陶粒轻集料微孔泡沫混凝土自保温砌块的研制与应用

  0前言

  在满足防火要求和与建筑同寿命要求的前提下，增大围护结构的热阻值，减少建筑物与环境的热交换，是实施建筑节能的最有效措施。建筑节能的重点就在于提高建筑物外围护结构的保温隔热性能。但在不同的气候条件下对建筑物外围护结构的保温隔热要求有较大差别。北方地区主要以保温为主，南方地区则以隔热为主，而对于夏热冬冷地区，夏季需要隔阻白天外围护结构受到太阳辐射被加热升温，向室内传递的热量，夜间还要使围护结构能快速散热。冬季则主要是隔阻外围护结构向室外传递热量。在南方，夏季制冷是建筑用能的主体，冬季采暖用能相对为辅。这一地区节能建筑围护结构设计重点除应满足夏季白天良好的隔热性（衰减值较大，延迟时间长）、夜间散热快之外，还要求冬季具有良好的保温性能。

  利用陶粒轻集料和微孔泡沫混凝土材料的良好热工性能和防火性能，制造陶粒轻集料微孔混凝土自保温墙体材料制品，增大围护结构的热阻值和热惰性指标，以减少建筑物与环境的热交换，是实施建筑节能的有效措施之一。同时，可实现建筑物墙体保温与围护结构一体化和同寿命。为此我们研制开发了性能优良的陶粒轻集料微孔泡沫混凝土自保温砌块（以下简称陶粒微孔泡沫混凝土砌块）。本文主要介绍该型砌块结构特点、材料组成、配合比、性能指标和生产工艺技术及其建筑保温围护一体化墙体的构造和作法。

  陶粒微孔泡沫混凝土砌块是采用超轻陶粒（陶粒堆积密度小于400kg/m³）和微孔泡沫混凝土（水、水泥、粉煤灰、专用水泥发泡剂、专用促凝增强剂）经混合搅拌制浆、浇注模具成型、脱模免切割或二次切割定型、自然养护或蒸汽养护而成的实心砌块制品。其创新点为陶粒微孔泡沫混凝土砌块采用整体浇注成型，其内外同质，均为陶粒轻集料微孔泡沫混凝土。在陶粒与陶粒之间，充满了具有细密气孔的水泥基微孔泡沫体。这些水泥基微孔泡沫体的密度与陶粒相当或比陶粒更低，因此，其砌块可实现超轻化，承重型砌块密度不大于1000kg/m³，非承重型砌块密度不大于600kg/m³。充分集成了两种材料的优良特性，具有轻质高强、防火抗渗、高效保温、耐久性好的特点，是一种集装饰、保温、承重（或非承重）功能为一体的新型节能墙体材料。

  1 陶粒微孔泡沫混凝土砌块结构特点及规格

  陶粒微孔泡沫混凝土砌块规格分主砌块和切割薄板块两种。主砌块主尺寸采用我国中型砌块的通用规格尺寸（长*宽*厚），有600*300*250；600*300*2000；600*240*120；600*240*250；600*190*200等规格；切割薄板块有300*250*40、50、60；600*300*70、80、90等规格。如产品结构如图1所示。

  图1 产品外观结构

  切割薄板块适用于框架梁柱、剪力墙等的模内置或贴砌等热桥部位的处理。主砌块用于自保温墙体砌筑，可采用保温砌筑砂浆砌筑以提高灰缝处热工性能，采用普通砌筑砂浆砌筑须用EPS灰缝压条。

  2 主要原材料及配合比

  2.1 原辅材料

  2.1.1胶凝材料

  陶粒微孔泡沫混凝土砌块采用浇注模制工艺，所制备的陶粒微孔泡沫混凝土浆料是一种的流态料自密实浆体，一般可采用普通硅酸盐水泥，但其硬化慢，不能满足浇注工艺的快速脱模要求。不采用蒸汽养护时，也可采用快硬硫铝酸盐水泥，以提高模具周转速度和微孔泡沫的稳定性及减低收缩性。水泥标号应不小于42.5级。同时该种水泥凝结快、早期强度高，有利微孔的稳定形成。故一般应选用快硬硫铝酸盐水泥。但由于该型水泥抗碳化能力较差，表面易起粉，一般要与普通硅酸盐水泥和矿渣粉复配成快硬型复合水泥使用。

  本试验采用自主研发的HF早强快硬复合水泥，已获国家发明专利（ZL200510096428.1）。其HF-32.5型水泥物理力学性能检测结果见表1，符合兰州海锋建材科技有限公司企标《早强快硬复合水泥》Q/HF01-2006标准指标要求。

  表1 HF-32.5早强快硬复合水泥性能检测结果

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  2.1.2陶粒轻集料

  可选用烧结、烧胀或免烧型粘土陶粒和粉煤灰陶粒。骨料为自然级配，并要求粒形好和级配合理。生产非承重自保温砌块时，陶粒堆积密度不大于600kg/m³；若生产承重砌块，陶粒堆积密度可不大于1200 kg/m³。对于承重型砌块，陶粒的筒压强度应不小于10MPa；非承重砌块，陶粒的筒压强度应不小于4MPa。吸水率应不大于20%。细轻集料应尽量采用陶砂或其他轻砂，以降低砌块密度。如无轻砂资源或生产承重砌块，可以采用河砂。

  本研制中粗轻集料采用天津武清轻型建材厂生产的烧胀粘土陶粒，见图2。物理性能依照《轻集料及其试验方法》（GB/T17431.1-1998）并参照《建筑用砂》（GB14684-2001）的有关规定进行试验测定。测定结果见表2。

  表2 陶粒粗骨料物理性能检测结果

  试验结果表明：圆形陶粒轻集料级配较好，筒压强度较高。

  本研制中细轻集料采用粒化高炉水渣轻集料，由酒钢集团榆中钢厂提供。

  表3 细骨料物理性能检测结果

  试验结果表明：粒化高炉水渣轻集料符合粗砂轻集料级配要求，10mm以上颗粒较少，筒压强度高。

  在实际生产中，我们采用烧胀粘土陶粒和钢厂粒化高炉水渣制备陶粒轻集料微孔混凝土均取得了良好的效果。

  图2  天津武清轩逸轻型建材厂生产的烧胀粘土陶粒

  2.1.3增强纤维

  纤维是一种重要的增强、增韧组分，主要用于提高混凝土材料的断裂韧性和抗裂防渗性能。在轻集料微孔混凝土中掺加一定数量的纤维，形成三维网络结构，不仅可以起到增强、增韧的作用，而且还可以有效防止轻集料的上浮，提高混凝土的稳定性。这是由于有机纤维非常细小，比表面积大，需要吸附大量水泥浆包裹，因而在胶凝材料用量、砂率不变的情况下，掺加纤维将使混凝土的粘度有所增加。因此掺加纤维能够有效控制轻集料的自由运动，从而减小混凝土的分层离析程度，改善混凝土的各项性能。

  选用8mm长无机矿物与聚丙烯短切复合纤维，经采用自行研制的高效分散剂处理后，具有很好的分散性，可均匀分散于混凝土中减小干缩，提高抗裂性。

  2.1.4高效减水剂和发泡剂

  陶粒轻集料微孔混凝土需采用高效减水剂和引气发泡剂。其中高效减水剂使用的主要目的是能够改善和易性，增加塌落度。水泥用量不变，强度也大致不变，高效减水剂可是塌落度增加10cm以上，从而获得塌落度为20±2cm的流态混凝土。而采用引气发泡剂是获得基体微孔泡沫结构的必需。引气发泡剂品种有蛋白类、植物皂素类、松香胶类、合成活性剂类，均可使用。从稳泡性、发泡倍数、泌水率三大技术性能及使用成本综合考虑，建议选用复合型高效发泡剂，其发泡倍数不小于30，可满足发泡技术要求，用量小。

  使用高起泡稳泡性的引气发泡剂和高效减水剂，是获得高性能陶粒轻集料微孔混凝土的关键。这就要求外加剂体系针对流态轻集料微孔混凝土特点，具备高效减水促流、抗裂减缩、起泡稳泡和增强水泥石与集料粘结力的性能。要协调解决陶粒轻集料微孔混凝土微孔形成、拌和物稳定性和流动性，工业化的生产工艺对陶粒轻集料微孔混凝土拌和物的流动性和稳定性都提出了非常高的要求，本研制中在使用市售FDN10高效减水剂的同时，采用自主研发出的陶粒轻集料微孔混凝土专用HFPM引气发泡剂。

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  2.1.5辅助矿物材料

  采用硅灰、粉煤灰、矿渣微粉可增强复合胶凝材料的安定性，从而提高轻集料微孔混凝土的耐久性。加入少量粉煤灰，可以提高砌块强度。粉煤灰最好采用一级灰或二级灰。如采用三级灰，可超细粉磨至比表面积不小于400m2/kg。

  2.1.6其他外加剂

  主要有发泡稳定剂、膨胀减缩剂、硅水泥促凝剂（禁用速凝剂）等。当采用低碱度硫铝酸盐水泥时，为克服其强度倒缩，应使用专用增强剂，以保证砌块的后期强度。

  脱模剂选用自制的HF-2型乳化油皂液，具有无毒味、高隔离和不污面性能，可使用于喷涂工艺。

  2.2 陶粒微孔泡沫混凝土砌块配合比及性能测试

  2.2.1配合比设计范围

  每立方米制品材料用量：

  水泥基胶凝材料                           400~500kg/m³；

  烧胀粘土陶粒                              150~250kg/m³；

  粒化高炉水渣集料                        50~100kg/m³；

  粉煤灰（一级干灰）                     水泥量20%~30%

  短纤维                                       0.5kg

  微孔泡沫气泡率                           40%~60%

  高效减水剂                                 水泥量1%

  水灰比0.6，控制料浆容重900~1000 kg/m³。

  2.2.2试验用配合比及主要性能指标测定

  表4

  3 生产工艺技术

  陶粒微孔泡沫混凝土砌块可采用先进的工艺技术以实现大规模工业化生产。由原材料处理、陶粒发泡混凝土料浆制备、成组模浇注成型、蒸汽养护、脱模切割、码垛包装养护等工艺组成。在生产中需重点解决陶粒上浮控制、干缩和体积稳定控制、抗渗性和浇注工作性等问题。

  在原材料处理工段必须进行陶粒预湿处理，使之达到一定的含水率，以增加其与其他物料的界面结合力，不预湿的陶粒不可使用。尽量通过复配使陶粒轻集料级配连续。使用部分膨胀珍珠岩和膨润土降低料浆密度并掺加纤维素增粘可有效减小陶粒上浮现象。

  应尽量采用蒸汽或干热养护，以避免浇注后由于水泥终凝时间长而造成塌模，同时提高砌块强度。试验表明初期采用蒸汽或干热养护时砌块强度较自然养护提高10%-30%。

  陶粒微孔泡沫混凝土砌块生产工艺流程见图3。

  图3 陶粒微孔泡沫混凝土砌块生产工艺流程

  4砌块主要性能测试及其建筑保温系统构造作法

  4.1主要性能指标的测试

  我们对以S2号试验配比生产的700级陶粒微孔泡沫混凝土砌块技术主要性能指标进行了测试。抗压强度超过3.5MPa；快速法测定干缩值小于0.5mm/m；干燥状态导热系数小于0.18w/mk.。燃烧性能测定：微孔水泥保温板属非燃烧体，依据《建筑材料及制品燃烧性能分级》GB8624-2006，测试评定为A1级。

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  4.2复合有机内芯的砌块耐火极限性能测试

  为验证复合有有机聚苯乙烯泡沫芯材的陶粒轻集料微孔泡沫混凝土复合砌块的耐火性能，2011年我们对山东嘉禾集团和甘肃张掖五色建材集团生产的流态轻集料微孔混凝土断热节能复合砌块进行了耐火极限试验送检，经四川都江堰国家防火建筑材料质量监督检测中心两次检测，均表明陶粒轻集料微孔混凝土具有卓越的隔热性能和防火性能。该项检测试验的做法步骤如下，试验过程见图4-1、图4-2、图4-3所示。

  （1）在钢制构件框内用待检测的流态轻集料微孔混凝土断热节能复合砌块，规格尺寸为600（长）*300（高）*200（厚），砌块结构为双层EPS板内芯。砌筑成3000*3000的墙体构件，两面用1：3水泥砂浆抹灰20mm，形成3000*3000*240（厚）的受火试件。养护14后，进行试验。

  （2）将耐火构件吊装到燃烧炉口固定就位。安装好炉内温度传感器，在构件炉外表面上按试验要求粘贴10点温度感应片，并连接中央控制室的测温系统。如图4-1所示。

  （3）启动试验控制系统进行试验，炉内喷柴油点火燃烧，系统自动记录显示炉内温度和构件表面温度曲线，观察试件出现的现象。

  图4-1 耐火构件的安装和温度感应片粘贴

  图4-2  耐火构件试验中

  图4-3 试验结束后构件受火面状况

  试验现象分析和结论如下：

  炉内点火燃烧后，由于流态轻集料微孔混凝土复合砌块的优良保温隔热性能，阻隔热传递，试件表面升温十分缓慢，在开始的1小时内，几乎无多少变化。试验过程中，在构件上方和钢框架结合部位，有水蒸气不断冒出。试件表面也有水迹点状渗出，如图4-2所示。说明受火面混凝土中含有的游离水和结晶水开始陆续释放，在炉内热压力下从缝隙排出。2小时后试件表面温升仍很缓慢，个别点温升明显，可能是砌筑灰缝处存在热桥导致温升的变化。如图4-4所示，试验中央控制系统电脑显示：耐火3小时27分钟时炉内平均温度1149.46℃，试件表面平均温度16.26℃。

  试验结束后，将耐火构件吊出，如图4-3所示，可以看到受火面流态轻集料微孔混凝土复合砌块部分水泥抹灰砂浆脱落，但复合砌块整体完好。用钢钎将其沿边开缝后才能破坏震出。从砸破的复合砌块结构看，靠受火面一侧的EPS泡沫板部分熔化挥发。靠背火面一侧的EPS泡沫板均尚未熔化。流态轻集料微孔混凝土基体仍保有较高强度，无粉化破裂现象。充分说明流态轻集料微孔混凝土基体材料具有极好的保温隔热和抗裂耐火性能。

  图4-4 耐火极限试验中央控制系统电脑温度显示屏

  国家防火建筑材料质量监督检测中心试验结果：200厚流态轻集料微孔混凝土复合砌块耐火极限210min。

  4.3 陶粒微孔泡沫混凝土砌块墙体热阻测定

  陶粒微孔泡沫混凝土砌块（试验用、粘土烧胀陶粒、高炉水渣与膨胀珍珠岩复配骨料）的砌体热阻测定如下：

  700级200厚砌块自保温墙体（单面粉刷25mm水泥砂浆，计内外表面换热阻0.15m².K/W）主断面总热阻1.633m².K/W，传热系数0.612w/m²k，可能满足国家寒冷地区65%建筑节能对9层以上建筑外墙围护结构传热系数≤0.70w/m²k的限制要求。

  4.4 陶粒微孔泡沫混凝土砌块自保温墙体系统构造作法

  陶粒微孔泡沫混凝土砌块适用于砌筑自保温墙体，其建筑保温墙体的构造和作法如图5所示。

  图5 框架结构体系建筑自保温墙体构造作法

  4.5 陶粒微孔泡沫混凝土砌块施工要点

  陶粒微孔泡沫混凝土砌块可锯切，砌块应上下错缝搭砌，一般搭接长度为200mm，个别部位不应小于100mm，并符合有关结构构造要求；砌筑前不宜浸水，应采用保温砌筑砂浆并尽量减小灰缝厚度以减小灰缝热桥提高墙体热工性。

  5 结语

  陶粒微孔泡沫混凝土砌块基体材料组成独特合理，充分发挥了轻集料混凝土和泡沫混凝土的优良特性，轻质高强，体积稳定，热工性能好，生产工艺成熟可靠，适于工业化规模生产，制品保温隔热，其建筑保温墙体系统耐火性好，耐久性可与建筑主体同寿命，是可满足国家第三步（65%）建筑节能目标要求的理想的耐火性保温墙材产品。