（材料学专业论文）加气混凝土性能及优化的试验研究.pdf

西安建筑科技大学硕士学位论文 加气混凝土性能及优化的试验研究 专业：榭 硕士生：王秀芬 指导教师：尚建丽教授 摘要 随着环境保护与可持续发展越来越成为当今建筑业的热点问题，加气混凝土作为种轻质 墙体材料再一次受到人们的关注。集高强、保温隔热、质轻、可加工性强等优点为一体的加气 混凝土，使得建筑过程更为有效、节能、环保。然而，由于加气混凝土本身特有的多孔结构和 吸水特性，在应用中与自身的特性相对应的各种弊病越来越多地表现出来，比较普遍的质量问 题如：强度与密度等级不匹配、变形开裂、保温性下降等，严重影响了建筑物的感观质量和使 用功能，不利于建筑墙体材料的进一步发展。本文针对这情况，对加气混凝土的性能进行了 全面系统的试验研究，并在l h ，基础e 对其在应用过程中存在的弊病提出解决方案，从而有效地 促进了加气混凝土这种墙体材料进一步推广应用。 首先通过对加气混凝土的孔结构、孔隙率和含水率对抗压强度的影响分析，对其抗压强度 进行了不同含水率下的试验研究，并对加气混凝土的劈裂抗拉强度、单轴受力状态下的应力一 应变关系、静力弹性模量、干燥收缩特性进行系统试验研究，通过回归分析得到了加气混凝土 的各项力学性能与含水率之间的函数关系，并在此基础上确定了加气混凝土砌块的安全干缩量 及砌筑安全含水率，同时首次建立了加气混凝土与砂浆约束收缩力学模型；结合试验分析提出 了目前国标中存在的问题，并给出改进建议，对加气混凝土性能的改善和提高具有一定的指导 意义。 其次对加气混凝土的主要热工性能指标进行测试研究，进而对其保温性能渤亍评价：首次 对加气混凝土材料进行了吸湿性质的试验研究，得出加气混凝土在不同相对湿度环境下的平衡 含湿率；并对加气混凝土的表面吸放湿过程进行研究，结果表明加气混凝土具有良好的自调湿 功能。 最后针对蒸压加气混凝土在实际应用中存在的强度偏低、收缩开裂等问题，采用体积噌水 处理法，在加气混凝土料浆中掺加外加剂来改善加气混凝土的性能，以便于加气混凝土的进一 步推广应用。 关键词：加气混凝土，力学性能，热湿性能，改性 课题来源：国家自然科学基金节能居住建筑室内湿环境调节控制技术研究( 5 0 4 0 8 0 1 3 ) i 西安建筑科技大学硕士学位论文 e x p e r i m e n t a ls t u d yo n t h ep r o p e r t ya n d o p t i m i z a t i o n o f a u t o c l a v e da e r a t e dc o n c r e t e s p e c i a u t y ：s c i e n c eo f m a t e r i a l n a m e ：w a n gx i u f e n i n s t r u c t o r ：p r o f e s s o rs h a n gj i a n l i a b s i r a ：i 。 w i t he n v i r o n m e n t a lc o m p a t i b i l i t ya n ds u s t a i n a b i l i t yb e c o m i n gi n c r e a s i n g l yi m p o r t a n ti s s u e si n t h ec o r n m c f i o ni n d u s t r y , a e r a t e dc o n c r e t ca sak i n do fl i g h t w e i g h tw a l lm a t e r i a lr e c e i v e da t t e n t i o n a g a i n , i t su n i q u ec o m b i n a t i o no fs l i p o rm e n g l h , l i g h t w e i g h t , h e a ti n s u l a t i n ga n dp r o c e s s a b i l i t y m a k e st h ec o n s t r u c t i o np r o c e s sm u c hm o r ee f i c i e n t , e n e r g ys a v i n ga n de n v i r o n m e n tp m t e a i n g , s o a e r a t e dc o n c r e t ei sw i d e l yu s e di nm u l t i - s t o r ya n dh i g h - r i s i n gb u i l d i n g s h o w e v e r , d u et oa a c su n i q u e c e l ls l r u c t t a - ea n da b s o r b i n gw a t e r p r o p e r t y , m a n yq u a l i t yp r o b l e m sh a v ee m e r g e d , s u c ha s ：u n m a t c h i n g o fm e n g l ha n ds u e n g c l lg r a d e ，d e f o r m a t i o n , c r a c k i n ga n dd e c l i n i n gi nh e a tp r e s e r v a t i o ne t e t h e s e p r o b l e m ss e r i o u s l y a f f e c tt h ev i s u a l i m p r e s s i o na n du 埘z a t i o na n dm a k ea g a i n s tt h e f u r t h e r d e v e l o p m e n t o f w a l l m a t e r i a l s a i m i n g a t t h i sc i r c u m s t a n c e ，t h i s p a p e r h a s m a d e a c o m p l e t e l ys y s t e n f i c s t u d y o n t h e p r o p e r t y o f a a c a n d p u t f o r w a r d s o l u t i o n s f k s t l y , t h i sp a p e ra n a l y s e dt h ei n f l u e n c eo fp o r es l u c t o r e , p o r o s i t ya n dw a t e rc o n t e n to n c o m p r e s s i v es 呦g 山，s t u d i e so nc o m p r e s s i v es u e n g l l lo fd i f f e r e n tw a t e rc o n t e n t , t e n s i l e 蚰期1 啦 r e l a t i o n s h i po fs t e s s - s l r a i n , s t a t i cn l o d u h l so fe l a s t i c i t y , d r y i n gs h l i 1 1 k a g ea n dr e l a t i o n a le x p r e s s i o n so f w a t e rc o n t e n ta n de a c h m e c h a n i cp r o p e r t yh a v eb e e no b t a i n e db yr e g r e s s i o nc a l c u l a t i o n , o nt h i sb a s i s , t h es a f eq u a n t i t yo f d r y i n gs h r i n k a g ea n ds a f ew a t e rc o n t e n tf o rc o n s t r u c t i o nh a v ea l s ob e e nc a l c u l a t e d a tt h es a m et i m e , t h em e c h a i l i cm o d e lo f r e s t r i c t i v es h r i n k a g eb e t w e e nc o n c r e t ea n dm o r t a rh a sb e e n e s t a b l i s h e d a t t h e f i r s t t i m e c o m b i n i n g e x p e r i m e n t a l a n a l y s i s ，p a p e r b r i n g f o r w a r ds o m e d o u b t s o i l c h i n e s es t a n d a r da n dh a sg i v e ni m p r o v e m e n ts u g g e s t i o r ra l lt h e s eh a v ec e r t a i ni n s t r u c t i v es i g n i f i c a n c e f o r 也e i m p r o v e m e n t o f a a c s p e r f o r n l a n c e s e c o n d l y , t h i sp a p e rt e s t e do nt h em a i nt h e r m a li n d e xo f a a ca n de v a l u a t e di t sh e a tp r e s e r v a t i o n p r o p e r t y d i f f e r e n te q u i l i b r i u mm o i s t u r ec o n t e n tu n d e rd i f f e r e n tr e l a t i v eh u m i d i t yh a sb e e ng o tt h r o u g h s c u d y i n go i lt h em o i s t u r ea b s o r p t i o np r o p e r t y t h i sp a p e ra l s os t u d i e d t h ep r o c e s so fm o i s t u r e a b s o r p t i o n a n d d i s c h a r g e o f a a cs u r f a c e , t h e r e s u l t ss h o w e d t h a t a a c h a s a v e l y g o o ds e 倬- a d j u s t m e n t t t 西安建筑科技大学硕士学位论文 f u n c t i o no f m o i s t u r e f i n a l l y ，e x p e r i m e n th a sb e e nn l a d eb yu s i n ga d d i t i v ei na a cs l u r r yt oi m p r o v et h ep r o p e r t yo f a a c ，s oa st op o p u l a r i z et h ea a c k e y w o r d s ：a e r a t e dc o n c r e t e , m e c h a n i cp r o p e r t y , t h e r m a la n dh u m i dp r o p e r t y , i m p r o v e m e n t i i i 声明 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他 人在其它单位已申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同 志对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：五两掺 关于论文使用授权的说明 日期：功。占； 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 f 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 做作者躲三赫新签名敝蕊嗍沙 注：请将此页附在论文首页。 西安建筑科技大学硕士学位论文 l 绪论 1 1 课题背景 进入2 1 世纪，就进入了经济、社会、技术快速发展的新时代，这个时代也是保护生态环境 的时代。1 9 9 2 年，联合国环境和发展大会提出“可持续发展”战略，这是人类在面临能源短缺、 生态破坏、环境恶化等危机情况下，重新审视人与自然的关系，提出的环境价值观和生存发展 删”。 能源危机是现今人类面临的重大问题之一，节能已被作为第五能源受到人类的高度重视。 中国是个发展中国家，能源生产的增长速强渐于国内生产总值的增长黻，因j 比节能已成 为我国的既定国策，其中建翁：节能在节篚：工作中占有十分重要的地位，建筑节能是贯彻可持续 发展战略的重要组成部分，是执行国家节约能源、保护环境基本国策的重要组成部分，是世界 建筑发展的大趋势，是改善人民群众居住环境的需要。建筑节能包含两部分内容：部分是建 筑材料的革新，加强围护结构的恶保温隔热能力；另部分是采暖节能。其中建筑材料革新承 担7 0 的任务量，采暖节能承担3 洲壬务量，由此可见，节能工作对墙体材料的发展提出了新 的要求。 墙制才料是量大、面广的主要建材产品，与土地、资源能源、生态环境及居住状况有密切 的关系。目前我国墙体材料构成中传统的粘土砖仍然占有一定份量，但粘土砖的生产会消耗大 量的土地资源和煤炭资源，造成严重的环境破坏和污染，据资料回介绍，每生产1 亿块标准粘 土砖要毁田1 0 0 1 5 0 亩，耗褊隹；煤约1 万吨，按2 0 0 0 年粘土砖产量8 0 0 0 亿块计算，年要毁 田1 0 0 万亩，耗煤8 0 0 0 万吨。针对生产与使用粘土砖存在毁田取土、高能耗与严重污染等问题 我国在此方面逐步加大了改革力度。建设部建住房 1 9 9 9 1 2 9 5 号文以及国家墙体材料革新办公室 墙办发 2 0 0 0 0 6 号文中均已明确提出相关城市限时禁止使用实心粘土砖的目标。可见，在我国 大力推进墙体材料革新，从根本上改变传统墙体材料大量占用耕地、消耗能源、污染环境的状 况，大力开发和推广应用新型墙黼j 料以逐步取代粘土砖，形成可持续发展相适应的新兴产业 是保护土地资源、节约能源、资源综合利用、改善环境的重要措施，也是可持续发展战略的重 要内容。 蒸压加气混凝图式我国己使用并仍在大力发展的一种轻质多功能环保型建筑材料，具有质 轻、保温、隔热、吸声隔音、抗震防火、施工简便等优点，是一种节土、利废、节能的新型墙 体材料。据科学试验测定，粘土砖的耗煤量为9 1 k g m 3 ，加气混凝土的耗煤量为5 6k g ，m 3 ，如 果能利用电厂废气进行养护，实际耗煤量为2 2 5k g m 3 ，仅为粘土砖的1 4 - - 1 2 3 1 ，由此可见， 加气混凝土与粘土砖相比，在节能方面有明显优势，同时我国生产的加气混凝土以粉煤灰为主 西安建筑科技大学硕士学位论文 要原料，粉煤灰是一种工业废料，但它同时又是种资源：随着电力工业的发展，我国每年粉 煤灰排放量达1 亿吨，而利用率仅不足3 0 ，其余的全部排入山谷灰场、海边灰场以及向江河 排放，仅此一项我国历年来堆放的粉煤灰达7 0 多亿吨，占地约1 0 0 多万亩，而且每年以5 0 0 万吨的数量递增【4 】，这对于拥有1 3 亿人口、1 6 亿亩耕地的我国无疑是一个沉重的负担，用粉煤 灰为n ： - i 生产加气混凝土按年产2 0 万立方米加气混凝土计算每年大约自跻蜩粉煤灰8 万吨 这样既可以变废为宝，更有效地保护了耕地，保护了环境印。更值得一提的是，废弃的加气混 凝土砌块经改性后可作为晶种加入掺有水泥的加气混凝土中生产新的制品，并用以改善加气混 凝土的性能，这在国内外均得到证实口6 1 , 这样使得加气混凝土在制造过程中最低限度地消耗物 质与能源，使废弃物的产生和回收处理最小，产生的废弃物能被处理、回收和再生利用，并且 这1 过程不产生污染，所有这些使得加气混凝土完全具备新兴生态建材所具有的三大特性，即 先进性、环境协调性和舒适性的要求c 7 】。同时根据有关资料嘲显示，采用砌块和粘= l = w l l t l 较， 可减轻结构重量3 5 ，降低地震荷载2 绣菇。，增加使用面积3 ，刚氐工程造价竹a 左右，并 改善了热工性能和隔声效果，具有十分明显的效益。另外，加气混凝土是集结构和绝热为一身 的多功能材料，根据目前的国家节能标准，唯有使用加气混凝土才能做到单一材料达标( 节能 5 0 0 6 的要求) ，而其它任何材料要做到节能5 0 ，必须进行复合处理，如承重多孔砖、混凝土小 型奎d 砌块、钢筋混凝土觋浇墙体等等，都必须与聚苯乙烯等保温材料复合才能解决绝热和节 能问题，而复合墙体施工复杂、工期长、造价高。由此可见，加气混凝土已成为替代实心粘土 砖的主导产品，加气混凝土砌块建筑将是未来主要的建筑体系之一。 但是，像任何种新建筑样，加气混凝土砌块也有它“成长中的烦商”，与其他先进国家 如：波兰、德国、日本相t e ，我国对加气混凝土的研制开发及应用相对较晚，在技术方面有一 定差距，对加气混凝土磅快本身缺乏深入细致的研究，相应的施工工艺和质量控制措施还不够 完善，在应用中与加气混凝土砌块自身的特性相对应的各种弊病越来越多地表现出来，比较普 遍的问题如：空鼓、开裂、脱落、渗漏等质量问题，严重影响了建筑物的感观质量和使用功能 很不适应我国建筑业的发展。因此，研究加气混凝土的性能特点，对由此带来的一系列弊病， 并妥善加以解决，成为这种新型墙体材料进一步推广应用中亟待解决的问题，本课题正是在此 背景下确立的。 1 2 国内夕h 发展、硼贫? 状况 加气混凝土制品发展到现在已有几十年的历史早在1 9 2 9 年瑞典就开始用_ r t k 4 t 生产加气 混凝土制品，第二次世界大战前，全世界加气混凝土的总产量不超过1 0 0 万立方米，生产国家 主要集中在北欧三国( 瑞典、挪威、芬兰) ；第二次世界大战后，西欧、东欧、前苏联、日本等 西安建筑科技大学硕士学位论文 国相继引进加气混凝土生产技术，加气混凝士工业获得了很犬的发展，至今已有5 0 多个国家和 地区在生产和应用加气混凝土制品，年产量约4 5 0 0 - 5 0 0 0 万立方米，分布范围包括寒带、温带、 热带地区，其制品主要应用于墙体、屋面方面。 以发展趋势来看，加气混凝土在国外的发展很不平衡，由于北欧国家住房日趋饱和，且受 轻质陶粒t 昆凝土( l e c a ) 的竞争，颇有衰落之势，因此近年来加气混凝土工业发展缓陧，甚至 出现衰# 蓦现象，而亚洲东部、东南部、非洲则正在发展加气混凝土工业，1 9 9 0 年后韩国先后兴 建了8 个工厂，香港兴建了1 个工厂，印尼、泰国、非洲南部国家都正在建设加气混凝土工厂 从产品品种来看，日本引进专利技术后，基本上以生产板材为主，并开发了板材的后加工设备 在板材的表面加工花纹、图案，在这方面日本目前居世界领先地位，其他国家引进专利技术后 在生产工艺上实行多层次改进，在波兰生产技术已进 第三代，产品也多样化，既有混凝土砌 块也有板材。从工艺技术来看，从开始工业化生产，加气混凝土工业得到了很大的发展，不仅 在瑞典形成了“伊通( y t o n g ) ”和“西波列克斯( s i p o r e x ) ”两大专利及相应的一批工厂，而 且在其他许多国家也相继引进生产技术或开发研究自己的生产技术，特别是一些气候寒冷的国 家如挪威、荷兰、波兰、丹麦等国家，研究成功自己的生产技术，形成了新的专利。如德国的 海波尔( h e b e l ) 、荷兰的求劳克斯( d u r o x ) 、波兰的乌尼波尔( u n i p 0 1 ) 和丹麦的司梯玛( s t e r n a ) 其中，德国已成为加气混凝土的技术中心，伊i 匿技术已在2 3 个国家建立了4 4 条生产线，生产 规模达1 1 8 4 万l 诨；威翰技术己在世界各国建立了2 6 条生产线；求劳克斯技术已在6 个国 家建立了1 0 条生产线，生产能力为3 5 5 3 万m 3 庳：海波尔技术在2 2 个国家建立了5 1 条生产 线，生产能力约8 5 0 万m 3 g ； 由于加气混凝土在国外的研制和应用较早，技术己趋于成熟，在这些发达国家，加气混凝 土制品在墙体材料的产量中所占比例为1 5 4 0 ，无论在原材料的选择制备、配合比设计、 坯体养护、坯体切割，还是对成品性能的研究及施工工艺、质量措施等方面都形成了自己的专 利技术，并进步扩大发展。他们在6 0 、7 0 年代就对加气混凝土的性能进行了深入系统的研究 并编撰成书，于1 9 8 3 年由e l s e v i e rs c i e n c ep u b l i s h e r 出版社予以出版。对于加气混凝土这种多孔 材料，含水率对其性能有非常重要的影响，在这本书中系统研究了含水率与加气混凝土强度、 导熟性能、抗化学侵蚀陛、防火性、抗冻性、收缩及徐变等性能，同时对加气混凝土砌体的性 能也进行了一定的研究，如长期荷载作用下砌体的挠度、砌体弯曲、抗剪性能设计标准等，所 有这些研究成果都为加气混凝土的应用奠定了良好的基础。源于加气混凝土的多孔性，干缩湿 涨是其一大特性，对于力1 1 气混凝土干缩性能的研究是控制砌体裂缝产生的有效途径之一，早在 1 9 7 7 年，波兰的h a l i n a z i e m b i c k a 对多孔混凝土的微孔结构与其收缩性能的关系进行了研究凹 在此基础上，希腊的a g e o r g i a d e s 和j m a r i n o s 于1 9 9 1 年对加气混凝土的微孔结构与收缩之间 西安建筑科技大学硕士学位论文 的关系进行了系统研究，并建立了它们之间的函数关系式1 10 】；目前，对加气混凝土研究较多的 国家主要是日本、印度、美国等国家，他们的重点主要是对加气混凝土的断裂陛能和抗震性能 的研究，与此同时对加气混凝土的改性研究也是f 电 门的重点之一，如：日本生产加气混凝土原 料的细度已达3 0 0 0 目，但目前要在我国应用还不现实，日本的建材专家曾预测物料的超细化再 配合一定数量的外加剂、纤维等，未来加气混凝土的强度可获得大幅度提甜“】；美国的科研工 作者也利用纤维对加气混凝土进行了改性研究并取得良好的技术效果：同时日本的西波列克斯 公司通过利用体积憎水处理法在加气混凝土配料中掺入硅油，大大提高了产品的性能。 我国于1 9 6 5 年引进了瑞典西波列克斯技术，在北京建成了第一家加气混凝土生产线，1 9 7 6 年以后，由于墙改的需要，加气混凝土工业在全国发展迅速，到1 9 9 5 年全国已有1 3 3 个企业生 产加气混凝土制品，生产能力达到6 7 0 万击j 年，其中灰砂自气混凝土生产线5 6 条，生产能力 为2 1 6 6 万m - 年，粉煤灰加气混凝土生产线7 7 条，生产能力达4 5 3 5 多万n 1 3 年。我国加气混 凝土工业近二十年来得到了迅速发展，到目前为止，加气混凝土工厂遍及全国2 9 个省、直辖市。 我国五十年代后期就开始对加气混凝土进行了研究尤其是1 9 6 5 年引进瑞典西波列克斯技 术专利技术以后，对加气混凝土的研究更为深入、广泛。但是从瑞典引进的西波列克斯技术是 采用水泥、矿渣、砂为原料，要用大量的水泥和矿渣，不适合我国国情。我国是个燃煤大国， 尤其随着电力工业的迅速发展，每年粉煤灰 j 尉 量达i 亿吨，为了使这些粉曝灰变废为宝，在 我国采用石灰粉煤灰( 掺部分水泥) 的原材料路线是较为合适的。因此，根据我国的具体 情况，从早期开始，我国对加气混凝土的研究主要集中在水泥石灰粉煤灰加气混凝土的研 究上1 1 2 1 。 原材料的改变，使莸们不能照搬i n # i - 的生产技术，因此在早期主要是对加气混凝土的配方、 浇注稳定性及水化生成物等进行了系统的研究，同时由清华大学建工系、东北建筑设计院、北 京市建筑设计院、北京市建材科研所和北京加气混凝土厂组成的研究小组对加气混凝土的性能 和应用也进行了一系列的研究，其中包括自i 1 气混凝土的生产工艺和基本材性、加气混凝土砌块、 屋面板和内外墙板在建筑工程中的施工技术、节点构造及建筑设计与结构计算【1 3 1 。尽管如此， 由于在我国加气混凝士厂的生产率和工人的劳动生产率基本上还很低，生产方式、工艺装备和 生产水平，原材料处理、制各和配料浇注部分还处于比较落后的状况；特别是预养后坯体切割 的机械化、自动化程度还不高，因此产品质量和综合指标与国际先进水平仍有很大的差距。 近些年来，随着加气混凝土在应用中弊病的不断出现，相关的资料和文章相继发表，总起 来说解决问题的办法主要集中在以下两点：一是在构造措施和施工工艺方面改进，一是研铕仂口 气混凝土专用砌筑和抹面砂浆，但是通过对加气混凝土本身材性的研究和改性来解决问题的研 究却相对较! j 。例如：为了控制砌体裂缝的出现，在加气混凝土材l 生方面只是依据标准规定控 西安建筑科技大学硕士学位论文 制其收缩值，但是收缩值的大小不能作为衡量材料抗裂性好坏的唯一指标。因为，从力学观点 说，材料是否开裂要看其所受的主拉力值是否大于其抗拉强度，因此，对于加气混凝土这种多 孔材料，环境的温湿度、弹性模量、收缩值大小及抗拉强度几个因素相互综合作用决定着其收 缩开裂与否。因此，研究含水率对加气混凝土制品弹性模量、抗拉强度等力学性能并在此基础 上确定制品的安全干缩量就显得尤为重要。同时，砌体的开裂还取决于加气混凝土砌块与砌筑 砂浆之间的粘结性能，由于加气混凝土与砂浆之间材性差异较大，二者之间的粘结性能更为复 杂l 园此只有在通过对加气混凝土材性深入研究的基础上才能更好的研究二者之间的粘结性能 本文正是基于对加气混凝土砌块材性研究的基础上，通过试验确定加气混凝土的安全干燥收缩 量及安全砌筑含水率，同时建立加气混凝土与砂浆之间的约束收缩力学模型，从而有效地防止 加气混凝土砌体裂缝的出现，也方便了施工。 另外，加气混凝土作为功能材料，具有很好的保温隔热性能，因此对其热物理性能的研究 具有很重要的意义，国内学者也开展了大量的研刭“珏4 田，但是由于加气混凝土的多孔性，它 亦容易吸湿，吸湿后对其热物理性能有很大的影响，而目前对加气混凝土湿性能的研究却很少 在本文中，对加气混凝土的等温吸湿性、表面吸放湿性能进行了系统的试验研究，这对于优化 建筑围护结构的热工性能，改善室内热湿环境有重要意义和作用。 1 3 本课题研究的主要内容 本课题主要是基于加气混凝土本身的材性对其性能进行优化 式验研究共分为三个部分： 1 、蒸压加气混凝土力学性能的试验研究。本章主要通过试验研究加气混凝土的孔结构、孔 隙率和含水率对其抗压强度的影响，同时为了解决加气混凝土砌体开裂的通病问题，对加气混 凝土的劈裂抗拉强度、单轴受力状态下的应力应变关系、静力弹性模量、干燥收缩特性进行 了试验研究，并在此基础上确定了加气混凝土砌块的安全干缩量及砌筑安全含水率，同时建立 了加气混凝土与砂浆约束收缩力学模型； 2 、蒸压加气混凝土热湿i i i i i i i i i i i 。本章主要是对自气混凝土的主要热工性能指标进 行测试研究进而对其保温性能进行评价，同时通过试验对其等温吸湿性质和表面吸放湿过程进 行研究： 3 、蒸压加气混凝土改性研究。本章主要是针对蒸压加气混凝土在实际直用中存在的强度 侧氐、收缩开裂等问题，采用体积噌水处理法，在加气混凝土料浆中掺加外加剂来改善加气混 凝土的性能。以便于加气混凝土的进一步推广应用。 西安建筑科技大学硕士学位论文 i ；i ；i ；i i ；i ；i i i i ；i i = ； ； 2 加气混凝土力学性能的试验研究 z 1 榜e 述 加气混凝土是一种具有多孔结构的人造材料，具有结构和功能的双重属性。作为功能材料 要求它具有一定的保温、隔热及吸放湿功能，同时作为结构材料要求它具有一定的力学性能， 用以承受一定的荷载或抵抗各种作用力。 强度是加气混凝土最重要的力学性质，因为强度与加气混凝土的其他性能之间存在着密切 的联系。般来讲，加气混凝土的强度愈高其他性能如抗冻性、抵抗收缩变形的能力愈高，因 此通常用强度来评定和控制加气混凝土的质量。作为人工合成的多孔材料，加气混凝土的强度 受多种因素的影响，如原材料、配合比、生产工艺、孔结构及含湿状态等，所以研究各种因素 对加气混凝土强度的影响对于加气混凝土的生产和应用具有非常重要的意义。 对于加气混凝土砌体结构，不仅要求具有一定的强度来抵抗各种作用力，同时还要求具有 一定的抵抗憾宿变形的自& 力。由于加气混凝土砌块自身材陛如块体大、僦 l i 殳暂i 明显、暖水导 湿缓慢、抗剪切强度低等特点，以及施工管理等不合理因素的影响，墙体易出现干裂、空鼓等 习啄，同时导致墙面j 末灰层在同啪开裂。因此i 砒试验研解决力日气混凝土墙体及抹灰层 的开裂问题具有重要的现实意义。 本章主要通过试验研究加气混凝土的孔结构、孔隙率和含水率对其抗压强度的影响，同时 为了解决加气混凝土砌体开裂的通病问题，对加气混凝士的劈裂抗拉强度、单轴受力状态下的 应力应茎陕系、静力弹性模量、干燥收缩特性进行了试验研究，并在此基础e 确定了加气混 凝土砌块的安全干缩量及砌筑受垒含水率，同时建立了加气混凝t 与燃束收缩力学蟮理。 z 2 加气混凝土抗压强度 加气混凝土的强度有抗压、抗拉、剪切强度等，但在砌体结构中加气混凝土主要用来抵抗 压力，又考虑到加气混凝土抗压强度试验比较简单易行，因此，通常用标准试验方法测定的加 气混凝土抗压强度作为划分加气混凝土强度等级的标准，并以此作为生产工艺控制的参数及评 定加气混凝土质量的主要依据。 2 2 1 试验试件及测试仪器设备 试鼢式件：加气混凝抗压强度的立方体试件的边_ 长有1 0 0 孟，1 5 0 1 1 1 m 和2 0 0 i n m 三种尺 寸，但是由于加气混凝土是一种多孔结构材料，试件受压时承压面和材料试验机压板之间的摩 阻力很小，环箍效应弱，三种立方体试件的强度测定值偏差很小，故尺寸折算系数可不予考虑 西安建筑科技大学硕士学位论文 i i i ；i i i ；i i i ；i i i i i ；i i ；i i； ； ； 1 3 1o 国家标准加气混凝土力学性能试验方法( g b l l 9 7 1 4 9 9 7 ) 中规定抗压强度试件采用边 长为1 0 0 m m 的立方体试件。 本试验中采用西安市硅酸盐制品厂生产的b 0 5 、b 0 6 级加气混凝土砌块规格为边长1 0 0 m m 的立方体试件： 仪器设备：万能材料试验机，量程0 - 4 0 k n ： 烘箱，i 1 0 0 。c ；天平，感量l g ；游标卡尺，量程2 0 0 i i 】1 1 1 ，分度值o 0 2 ：m m 。 2 2 2 孔隙率、孔结构对加气混凝土抗压强度的影响 加气混凝土是用钙质材料和硅质材料的配料中加入铝粉作加气剂，经加水搅拌、发气膨胀、 浇j 生j j 竞型、预养切割，再经高压蒸汽养护而成的多孔硅酸盐砌央，多孔性是加气涸疑土最主要 的特征。因此孔隙率和孔结构对其强度的影响是第位的，而且对制品的其它性能如抗冻性、 抗碳化性等也是关键性的影响因素。 加气混凝土的孔隙率一般达7 0 8 0 ，其中的孔可分为凝胶孔、毛细孔和由铝粉发气造成的 发气孔。凝皎彻毛细孔皆在发气孑l 之间的壁上，形状很不规则，多半是细长形；凝嘲l 为水 化产物本身的孔隙或水化产物之间的孔，孔径大小在十几个到几十个埃；毛细孔为未水化的游 离水蒸发后及多孔集料( 包括未水化的原材料) 造成的，孔径一般在几百个埃到0 1 毫米范围 内，这两种孔与一般水泥制品及硅酸盐制品相同。第三种孔发气孔，为加气混凝土所特有的， 摊圆球形捌圆球形，孔j 醐呔，在十分之几菪5 f 至帆介毫米范围内。全部孔隙对制品 强度和性能的影响极为复杂，本文仅就发气孔对加气混凝士强度的影响进行研究。 2 2 2 1 关于孔隙率与强度关系的理论 材料的实际强度比理论强度 氐3 - 4 个数量级，从断裂力学的观点看，材料本身的不均匀性、 缺陷、微裂缝、孔隙等都会造成应力集中而使材料在远远低于理论强度时遭到破坏。关于材料 孔隙与强度的关系，国外学者早就进行了大量的研究，并对此提出了不同经验公式【1 4 1 ，常用的 有： ( 1 ) m y b a l s h i n 首先于1 9 4 9 年针对多孔金属一陶瓷材料提出了孔隙率与强度的关系表达 式，即： 仃= 盯( 1 一p ) ” ( 2 1 ) 式中：0 孔隙率为p 时的强度，m p a ： oo b 吲；隙率为零时的强度( 对于给定的材料此值为常数) ，h 口a ： p - _ 孑l 隙率，；r 卜_ 经验常数。 此公式明确地反映了材料的强度与其孔隙率之间的关系，即强度与孔隙率之间存在着反比 西安建筑科技大学硕士学位论文 ；i ；i ；i i ；i i ；i i ；i ；i i ；i i i ；i ； 关系，而与其固相之间呈正比关系，因此后来该公式被广泛应用于其它材料，如美国学者 j s o r o k a 并dp j s e r e d a 将此关系式应用于石膏制品，该国学者s m i n d e s s 也将此关系式应用 于蒸压养护的水化硅酸钙制品的研究，证明该公式具有很好的适用性。 ( 2 ) 1 9 5 3 年，美国学者e r y s h k e w i t c h 和w d u c k w o r t c h 提出了适用于烧结氧化铝和氧化 锆制品的孔隙率强度关系式，即： 盯= 仃。月e - k , p( 2 2 ) 式中： o 孔l 缘率为p 时的强度，m p a ； o o f 广吼隙率为零时的强度，m p a ；k 。经验常数 根据此公式我们可以得知，孔隙率与强度值的对数之间呈线性关系。此公式后来也被一些 学者应用于水泥砂浆、蒸养硅酸钙制品及聚合物混凝土。 ( 3 ) 英国学者k k s c h i l l e r 通过对石膏制品的孔隙率与强度关系的试验研究，于1 9 5 9 年提出了适用于该材料的孔隙率强度关系式，即： o r = k s i n p d s p( 2 3 ) 式中：p o s _ - 亏虽度为零时的孔隙率，； k s _ 餐骀常数。 此公式反映了强度与孔隙率的对数之间存在线性关系，后来该公式被许多学者广泛用于解 释水泥、混凝土制品的孔隙率对其强度的影响。 l 宗合上述三个公式，尽管每个公式都是针对具体的材料提出的，其实它们可适用于非常广 泛盼防料，诸如铁、水泥砂浆、混凝土、石膏以及蒸养硅酸盐制品等。但是，公式2 1 - 2 3 皆 是由试验数据用数理统计回归而得，是统计的经验公式，反映了材料的强度随孔隙率增加而降 低的客观事实，公式中的系数很难用物理概念加以解释n 司。因此，学者t c h a n s o n 针对多孑l 材料，采用最简单的物理模型推导出了多孔材料的孔隙率强度关系式，使得公式中的各个系 数都有明确的物理概念，其公式为： r = r 。0 1 2 1 v p 2 7 3 ) ( 2 4 ) 式中：v p 孑l 隙率，； 栅强度，即孔隙率为零时的强度，m p a ；r _ 孑l 隙率为v p 时的强度，m p a ； t c 他1 s o n 关于模型的假定及公式的推导过程如下： ( 1 ) 假定取单位体积多孔固体作为分析对象( 见图2 1 1 ) ，其中内有一个气孔( 圆孔) ， 孔的半径为r ，贝肾l 体积大小等同于孔隙率，即： ：昙刀， j 式中：v p _ - 孑l 隙率。 西安建筑科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 由于单元试体中圆孔的存在，削弱了物体承载外力的面积，最薄弱的环节即图2 1 2 中a - a 剖面，圆孔占据的面积a = 2 ，所以因孔隙v p 存在而减少的面积为： a ：2 ：( 3 1 4 z ) 2 仃场2 n ：1 2 1 v p 2 乃 承担强度的有效面积为1 一a = 1 - 1 2 w p 2 门，所以，r r o = 1 1 2 1 v p 2 门，即h a n s o n 公式。 图2 1 2a - a 剖面图 上述公式虽然很简单，但能解释一些实际现象，如：强度随孔隙率的增加而急剧降低：有 一个强度为零的孔隙率即临界孔隙率存在。但与实际情况又有很大的偏差，因为i - k r l l s o r l 在推 导中有许多假设太简单了，如：没有考虑到物体因孔的存在引起的应力集中现象，没有考虑到 有裂缝存在引起的断裂效应，也没有考虑到孔形变化引起的强度变化。在低孔隙下，h a n s o n 公式计算与实际情况有很大的偏差，但在高孔隙下，应力集中效应不明显，尤其是加气混凝土 大部分孔呈圆形，这与凰l s o n 的假定基本符合。与h a n s o n 假定所不同的是，加气混凝土在高 孔隙下的排列为空间的立体排列，最常见的是体心结构和六角结构，因此国内有些学者从加气 混凝土气孔结构的实际出发，采用与h a n s o n 相同的推导，得到改进的h , a 玎l s o n 公式“匀： r = r 0 0 “0 7 5 v p 2 7 3 ) ( 2 5 ) 同时，通过利用该公式计算得到的加气混凝土临界孔隙率与实际临界孔隙率的对比来验证 了该公式的可行性，用改进公式2 5 求得的加气混凝土临界孔隙率为9 0 ，实际隋况约为9 2 左右【，而利用h a n s o n 公式计算得到的临界孔隙率为7 3 ，这与实际相差较大，同时改进公 式2 s 与加气混凝土强度随孔隙率衰减情况也比较致，故可以认为公式2 5 为加气混凝土强 度随孔隙增加而衰减的理论式“9 。 把公式2 5 与m y b a l s h i n 最先提出的孔隙率与强度的关系表达式盯= d o 。( 1 一p ) “( 公式 2 1 ) 相比较当公式2 1 中的n = 1 7 时公式2 1 与2 5 基本符合故也可以认为r = r o ( 1 一v p 。 ( 公式中的r 、r o 、v p 即为公式2 1 中的o 、o0 b 、p ) 为加气混凝土强度随孔隙衰减的理论 一曩 一一 西安建筑科技大学硕士学位论文 公式。 为了进一步反映加气混凝土中孔结构的实际睛况，国内学者孙抱真等人对公式2 5 作了进 步的推导。这是因为在实际加气混凝土的生产中，由于工艺上的原因，常常发生两个孔合并 成椭圆孔或三个孔合并成扁孔等，这样就会引起强度更大的衰减。因此，他们在公式2 5 的推 导中，以椭圆孔代替圆孔得到如下公式： r = r o 【l 一1 3 5 v p 2 门) ( 2 6 ) 对比公式2 1 、2 4 、2 5 及2 6 ，可以发现孔隙率v p 的系数( 以a 表示) 及公式2 1 中l i l t 皆为孔的形状和分布的函数，以圆孔的a 值或n 值最小，其它孔形的a 值或n 值皆较大，强度 衰减也较圆孔为甚。 2 2 2 2 关于表观密度与强度的关系式 加气混凝土孔隙率与强度的关系宏观表现为制品表观密度与强度的关系，为了便于将上述 各孔隙率与强度关系的公式与实际情况相比较，必须将孔隙率换算成表观密度，变换如下： p ：旦二旦q ：1 一鱼( 2 7 ) pp 式中 p 密度( g e r a 3 ) ；p0 嚷观密度( k g m 3 ) ； 加气混凝土的p 在固定配合比及养护工艺下一般为常量：水泥书碴渺配方的加气混凝土 约为2 4 9 c m 3 ，椐石灰- 粉煤灰配方的加气混凝土约为2 3 c m 3 。“ 可见p 与po 是线性关系，换算后不会改变关系曲线的幂次( 即曲线的形状) 。为了方便起 见，我们采用公式2 1 的表达形式换算后得： 计= h 一铷= 等 泣s ， 可以看出，n 可看作加气混凝土孔的形状指数，当密度p 基本相同时，对同表观密度级 别的加气混凝土，孔的形状指数1 3 的大小决定制品强度的大小。当气孔为圆形时，根据前述公 式，n = 1 7 ，此时计算强度为理论值，随着气孔偏离圆形，1 1 值随之提高，r 值下降：因此，鉴 于强度与表观密度之间具有一定的相关性蒸压加气混凝土砌块( g b , r i 1 1 9 6 8 1 9 9 7 ) 对加气 混凝土质量进行评定时要求同时满足表观密度和抗压强度的规定要求，进而评定该制品的质量 等级。 2 2 2 3 利用表观密度与强度的关系式解读国家标准 加气混凝土产品的国家标准蒸压加气混凝土砌块( g b t 1 1 9 6 8 1 9 9 7 ) 和蒸压加气混 凝土板( g b l 5 7 6 2 - 1 9 9 5 ) 己执行数年，它对规范我国加气混凝土产品生产和应用及促进加气 混凝土企业发展起了极大作用。然而在试验过程中也遇到了一些困惑，在试验检测过程中，部 分产品仅仅满足国家标准合格品的要求：部分产品的抗压强度和表观密度之间的匹配性较差， 西安建筑科技大学硕士学位论文 表现为表观密度满足要求时强度达不到标准要求，强度满足标准要求时表观密度早已超出标准 要求；而对于满足国家标准优等品和一等品要求的产品几乎没有，这不免对国家标准的要求产 生一些疑惑。因此本文利用加气混凝土表观密度与强度的关系公式对国家标准中强度与表观密 度的匹配性要求进行如下解读。 根据蒸压加气混凝土砌块(