核壳型免烧轻骨料的制备与性能研究

  建筑工业化是我国绿色建筑发展的主要途径与必然选择。顺应建筑工业化的发展，考虑产品的运输、安装、吊装等因素，集轻质、保温、吸音等为一体的高比强轻质材料或混凝土必将成为建筑工业化的必然选择^[1]。实现高比强轻质混凝土的技术手段主要是引入气泡和采用轻骨料两种途径，引入气泡的方式发展出加气混凝土和泡沫混凝土，这类材料强度偏低，收缩大，易开裂，但价格较低。近几年轻骨料以轻质、保温、节能的优异性能得到推广，在新型墙材中开始占主导地位，已成为我国发展最快的新型建筑材料之一。

  我国在轻骨料的研究起步稍晚，始自20世纪60年代，以粘土陶粒、页岩陶粒和粉煤灰陶粒为主。传统生产工艺以粘土、页岩等为原料，采用回转窑的高温烧结技术，能耗大，生产环境差、工艺落后、产量较低。根据国家节约能源政策，为减少对粘土、页岩等自然资源的使用，原料多样化，以垃圾、污泥等废弃物为原料的产品有所发展，主要仍为烧结工艺，此后节能免烧轻骨料制备技术的研究得到发展。如孙盛祥^[2]研制出粒径为5~20mm免烧轻骨料，自然养护，堆积密度为650~800kg/m³，28d筒压强度可达6MPa。庞兰辉^[3]等研制出70%粉煤灰掺量免烧轻骨料，容重为600~900kg/m³，其筒压强度为3~10 MPa。冯乃谦^[4]利用泡沫塑料为芯材研制出自然含水状态下表观密度780kg/m³，筒压强度3.7~4.0MPa，吸水率19%的免烧粉煤灰轻骨料。马彦涛^[5]研制了粉煤灰掺量在80%以上，表观密度840~910kg/m³，筒压强度4.5~6.0MPa，吸水率17%～22%的免烧粉煤灰轻骨料。

  研制较高掺量粉煤灰制品时，多采用粉煤灰-石灰/水泥/碱(盐) -铝硅酸盐体系。本研究采用粉煤灰-水泥-石灰体系制备核壳型免烧轻骨料，采用单颗承载力和硬度表征免烧轻骨料的性能，研究石灰掺量、水泥掺量和成熟度模数对免烧轻骨料性能的影响，同时研究核壳免烧轻骨料的耐高温性能。

  1试验原材料与试验方法

  试验采用PII52.5水泥；Ⅰ级粉煤灰；石灰，有效CaO含量为60%；界面粘结剂。

  单颗承载力测试采用数显式推拉力计，选择一定加载速度匀速向下压骨料，直至破碎，记录峰值即可。硬度采用邵氏D硬度计，在试样相距至少6mm的不同位置测量硬度值5~10次，取平均值。筒压强度依据标准GB/T 17431.2-2010轻集料及其试验方法 第2部分：轻集料试验方法进行测试。

  2免烧轻集料的制备

  免烧轻集料制备，采用核壳结构，采用憎水粒径在4～6mm废弃EPS颗粒作为内核，经过界面处理后，分散均匀后待用。把各种粉料按比例充分混合，将混合均匀的粉料和经过预处理的内核一起放入成球机成球，新生料球置于空气中自然养护一段时间后，采用不同的方式进行养护，得到成品。所得产品粒形好，接近圆形，颗粒大小均匀，如图1所示。

  图1 免烧轻骨料

  3试验结果与讨论

  3.1 石灰掺量对免烧轻骨料性能的影响

  在粉煤灰-水泥体系中，加入水泥一方面是利用水泥本身的胶结能力，另一方面水泥水化产生的Ca(OH)₂是粉煤灰活性激发剂，而水泥水化产生的Ca(OH)₂量是有限的，因此需增加Ca(OH)₂含量以激发粉煤灰的活性。为确保免烧轻骨料的强度，粉料中水泥用量控制在50%，粉煤灰和石灰总量控制在50%。成型后早期80℃蒸养15h后采用保湿养护，试验结果如表1所示。

  表1  Ca(OH)2掺量对轻骨料性能的影响

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  可以看出，各组轻骨料的堆积密度控制在650kg/m³左右，1h吸水率均偏高，在26.7%~29.5%，高于人造轻骨料应小于20%的规定。粒径4.75~9.5mm样品的筒压强度显着高于粒径9.5~16mm的样品。

  石灰掺量的变化，对轻骨料性能影响较小，石灰掺量从5%~20%，随着石灰掺量的提高，筒压强度先升高后降低，但总体变化幅度不超过10%。其中石灰最佳掺量为15%，有效CaO含量为9.0%；水泥熟料完全水化生成的Ca(OH)₂约占总重量的25%，考虑水泥中5%的掺合料和5%的助磨剂，适当考虑未完全反应，水泥提供的有效CaO约占总量的7.5%，合计有效CaO含量约占粉煤灰质量的37%。研究表明，粉煤灰砖中粉煤灰约占总量的40%~50%，有效CaO掺量宜为总量的10%~14%^[6]，约占粉煤灰质量的20%~35%，最佳石灰掺量与之相近。为避免CaO过量带来的体积膨胀，石灰掺量可取10%。

  3.2水泥掺量对免烧轻骨料性能的影响

  固定石灰用量占粉煤灰和石灰总量的15%，改变水泥与粉煤灰和石灰总量的比例，即改变水泥掺量，制备轻骨料，测得其性能如表2所示。

  表4.2  不同水泥掺量下免烧轻骨料试验结果

  可以看出，水泥与粉煤灰和石灰的比例对免烧轻骨料性能的影响较大。在球形较好的状态下，与粒径9.5~16mm的轻骨料相比，粒径4.75~9.5mm的堆积密度高20~30kg/m³，孔隙率约低2%，而筒压强度高1.3MPa~2MPa。随着粉煤灰掺量的提高，堆积密度降低，筒压强度也大幅度降低。结合经济性和比强考虑，满足高强轻骨料的要求，可优出CF23组配合比，即水泥掺量40%。

  3.3 筒压强度与单颗承载力、硬度的相关性研究

  通常采用筒压强度来表征轻骨料的性能，但筒压强度实验量较大，因此研究提出采用单颗承载力，拟结合硬度来表征轻骨料的力学性能。显然单颗承载力与壳层厚度有关，因此测试了不同Ca(OH)₂掺量下不同厚度轻骨料单颗承载力随龄期的发展规律，并每组测试了20~30颗骨料单颗承载力与硬度值，且硬度值的测试每颗至少测试3次，取其平均值。并与市场烧结陶粒测试结果进行对比。

表3不同厚度轻骨料的单颗承载力

  由于在成球过程中，外壳层厚度会存在不均匀性，同一颗骨料，不同位置硬度存在差异，硬度数据离散性较大。由表3可以看出，各组在28d的硬度在85~90之间，接近硬度的极限值100，而此时对应的单颗承载力，在同厚度如2.5mm，3.5mm下，单颗承载力分别为167N~352N、275N~586N，几乎相差一倍；筒压强度在3.81~6.98MPa，几乎也相差一倍，因此硬度与单颗承载力和筒压强度的相关性不大。

  在不同厚度下，轻骨料的单颗承载力与筒压强度均具有良好的相关性，且能更准确的反映材料的力学性能。由于采用了蒸养制度，力学性能的发展较快。在Ca5~Ca20四组轻骨料中，其3d的承载力达到28d的73%~89%，而7d在此基础上增加4%~10%，达77%~94%。最佳掺量组Ca15在早中期，承载力的发展速度最慢，这是因为石灰的最佳掺量，是针对长龄期而言，早中期大量的Ca(OH)₂未能充分反应，而掺量更高时，虽然过量，但也加速了粉煤灰的反应。

  由于水泥含量对免烧轻骨料性能的影响较大，因此力学性能的发展速度的差异也较大，3d承载力在28d的60%~90%之间，而7d达到28d的70%~96%。

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  市场烧结陶粒单颗承载力均匀性较差，分散性大，而自制免烧轻骨料分散性小；相同外壳层厚度、硬度条件下，免烧轻骨料单颗承载力远大于烧结陶粒，是烧结陶粒的6.5~7.9倍；4.75~9.5 mm粒径下，免烧轻骨料筒压强度是陶粒的1.49~2.05倍，可见免烧轻骨料与烧结陶粒相比，承载力存在明显优势。

  3.4 养护温度对免烧轻骨料性能的影响

  对上述Ca15的配合比制样成球，在空气中自然养护一段时间后放入蒸养箱中，分别在40℃、60℃、80℃中养护不同时间后取出，放于标养室中养护7d和28d，以单颗承载力来研究相同的模数下，对骨料力学性能的发展规律，如图2所示。可以看出，成熟度模数对早期力学性能影响较大，随着成熟度模数的增加，7d承载力几乎成线性增加，而到28d后，不同成熟度模数下，承载力相差不大，都在460N~500N之间，80℃略高3%～6%。

  图2  成熟度模数对单颗承载力的影响

  3.5耐高温性能

  制备的核壳型免烧轻骨料在炉内加热至预定试验温度，并恒温30min，然后用特制夹具将骨料取出，温度调整约20~30min后可进行试验，测定质量失重率、高温抗压强度，观察从室温加热到1000℃时的物理状态变化。测得常温下平均单颗承载力为496N，在不同温度下，混凝土的颜色及表面损伤等状况见下表4和图3。

  表4 免烧轻骨料的耐高温性能

  图3  高温下骨料的表面特征

  可以看出，轻骨料从常温加热至200℃时，因内部自由水蒸发，失重较快，但强度会相应提高，表面不发生变化，内部少部分泡沫缺失；在200~400℃时，化学结合水脱出，失重缓慢增大，强度不下降，颜色由灰色变至灰褐色，内部泡沫变成薄薄一层黏在颗粒内壳上；温度超过400℃后，水泥水化的Ca(OH)₂成分分解脱水；600℃时，强度降到了初始强度的64.9%，此后强度劣化速度显着加快。则失重更大。600~1000℃时，颜色均变成土黄色且基本不再发生改变，700~800℃，CaCO₃的受热分解，800℃后骨料表层出现细小裂缝，当温度升至1000℃后，裂缝有相应发展。

  4结论

  （1）球形度较好的轻骨料，与粒径9.5~16mm相比，粒径4.75~9.5mm的堆积密度高20~30kg/m³，孔隙率约低2%，而筒压强度高1.3MPa~2MPa。

  （2）变化石灰掺量对轻骨料力学性能影响较小，而变化水泥掺量对轻骨料力学性能影响较大。随着石灰含量的提高，筒压强度先升高后降低，优选出合理的石灰掺量15%；随着水泥掺量的降低，堆积密度降低，筒压强度也大幅度降低，优选出水泥掺量为40%。优化出的配方堆积密度在(630~690) kg/m³，筒压强度在4.4~6.1MPa。

  （3）硬度与单颗承载力和筒压强度的相关性不大，单颗承载力与筒压强度均具有良好的相关性。免烧型骨料与烧结陶粒相比，承载力存在明显优势。

  （4）成熟度模数对早期力学性能影响较大，随着成熟度模数的增加，7d承载力几乎成线性增加，而到28d后，不同成熟度模数下，承载力相差不大。

  （5）制备的免烧轻骨料具有良好的耐高温性能，400℃时强度不下降，600℃时能保持完整，单颗承载力降低约35%。

  参考文献：

  [1] 庄剑英，王洁军，牛凯征，新型建筑工业化趋势下墙材行业发展路径[J]，墙材革新与建筑节能,2015(10)：14-17。

  [2] 孙盛祥，华豫震，章茂木等.非煅烧粉煤灰轻骨料及其制作方法，中国，CN86106928[P]。1986，10，09。

  [3] 庞兰辉，张树国，翟国英.无烧结粉煤灰陶粒的研制及应用[J]。电力情报，1998(4)：68-69。

  [4] 冯乃谦，免烧粉煤灰陶粒及其砌块的研制[J]。粉煤灰，2000(3)：10-13。

  [5] 马彦涛，粉煤灰双免建筑陶粒的研制[J]。粉煤灰综合利用，2005(3)：53。

  [6] 李庆繁，高性能蒸压粉煤灰砖生产工艺综述，砖瓦世界。2010(2)：34-45。