陶粒輕集料微孔泡沫混凝土自保溫砌塊的研制與應(yīng)用
0前言
在滿(mǎn)足防火要求和與建筑同壽命要求的前提下，增大圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱阻值，減少建筑物與環(huán)境的熱交換，是實(shí)施建筑節(jié)能的最有效措施。建筑節(jié)能的重點(diǎn)就在于提高建筑物外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能。但在不同的氣候條件下對(duì)建筑物外圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(duì)于夏熱冬冷地區(qū)，夏季需要隔阻白天外圍護(hù)結(jié)構(gòu)受到太陽(yáng)輻射被加熱升溫，向室內(nèi)傳遞的熱量，夜間還要使圍護(hù)結(jié)構(gòu)能快速散熱。冬季則主要是隔阻外圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(duì)為輔。這一地區(qū)節(jié)能建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重點(diǎn)除應(yīng)滿(mǎn)足夏季白天良好的隔熱性（衰減值較大，延遲時(shí)間長(zhǎng)）、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(hù)結(jié)構(gòu)的熱阻值和熱惰性指標(biāo)，以減少建筑物與環(huán)境的熱交換，是實(shí)施建筑節(jié)能的有效措施之一。同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)建筑物墻體保溫與圍護(hù)結(jié)構(gòu)一體化和同壽命。為此我們研制開(kāi)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(jiǎn)稱(chēng)陶粒微孔泡沫混凝土砌塊）。本文主要介紹該型砌塊結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、材料組成、配合比、性能指標(biāo)和生產(chǎn)工藝技術(shù)及其建筑保溫圍護(hù)一體化墻體的構(gòu)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(zhuān)用水泥發(fā)泡劑、專(zhuān)用促凝增強(qiáng)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(hù)或蒸汽養(yǎng)護(hù)而成的實(shí)心砌塊制品。其創(chuàng)新點(diǎn)為陶粒微孔泡沫混凝土砌塊采用整體澆注成型，其內(nèi)外同質(zhì)，均為陶粒輕集料微孔泡沫混凝土。在陶粒與陶粒之間，充滿(mǎn)了具有細(xì)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(dāng)或比陶粒更低，因此，其砌塊可實(shí)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(zhì)高強(qiáng)、防火抗?jié)B、高效保溫、耐久性好的特點(diǎn)，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(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(guó)中型砌塊的通用規(guī)格尺寸（長(zhǎng)*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(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 產(chǎn)品外觀(guān)結(jié)構(gòu)
切割薄板塊適用于框架梁柱、剪力墻等的模內(nèi)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(shí)漿體，一般可采用普通硅酸鹽水泥，但其硬化慢，不能滿(mǎn)足澆注工藝的快速脫模要求。不采用蒸汽養(yǎng)護(hù)時(shí)，也可采用快硬硫鋁酸鹽水泥，以提高模具周轉(zhuǎn)速度和微孔泡沫的穩(wěn)定性及減低收縮性。水泥標(biāo)號(hào)應(yīng)不小于42.5級(jí)。同時(shí)該種水泥凝結(jié)快、早期強(qiáng)度高，有利微孔的穩(wěn)定形成。故一般應(yīng)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(fù)配成快硬型復(fù)合水泥使用。
本試驗(yàn)采用自主研發(fā)的HF早強(qiáng)快硬復(fù)合水泥，已獲國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利（ZL200510096428.1）。其HF-32.5型水泥物理力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1，符合蘭州海鋒建材科技有限公司企標(biāo)《早強(qiáng)快硬復(fù)合水泥》Q(chēng)/HF01-2006標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)要求。
表1 HF-32.5早強(qiáng)快硬復(fù)合水泥性能檢測(cè)結(jié)果
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2.1.2陶粒輕集料
可選用燒結(jié)、燒脹或免燒型粘土陶粒和粉煤灰陶粒。骨料為自然級(jí)配，并要求粒形好和級(jí)配合理。生產(chǎn)非承重自保溫砌塊時(shí)，陶粒堆積密度不大于600kg/m3；若生產(chǎn)承重砌塊，陶粒堆積密度可不大于1200 kg/m3。對(duì)于承重型砌塊，陶粒的筒壓強(qiáng)度應(yīng)不小于10MPa；非承重砌塊，陶粒的筒壓強(qiáng)度應(yīng)不小于4MPa。吸水率應(yīng)不大于20%。細(xì)輕集料應(yīng)盡量采用陶砂或其他輕砂，以降低砌塊密度。如無(wú)輕砂資源或生產(chǎn)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(chǎng)生產(chǎn)的燒脹粘土陶粒，見(jiàn)圖2。物理性能依照《輕集料及其試驗(yàn)方法》（GB/T17431.1-1998）并參照《建筑用砂》（GB14684-2001）的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定。測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2。
表2 陶粒粗骨料物理性能檢測(cè)結(jié)果
試驗(yàn)結(jié)果表明：圓形陶粒輕集料級(jí)配較好，筒壓強(qiáng)度較高。
本研制中細(xì)輕集料采用粒化高爐水渣輕集料，由酒鋼集團(tuán)榆中鋼廠(chǎng)提供。
表3 細(xì)骨料物理性能檢測(cè)結(jié)果
試驗(yàn)結(jié)果表明：?；郀t水渣輕集料符合粗砂輕集料級(jí)配要求，10mm以上顆粒較少，筒壓強(qiáng)度高。
在實(shí)際生產(chǎn)中，我們采用燒脹粘土陶粒和鋼廠(chǎng)?；郀t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(chǎng)生產(chǎn)的燒脹粘土陶粒
2.1.3增強(qiáng)纖維
纖維是一種重要的增強(qiáng)、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(luò)結(jié)構(gòu)，不僅可以起到增強(qiáng)、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(jī)纖維非常細(xì)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(yùn)動(dòng)，從而減小混凝土的分層離析程度，改善混凝土的各項(xiàng)性能。
選用8mm長(zhǎng)無(wú)機(jī)礦物與聚丙烯短切復(fù)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(qiáng)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(jié)構(gòu)的必需。引氣發(fā)泡劑品種有蛋白類(lèi)、植物皂素類(lèi)、松香膠類(lèi)、合成活性劑類(lèi)，均可使用。從穩(wěn)泡性、發(fā)泡倍數(shù)、泌水率三大技術(shù)性能及使用成本綜合考慮，建議選用復(fù)合型高效發(fā)泡劑，其發(fā)泡倍數(shù)不小于30，可滿(mǎn)足發(fā)泡技術(shù)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(guān)鍵。這就要求外加劑體系針對(duì)流態(tài)輕集料微孔混凝土特點(diǎn)，具備高效減水促流、抗裂減縮、起泡穩(wěn)泡和增強(qiáng)水泥石與集料粘結(jié)力的性能。要協(xié)調(diào)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(dòng)性，工業(yè)化的生產(chǎn)工藝對(duì)陶粒輕集料微孔混凝土拌和物的流動(dòng)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(shí)，采用自主研發(fā)出的陶粒輕集料微孔混凝土專(zhuān)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(qiáng)復(fù)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(qiáng)度。粉煤灰最好采用一級(jí)灰或二級(jí)灰。如采用三級(jí)灰，可超細(xì)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(dāng)采用低堿度硫鋁酸鹽水泥時(shí)，為克服其強(qiáng)度倒縮，應(yīng)使用專(zhuān)用增強(qiáng)劑，以保證砌塊的后期強(qiáng)度。
脫模劑選用自制的HF-2型乳化油皂液，具有無(wú)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(cè)試
2.2.1配合比設(shè)計(jì)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；
粒化高爐水渣集料 50~100kg/m3；
粉煤灰（一級(jí)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(yàn)用配合比及主要性能指標(biāo)測(cè)定
表4
3 生產(chǎn)工藝技術(shù)
陶粒微孔泡沫混凝土砌塊可采用先進(jìn)的工藝技術(shù)以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。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(hù)、脫模切割、碼垛包裝養(yǎng)護(hù)等工藝組成。在生產(chǎn)中需重點(diǎn)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(wèn)題。
在原材料處理工段必須進(jìn)行陶粒預(yù)濕處理，使之達(dá)到一定的含水率，以增加其與其他物料的界面結(jié)合力，不預(yù)濕的陶粒不可使用。盡量通過(guò)復(fù)配使陶粒輕集料級(jí)配連續(xù)。使用部分膨脹珍珠巖和膨潤(rùn)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(yīng)盡量采用蒸汽或干熱養(yǎng)護(hù)，以避免澆注后由于水泥終凝時(shí)間長(zhǎng)而造成塌模，同時(shí)提高砌塊強(qiáng)度。試驗(yàn)表明初期采用蒸汽或干熱養(yǎng)護(hù)時(shí)砌塊強(qiáng)度較自然養(yǎng)護(hù)提高10%-30%。
陶粒微孔泡沫混凝土砌塊生產(chǎn)工藝流程見(jiàn)圖3。
圖3 陶粒微孔泡沫混凝土砌塊生產(chǎn)工藝流程
4砌塊主要性能測(cè)試及其建筑保溫系統(tǒng)構(gòu)造作法
4.1主要性能指標(biāo)的測(cè)試
我們對(duì)以S2號(hào)試驗(yàn)配比生產(chǎn)的700級(jí)陶粒微孔泡沫混凝土砌塊技術(shù)主要性能指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試?？箟簭?qiáng)度超過(guò)3.5MPa；快速法測(cè)定干縮值小于0.5mm/m；干燥狀態(tài)導(dǎo)熱系數(shù)小于0.18w/mk.。燃燒性能測(cè)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(jí)》GB8624-2006，測(cè)試評(píng)定為A1級(jí)。
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4.2復(fù)合有機(jī)內(nèi)芯的砌塊耐火極限性能測(cè)試
為驗(yàn)證復(fù)合有有機(jī)聚苯乙烯泡沫芯材的陶粒輕集料微孔泡沫混凝土復(fù)合砌塊的耐火性能，2011年我們對(duì)山東嘉禾集團(tuán)和甘肅張掖五色建材集團(tuán)生產(chǎn)的流態(tài)輕集料微孔混凝土斷熱節(jié)能復(fù)合砌塊進(jìn)行了耐火極限試驗(yàn)送檢，經(jīng)四川都江堰國(guó)家防火建筑材料質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心兩次檢測(cè)，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(xiàng)檢測(cè)試驗(yàn)的做法步驟如下，試驗(yàn)過(guò)程見(jiàn)圖4-1、圖4-2、圖4-3所示。
（1）在鋼制構(gòu)件框內(nèi)用待檢測(cè)的流態(tài)輕集料微孔混凝土斷熱節(jié)能復(fù)合砌塊，規(guī)格尺寸為600（長(zhǎng)）*300（高）*200（厚），砌塊結(jié)構(gòu)為雙層EPS板內(nèi)芯。砌筑成3000*3000的墻體構(gòu)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(hù)14后，進(jìn)行試驗(yàn)。
（2）將耐火構(gòu)件吊裝到燃燒爐口固定就位。安裝好爐內(nèi)溫度傳感器，在構(gòu)件爐外表面上按試驗(yàn)要求粘貼10點(diǎn)溫度感應(yīng)片，并連接中央控制室的測(cè)溫系統(tǒng)。如圖4-1所示。
（3）啟動(dòng)試驗(yàn)控制系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，爐內(nèi)噴柴油點(diǎn)火燃燒，系統(tǒng)自動(dòng)記錄顯示爐內(nèi)溫度和構(gòu)件表面溫度曲線(xiàn)，觀(guān)察試件出現(xiàn)的現(xiàn)象。
圖4-1 耐火構(gòu)件的安裝和溫度感應(yīng)片粘貼
圖4-2 耐火構(gòu)件試驗(yàn)中
圖4-3 試驗(yàn)結(jié)束后構(gòu)件受火面狀況
試驗(yàn)現(xiàn)象分析和結(jié)論如下：
爐內(nèi)點(diǎn)火燃燒后，由于流態(tài)輕集料微孔混凝土復(fù)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(kāi)始的1小時(shí)內(nèi)，幾乎無(wú)多少變化。試驗(yàn)過(guò)程中，在構(gòu)件上方和鋼框架結(jié)合部位，有水蒸氣不斷冒出。試件表面也有水跡點(diǎn)狀滲出，如圖4-2所示。說(shuō)明受火面混凝土中含有的游離水和結(jié)晶水開(kāi)始陸續(xù)釋放，在爐內(nèi)熱壓力下從縫隙排出。2小時(shí)后試件表面溫升仍很緩慢，個(gè)別點(diǎn)溫升明顯，可能是砌筑灰縫處存在熱橋?qū)е聹厣淖兓?。如圖4-4所示，試驗(yàn)中央控制系統(tǒng)電腦顯示：耐火3小時(shí)27分鐘時(shí)爐內(nèi)平均溫度1149.46℃，試件表面平均溫度16.26℃。
試驗(yàn)結(jié)束后，將耐火構(gòu)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(fù)合砌塊部分水泥抹灰砂漿脫落，但復(fù)合砌塊整體完好。用鋼釬將其沿邊開(kāi)縫后才能破壞震出。從砸破的復(fù)合砌塊結(jié)構(gòu)看，靠受火面一側(cè)的EPS泡沫板部分熔化揮發(fā)?？勘郴鹈嬉粋?cè)的EPS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(qiáng)度，無(wú)粉化破裂現(xiàn)象。充分說(shuō)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(yàn)中央控制系統(tǒng)電腦溫度顯示屏
國(guó)家防火建筑材料質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心試驗(yàn)結(jié)果：200厚流態(tài)輕集料微孔混凝土復(fù)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(cè)定
陶粒微孔泡沫混凝土砌塊（試驗(yàn)用、粘土燒脹陶粒、高爐水渣與膨脹珍珠巖復(fù)配骨料）的砌體熱阻測(cè)定如下：
700級(jí)200厚砌塊自保溫墻體（單面粉刷25mm水泥砂漿，計(jì)內(nèi)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(mǎn)足國(guó)家寒冷地區(qū)65%建筑節(jié)能對(duì)9層以上建筑外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(gòu)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(gòu)造和作法如圖5所示。
圖5 框架結(jié)構(gòu)體系建筑自保溫墻體構(gòu)造作法
4.5 陶粒微孔泡沫混凝土砌塊施工要點(diǎn)
陶粒微孔泡沫混凝土砌塊可鋸切，砌塊應(yīng)上下錯(cuò)縫搭砌，一般搭接長(zhǎng)度為200mm，個(gè)別部位不應(yīng)小于100mm，并符合有關(guān)結(jié)構(gòu)構(gòu)造要求；砌筑前不宜浸水，應(yīng)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(jié)語(yǔ)
陶粒微孔泡沫混凝土砌塊基體材料組成獨(dú)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(zhì)高強(qiáng)，體積穩(wěn)定，熱工性能好，生產(chǎn)工藝成熟可靠，適于工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)，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(mǎn)足國(guó)家第三步（65%）建筑節(jié)能目標(biāo)要求的理想的耐火性保溫墻材產(chǎn)品。
編輯：陳宗勤
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