 陶粒 ， 有 利于降低 生产 砌块时所用用水量及包裹污泥陶粒的水泥浆 ， 达到降低混 凝土砌 块 上墙 后 的收 缩裂 缝。 陶 粒 最大 粒 径 不 宜超 过 9 5 m m 。 陶粒相关技术性能指标见表 1 。 表 1 陶粒的基本性能指标 ( 2 ) 水泥 试验采用 的水 泥是扬州绿杨水泥发 展有 限公 司生产 的 3 2 5级 复合 硅酸盐 水泥 ， 各 项性能符 合标 准要求 ， 见 表 2 。 收稿 日期： 2 0 1 4 1 2 2 4 基金项 目： “ 十二五” 国家科技支撑计划( 2 0 1 2 B A J 2 0 B 0 1 ) 资助； 水利部公益性行业科研专项( 2 0 1 2 0 1 0 0 5 ) ； 江苏省高校优秀中青年教师和校长境外 研修计划资助； 扬州市“ 绿扬金凤计划” 扬州大学人才专项 l 30 表 2水泥 的基 本性 能 初凝时间 终凝时间 安定性 3 d 抗压强3 d抗折细度 8 0 t x m rai n m i n m m 度 MP a 强度 MP a 2 3 0 2 7 0 0 5 1 8 5 46 2 2 ( 3 ) 炉底渣 试验所采用 的炉底渣是扬州某电厂的燃 烧炉渣 ， 作 为 细骨料使用 ， 各项技术指标见表 3 。 表 3炉底 渣技 术指标 细度模量 堆积密度 水分 S i O S O ， 烧失量 ， ( k g m ) ， ， 0石 9 6 1 5 7 28 16 507 0 7 1 5 ( 4 ) 粉煤灰 粉煤灰是 I I 级灰 ， 各项指标见表 4 。 表 4粉煤灰技术指标 平均粒径 比表面积 S i O 含水率 火山灰活性 m ( m g ) ， 9 6 ， 指数 0 21 21 6 91 3 1 2 9 5 ( 5 ) 砂 宜选用细度模数在 2 3 3 0的 中砂 ， 应严格控制砂含 泥量。 由于泥为非活性物质 ， 可降低集料 和水泥浆问 的黏 结力 ， 从而抑制集料 的收缩作用 。 ( 6 ) 水 单 排 L ( a ) 普通 自来水。 i 2块 型 设 计 ( 1 ) 砌块孔型设计 空心砌块一般有 圆形 、 菱形 、 矩 形及正方形 四种孔型 结构 。 不 同砌块 的孔型对其传热系数的影响不 同， 王沁芳 等 对同孔洞率 的单 排孔空心砌块 进行研究得 知 ： 矩形 孔 的平均传热系数最小为 0 2 0 7 W ( i n K) ， 菱形次之为 0 3 0 6 w ( m K)， 圆形最大为 0 4 2 5 w ( m K) 。由此得 出， 孔洞越长保 温性能越好 ， 这是 由于矩形孔 中空气会形 成长路对流 ， 降低温差的传热量 ， 提高砌块的保温性能。 砌 块热阻与空气间层厚度相关 ， G B 5 0 1 7 6 - 1 9 9 3 民用建筑 热工设计规范 中砌块空气层厚度达到 2 0 m m后 ， 其层热 阻增量随其增大而逐渐变小 ， 尤其是达到 4 0 mm后 ， 其热 阻趋于一个常量。 所以， 当总空气层厚度一定时 ， 增加空气 问层厚度 ， 其总热阻会 降低 ， 作用不 大。 因此 ， 对相 同厚度 的砌块 ， 采取增加孔洞排数 的方式 ， 可 以明显提 高砌块热 阻值 。 砌块 的热阻值不仅与砌块的孔洞形状有关 ， 还与其 孔洞 的排列数及 排列方 式有关 。 选取混凝 土导热 系数为 1 2 8 W ( ff l K) ， 相 同孔 洞 率 的外 形 尺 寸为 3 9 0 m m x 2 4 0 m m x1 1 5 m m 的 l 6 排孔的空心砌块 ( 见图 1 ) ， 其热 阻值见表 5 。 由表 5得知 ， 相 同孑 L 洞 率条件下 多排 孔混凝 土砌块平均传热系数的大小与垂直于热流方 向的孔 洞列 双排 孔 ( b ) 五 a B e L ( e ) 图 1 不 同孔排 数 的砌块 尺寸 ( 单位 ： mm) 表 5不同子 L 洞排数的空心砌块平均热阻值 ( I l l 。 K) W 三排孔 ( c ) 六排 L ( f ) 数相关 ， 即孔洞排数增加越多 ， 其 热阻值就越大 ， 保温效果 显著 ， 单排孔 、 双排孔 、 三排孔 的热阻值增 大较 明显 ， 而 四 排 孔、 五排 孔 、 六a b e L 每增 加一 排孔 数其 热阻值 增 大在 3 0 左右 ， 所 以， 孑 L 洞排数对砌块热阻值影 响较大 ， 在满 足 砌块 的工艺及力学性能等条件下， 要求尽可能的增加孔洞 排列数 ， 有利于提高混凝土砌块 的保温性能 。 如果在多排 孔砌块中采用横向水平连接的孔壁交错排列 ， 以加长 多排 孔砌块热传导途径 ， 则 相当于增大多排孔砌块 的厚度 ， 从 1 3l 引 + 引 - _ 十 十 立 而使砌块 的热阻值得到提高 ， 达到节能的效果。 ( 2 ) 块型尺寸的确定 砌块块型应满足 国家相关标准 、 规 范要求。 由于砌 块 在砌筑时严 禁砍凿 ， 则 砌块块 型尺寸 须符 合建 筑模数 要 求 ， 且不宜过大， 便于生产 、 运输及砌筑。 此外 ， 还应满足墙 体的功能要求。 规范 规定 ， 砌块用于非承重墙体的最 小 肋厚及外壁厚不得低于 2 0 mn l 。 综合考虑上述要求 ， 确定 自保温污泥 陶粒混凝土砌块 的块型是矩形 、 六排孔 ， 空气间层厚度是 2 0 I L I- T I 、 孔洞交错 排列 、 最小肋壁厚为 1 6 1 I l i1 1 、 最厚外壁厚是 2 0 mm， 见 图2 。 =二=二二 l l l 1 。 号 二二二二= 图 2自保 温污 泥陶粒 混凝 土砌 块块 型的 平面 图 ( 单位 ： mm) 1 3砌 块 的 配 合 比设 计 “ 十二五” 课题组研制 的陶粒混凝土 ， 是通过正交试验 设计 ， 测试不同因素下混凝土强度 的变化趋势情况 ， 为制 备 自保温陶粒混凝土砌块提供合适 的配合 比参考。 试验参考 轻骨料混凝土技术规程 的相关规定来配 制混凝 土 ， 最 终 确 定 的 陶 粒 混 凝 土 的 配 合 比 为： 水 泥 3 5 0 k g m ，陶 粒 3 8 0 k g m ，炉 底 渣 4 8 0 k g m ，砂 1 3 5 k g m ， 粉煤灰 1 3 5 k g m ， 净用水 量 1 7 5 k g m 。 浇 筑 成型的混凝土试件放人标 准养护 室 内， 养护 2 8 d后对 其 进行测试 得 出： 干表 观密 度是 1 2 8 6 k g m ， 抗压 强度 是 l 3 4 MP a 。 根据计算式 ( 1 ) 计算 得出 ， 陶粒混凝 土空心 砌 块达到 MU 7 0 ， 符合砌块 的设计要求。 K R L = 0 9 5 7 7 1 1 2 9 K ( 1 ) 式 中： 尺 砌块的 2 8 d抗压强度 ， MP a ； 混凝土的 2 8 d抗压强度 ， MP a ； 砌块的空心率 。 2 自保温污泥陶粒混凝土砌块的物理 力学性 能研 究 试验按 照 G B 1 5 2 2 9 -2 0 1 1 轻集料混凝土小 型空心 砌块 及 G B T 4 1 1 1 1 9 9 7 混凝 土小 型空心砌块试 验 方法 刮 所提供的试验方法 ， 对砌块的物理力学性能进行 测试 。 2 1砌块 的抗压 强度 在试验加载过程 中， 5个 试件均 表现 为： 在 试验荷 载 加载约至 3 0 k N 时开 始 出现 裂 缝 ； 在达 到极 限荷 载 的 2 0 4 5 时 ， 裂缝开展较 明显 ， 同时伴有 明显响声 ， 会 出现 小段停滞期后 ， 有一段 较均匀的变化期 ； 荷载 达到极 限 时 ， 裂缝会 急剧发展 ， 导致砌块 突然压溃 ， 属于脆性破 坏。 1 3 2 抗压强度试 验结果见表 6 。 表 6 砌块的抗压强度试验结果 由表 6得知 ， 5块 自保温污泥陶粒混凝 土砌块 的抗压 强度平均值为 5 1 0 MP a ， 最小值为 4 4 8 MP a ， 满足强度等 级 MU 5 0的要求 。 同时试验结果表明， 研制的砌块混凝土 配合 比设计合理 。 2 2 砌 块的 密度 、 含 水率 、 吸水 率、 软 化 系数 、 碳 化 系数 、 冻融循 环 2 2 1 试验方法 ( 1 ) 软化 系数 选取 1 0块砌块 ， 任取 5块浸入 1 5 2 5的水 中 ， 水面 高于试件至少 2 0 m i r l 以上 ， 浸泡 4 d后取 出 ， 在铁丝 网架 上滴水 1 mi n后 ， 用拧干 的湿布擦 去表面 的水渍 。 将 5个 饱和面干的陶粒混凝 土空心砌块和另一组 5个 气干状态 下的空心砌块进行 抗压强 度试验 。 砌块 的软化 系数按式 ( 2 ) 计算 ： K, - Pf ( 2 ) 式中 ： 砌块 的软化系数 ； P 饱和面干试件 的平均抗压强度 ， MP a ； P 气干状态试件 的平均抗压强度 ， MP a 。 ( 2 ) 碳化系数 随机抽取 1 2 块砌块 ， 任取 7 个碳化( 其中两块 为测碳 化情况 ) 试件放人碳化箱 内， 试件间距不得小于2 0 mm。 将 C O ： 气体通入碳 化箱 内， 并 控制碳 化箱 内的 C O 浓度在 ( 2 0 3 ) ， 在碳 化过程 中， 如箱 内湿度太大 ， 应采 取排湿 措施。 碳化 7 d后 ， 每天将一个试件的局部劈开 ， 用1 的酚 酞乙醇溶液检查其碳 化深度 ， 当砌块 中心不显 红色时 ， 则 认为箱 中所有试件全部碳化 ， 将 已全部碳化的 5个砌块和 5个对比砌块 进行抗 压强度 试验 。 砌块 的碳 化系 数按式 ( 3 ) 计算 ： 尺 ( 3 ) 式中 ： 砌块 的碳化 系数 ； 5 个碳化后试件的平均抗压强度 ， MP a ； R - 5 个对 比试件的平均抗压强度 MP a 。 ( 3 ) 冻融循环 通过测定空心砌块在经过 2 5次冻融循环后的质量损 失率 、 抗压强度损失率 ， 记录试件的外观破坏情况 ， 从 而确 定 自保温污泥陶粒混凝土空心砌块的抗冻性能。 试验采用 C L D型全 自动低 温冻融试 验机 ， 随机抽取 1 0个试块分两组进行抗冻试验 ， 分别检查试块外表 面 ， 在 缺陷处涂上油漆 ， 静置待干。 将一组 5 个冻融砌块浸入1 0 - 2 0水池 中， 低于水面 2 0 m m， 间距 不得低 于 2 0 mm， 另 一 组做对比试验。 浸泡 4 d后取 出， 置于支架上 1 mi n后 ， 用拧干湿布拭去试块 内、 外表面水渍 ， 立 即称取试块 饱和 面干状态的质量 。 将冻融试块放入 一1 5低温 冰箱 中， 当 温度再次 降到 一1 5时开始计 时。 冷冻 4 h后将试 块取 出， 置于 1 0 2 0水池 中融化 2 h 。 冻 融试验后按式 ( 4 ) 、 ( 5 ) 计算强度损失率和质量损失率 。 ： 1 0 0 ( 4 ) ( 4 ) 式 中： 砌块 的抗压强度损失率 ， ； 5 个未冻融砌块 的平均抗压强度 ， MP a ； R 5 个冻融砌块 的平均抗压强度 ， MP a 。 ， 挖， 一 ， ， z 0 0 式 中： 试件的质量损失率 ， ； m 试件冻融前的质量 ， k g ； ：试件冻融后 的质量 ， 。 2 2 2 试验结果 根据 轻集料混凝 土小型空心砌块 可知 ， 将块体密度 分为 5 0 0 、 6 0 0 、 7 0 0 、 8 0 0 、 9 0 0 、 1 0 0 0 、 1 2 0 0 、 1 4 0 0八个等级 ， 由表 7得知 ， 陶粒混凝土空心砌块在绝干状态下 的块体密 度为 9 3 7 k g m ， 达到 1 0 0 0密度等级。 表7砌块密度试验结果 由表 8 可知， 吸水率、 含水率均满足规范要求， 陶粒表 ( 5 ) 面有 一 层较致密的外壳且有大量的开 口孔 ， 当陶粒浸入水 中后 ， 这些开 口孔便开始 吸收水分 ， 使 得陶粒混凝土 砌块 具有较好的吸水性。 表 8 含水率、 吸水率试验结果 由表 9可知 ， 陶粒混凝土空心砌块的软化 系数满 足规 烧制而成 ， 在内部形成大量封闭的气孔， 陶粒制品浸水前后 范要求不小于0 8 。 由于砌块中掺有污泥陶粒， 是经过高温 的强度变化很小， 从而使得陶粒混凝土的软化系数提高。 表 9 砌块的软化试验结果 由表 1 0得知 ， 砌块满足碳化系数不小于 0 8的规 范要 求 。 污泥陶粒 的制备 是经过高温烧制而成 ， 含碳 有机物绝 大多数高温分解使得碳化系数高 ， 从而使得 陶粒混凝土砌 块 的碳化系数较好 。 由表 1 1 得知 ， 满足强度损 失在 2 5 以下 ， 质量损失在 5 以下 的规范要求 。 由于陶粒是微孔结构 ， 在混合料 中具 分 ， 形成“ 微泵” 作用 ， 增加集料表面附近水泥石的密实性 ； 陶粒经 过高 温烧结 后 ， 具 有一 定 的活性 ， 与水 泥石 中的 C a ( O H) 反应 ， 这些均造成 陶粒混凝土砌块界面黏结 区域 的致密性 ， 能够 阻断在 冰冻 中水 泥石 可能形 成 的渗 透通 道 ， 阻止水 的冻胀作用 ； 同时 ， 陶粒 的多孔性使得试件在冻 融循环过程 中其结构 内的冰晶压力得 以缓解 ， 因此 陶粒混 有 吸水作用 ， 而在 硬化 过程 中又能排 除一 部分 吸 收的水 凝土砌块具有 良好 的抗冻性能。 表 1 O 砌块的碳化试验结果 1 3 3