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硕士论文粉煤灰承重加气混凝土的制备与应用研究 摘要 本文主要通过添加不同种类外加剂的方法研制出密度8 0 0 k g m 3 ，抗压强度高于 1 0 m p a 的承重加气混凝土制品，并且通过x r d 、s e m 等检测手段对制品的水化产物 及微观结构进行分析。同时以砌体结构设计理论为基础，通过设计试算对加气混凝土 砌体作为承重结构在多层砌体中的应用进行研究及讨论。 在加气混凝土孔隙率一定的情况下，其水化产物、气孔结构及孔壁强度对制品的 强度均有很大的影响。无机盐类外加剂c a c l 2 可以加快料浆的硬化速度，有利于提高 加气混凝土料浆初始结构强度，从丽有利于制品气孔结构的稳定。非晶质硅质外掺料 的二氧化硅活性较高，可与钙质原料快速而充分的反应，在水热合成的条件下形成晶 种，促进原料的反应。作为一种表面活性剂的氨基磺酸高效减水剂的引入，可以有效 的降低了料浆的水料比，使料浆具有良好的流动性，有利于制品形成致密的孔壁结构 和均匀的气孔结构。以上外加剂的引入均有效的提高了制品的强度。实验制备出的复 合外加剂，综合了上述各外加剂的优点，不仅显著的提高加气混凝土的强度，而且有 效的利用了工业废渣，成本较低，且制取方法简单。 通过对实验制备的承重加气混凝土的设计试算表明，其砌体的承载力满足设计要 求，完全可以应用于多层砌体的承重结构，并且其设计强度较高，自重较轻，同等设 计条件下，承重加气混凝土砌体的各控制截面的设计强度利用系数均低于普通砖砌 体。承重加气混凝土在其设计应用中，需注意其在建筑上层偏心距容易超限，以及减 薄墙体设计引起的局部承载力不足的问题。 关键词：外加剂：承重；加气混凝土；砌体结构 硕士论文 粉煤灰承重加气混凝土的制备与应用研究 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , a e r a t e d 咖c r e t cp r o d u c t i o n sw h o s ed e n s i t ya r e8 0 0 k g ，一a n dc o m p r e s s s t r e n g t ha r eg r e a t e rt h a n1 0 m p aw 讹p r e p a r e db ya d d i n gd i f f e r e n tk i n d so fa d m i x t u r e s h y d r a t e dp r o d u c t sa n dm i c r o s t r u c t u r e so ft h ep r o d u c t i o n sw e 舱a n a l y z e db yu s i n gx - r a y d i f f r a c t i o n ( x r d ) a n a l y s i sa n ds c a n n i n ge l e c 仃m i c r o s e o p y ( s e m ) m e a n w h i l e b a s e do n t h et h e o r yo fm a s o n r ys l r u c t u r ed e s i g n , t h ea p p l i c a t i o no fa e m l 硝c o n c r e t eb u i l d i n g s t r u c t b r eu s e da sl o a d - - b e a r i n gi nm u l t i - s t o r ym a s o n r yb u i l d i n gs t r u c t u r ew a sd i s c u s s e da n d s t u d i e db yd e s i g n i n ga n dc a l c u l a t i n g t h ee f f e c t so fh y d r a t e dp r o d u c t s p o r es t n j c t 啪ea n dh o l e - w a l ls t r e n g t ho nt h es t r e n g t h o ft h ea e r a t e dc o n c r e t ep r o d o t i o n si sv e r yl a r g eo nt h ec o n d i t i o nt h a tt h ep o r o s i t yr a t i oo f a e r a t e dc o n c r g t ew a sd e t e r m i n e d i n o r g a n i cs a l ta d m i x t u r es u c hn sc h l o r a lc a l c i n m ( c a c l 2 ) c a na c c e l e r a t et h eh a r d e n i n gv e l o c i t yo ff e e dp u l pa n di sp r o p i t i o u st oi m p r o v ei n i t i a l 刚n l c l n ，r es t r e n g t ho fa e r a t e dc o n c r e t ef e e dp u l p s ot h a ti ti sb e n e f i tf o rt h es t a b i l i z a t i o no f p o r es t r u c t u r eo ft h ep r o d u c t i o n n 把a l t l o r p h o n ss i l i c ad i o x i d ea c t i v i t yi ns i l i c aa d m i x t u r e i sh i g h s i l i c aa d m i x t u r er a p i d l ya n di i b u n d a n t l yr e a c t e dt oc a l c i u mr a wm a t e r i a la n dc o m e i n t ob e i n gc r y s t a ls e e du n d e rt h ec o n d i t i o no f h y d r o t h e r m a ls y n t h e s i sw h i c hc a na c c e l e r a t e t h er e a c t i o no fr a wm a t e r i a l s a m i n o s u l f o n i c b a s e ds u p e r p l a s t i c i z e rc a ne f f e c t i v e l yr e d u c e t h er a t eb e t w e e nm a t e r i a la n dw a t e ra n di tm a k e sf e e dp u l ph a v eg o o df l u i d i t y , w h i c hc a n b ep r o p i t i o u st of o r mc o m p a c tp o r a - w a l ls 咖c t u r ea n de v e np o r es i n l c t i 】r e a l la d m i x t u r e s a b o v ec a ni n c r e a s ec o m p r e s ss t r e n g t ho f t h ep r o d u c t se f f e c t i v e l y t h ec o m p l e xa d m i x t u r e k i i 培a l lk i n d so fa b o v e - m e n t i o n e dm e r i t sm a d eb ye x p e r i m e n tn o to n l yd i s t i n c t l y i m p r o v es t r e n g t ho fa e r a t e dc o n c i e t eb u te f f e c t i v e l yu s ei n d u s t r i a lw a s t ea n dl o w e rc o a s t a n dc a nb ep r e p a r e de a s i l y d e s i g n a t i o na n dc a l c u l a t i o no fl o a d - b e a r i n ga e r a t e dc o n c r e t ep r o d u c t i o n sm a d eb y e x p c r i m e ms h o wt h a tt h el o a d - b e a r i n gc a p a c i t i e so fp r o d u c t i o n sm c e tt h er e q u i r e m e n to f d e s i g n a t i o ns ot h a tt h ep r o d u c t i o n sc o m p l e t e l ya p p l yi nm u l t i s t o r ym a s o n r yb u i l d i n g s t r u c t u r e t h ep r o d u c t sd e s i g n a t i o ns t r e n g t hi sh i g ha n ds e l f g r a v i t yi sl i g h ts od e s i g n a t i o n s t r e n g t hc o e f f i c i e n to f u t i l i z a t i o no f e v e r ys e c t i o n a li sl o w e rt h a no r d i n a r yb r i c km a s o n r ya t t h es a l n ed e s i g nc o n d i t i o n t h ee c c e n t r i c i t yd i s t a n c eo fa r c h i t e c t u r a lt o pe x c e e d e de a s i l y a n dt h el o c a l l y - c o m p r e s s e di sd e f i c i e n tb e c a u s eo fr e d u c i n gw a l l 龇l m e s ss h o u l db ep a i d a t t e n t i o nt oi nt h ed e s i g no f l o a d - b e a r i n ga e r a t e dc o n c r e t e k e y w o r d ：a d m i x t u r e ；l o a d - b e a r i n g ；a e r a t e dc o n c r e t e ；b u i l d i n gs t r u c t u r e 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：麴乃印年7 月胗日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 4 - i 研究生签名：塑a 叼年7 月o h 硕士论文 粉煤灰承重加气混凝土的制备与应用研究 l 绪论 1 1 课题背景及研究意义 砌体结构是建筑工程中最常用的结构形式，其中砖石砌体约占9 5 以上【i 】。粘土 砖是我国传统的墙体材料，由于其热工性能差，严重浪费土地资源、能源资源并且烧 制时排放出大量的有害气体对环境造成很大的危害，随着我国环境保护力度的加大以 及可持续发展战略的实施，人们环境资源保护意识逐渐加强，一些城市已经强制禁用 烧结粘士砖，这无疑为新型墙体材料的推广应用提供了良好的发展机遇。据统计，建 筑用能约消耗全球l 络能源，建筑节能成为整个节能工作的重要要组成部分1 2 1 。早在 1 9 9 2 年1 1 月9 日国务院在发布的文件关于加快墙体材料革新和推广节能建筑的意 见中，就明确指出：要大力发展节能、节地、利废、保温、隔热的新型墙体材料， 加快墙体材料革新，推进建筑节能工作。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 号文中也都已经明确提出相关城市限时禁止使用实 心粘土砖的目标。 目前我国墙体改革中大力推行的新型墙体材料主要有以下几种：加气混凝土砌 块、轻集料混凝土小型砌块、多孔砖等。加气混凝土是以工业废料为主要原料的新型 建筑材料，具有良好的耐火、隔音和耐久性能等f 3 1 ，是在建筑节能背景下替代粘土砖 的较为理想的墙体。而在我国大力推行的上述这三种材料中，只有加气混凝土砌块墙 体可达到传热系数k 小于1 5 、热惰性系数d 大于3 0 的标准要求f 4 l ，因此大力推广 加气混凝士可极大的推动我国在建筑节能方面的工作。 然而目前我国加气混凝土的推广应用仅局限于建筑的非承重结构中，其强度一般 小于5 m p a ，在承重结构中还很少应用。虽然我国已颁布了一些有关加气混凝土砌块、 板材、试验方法等标准，然而在应用技术标准( 设计、施工及验收) 方面还存有缺口， 同时也缺少指导设计及施工的应用构造图集，只有少数一些地区进行了试验性的应用 p j 。由于加气混凝土在应用中具有的局限性，从而未能使其优越的保温性能得以充分 利用。即使在瑞典、法国、日本等加气混凝土技术较为发达的国家，加气混凝砌块 大都也只是用作填充围护墙，即使用来承重也只是建造1 3 层的小型民居及别墅，因 此，国外对加气混凝土的强度并无较高的要求。但我国人口多、人口密度大，在大、 中城市建造低层住宅已无可能，发展多层建筑才符合我国的基本国情【6 】。因此，提高 加气混凝土的强度，使其达到传统砌体材料的强度( i o m p a ) ，代替粘土砖应用于多层 砌体应用于建筑的承重部分，充分发挥其保温隔热性能，将对我国建筑节能工作的开 展及建筑节能目标的实现做出极大的贡献。承重加气混凝土的研究具有极其重要的学 术意义及应用价值。 1 2 加气混凝土制备过程中的反应【7 - 9 硕士论文 粉煤灰承重加气混凝土的制备与应用研究 蒸压加气混凝土是一种轻质多孔材料，是由钙质材料、硅质材料、发气剂( 铝粉) 、 水和少量外加剂经一系列工艺制成的一种新型建筑材料。我国生产的加气混凝土按原 材料分三类：水泥矿渣砂，水泥石灰- 粉煤灰和水泥石灰砂。我国最主要的加气混 凝士原材料主要是第二种，称之为粉煤灰加气混凝土。 粉煤灰加气混凝土的结构是通过以下生产工序所发生的化学反应和物理交化而 形成的：料浆组份间相互反应而放气的物化过程，料浆的稠化和凝结过程，物料的各 个组份发生水热反应的蒸压养护过程。 ( 1 ) 发气过程中的反应 在粉煤灰加气混凝土料浆中，发气反应是通过原料搅拌、浇注开始的。粉煤灰浆、 水泥、生石灰、铝粉、水以及其他外加剂混合搅拌后，石次和水泥在浇注料浆和坯体 中水化生成c a ( o h ) 2 ，加气混凝土料浆中的液相呈现碱性且迅速变成饱和溶液( p h 值达1 2 左右) 。在碱性环境下，铝粉与碱性饱和溶液发生反应产生难溶于水的氢气， 并且随着温度的升高，气体体积增大。因此，使混合料浆发生膨胀。 ( 2 ) 凝结过程中的反应 当料浆浇注入模，随着放气反应的进行，料浆开始膨胀，水泥和石灰发生水化作 用。生石灰和水作用，放出大量的热。当放气完毕、膨胀结束时，料浆中的石灰质矿 物胶结料仍然在水化，水化产物在液相中不断地积累起来，同时，体系中的自由水份 由于水化作用的进行逐渐减少，这就使得料浆中水化产物的数量逐渐增加。且生成 c s h 凝胶聚集体，使整个系统具有一定地能支承自重的结构强度，即达到初凝或稠 化。随着水化继续进行，结构强度不断提高，固相越来越多，液相越来越少，当达到 能抵抗相当外力作用的结构强度时，便达到终凝。料浆达到终凝之后，整个料浆体系 结构形成稳定的坯体。为了使料浆具有一定结构强度、坯体可以进行切割，需要有一 段静置停放过程。因此，静停过程也就是料浆凝结硬化过程。 ( 3 ) 养护过程中的反应 在养护阶段，随着温度升高，c a ( 0 h ) 2 与粉煤灰中的活性s i 0 2 反应生成碱度 较高的水化硅酸钙，随着s i 0 2 的不断溶解，水泥水化的c s h 凝胶与石灰、粉煤灰 合成的c s ，h 等水化硅酸钙的碱度不断降低，开始变成半结晶的c s h ( i ) 。与此同 时，三硫型的水化硫铝酸钙分解成单硫型的水化铝酸钙。 在1 8 0 - 2 0 0 。c 恒温初期，大量生成c s h ( i ) 。在此温度下，单硫型水化铝酸钙也 无法稳定，继续分解成c 3 a h 6 和c a s 0 4 ，水化铝酸钙和s i 0 2 作用生成水化石榴子石。 随着恒温时间的延长，水化硅酸钙的结晶程度不断提高，出现托贝莫来石，近一步延 长时间还可能生成其他结晶的水化硅酸钙。 1 3 影响加气混凝土强度的因素 强度低的制品用于结构重要部位，隐患相当可怕，如强度低耐久性就差，承受不 2 硕士论艾 粉煤灰承重加气混凝土的制各与应用研究 了由温度变形、干缩变形、冻融循环所造成的内部应力，这就会影响墙体美观并危及 结构安全，也影响了加气混凝土的推广。只有提高加气混凝土的强度，才可代替实心 砖作承重墙体材料，可广泛应用于非框架结构的各种建筑物上。因此，强度是加气混 凝土最重要的力学性质。而对加气混凝土强度的影响主要有密度、气孔结构、水化产 物和孔壁结构等。 ( 1 ) 密度 生产实践表明，在相同生产条件下生产的加气混凝土制品，即使工艺过程控制处 于最佳状态。其强度与体积密度的关系仍然具有一定的规律性，即加气混凝土的强度 与其密度的二次方成正比 1 0 a 但制备承重加气混凝土不可一味的追求高强度而导致密 度过大，这样便会失去加气混凝土质轻的优势。低密度的砌块既方便施工，又有利于 工程抗震。因此，制品密度以小于8 5 0 k g m 3 为型引。 ( 2 ) 水化产物 钙质材料和硅质材料在水热合成条件下，经过一系列物理化学变化，生成结晶水 化硅酸钙、托贝莫来石等水化相，赋予制品一定的强度，制品水化产物的组成对于制 品的强度起着决定性的作用。粉煤灰加气混凝土蒸压制品中的主要水化产物是 c s h ( i ) 、托贝莫来石和少量的水石榴子石。其中，抗压强度以c s h 0 ) 最高，托贝莫 来石次之，水石榴子石由于胶结能力差而强度最低 7 1 。在细小晶体的c s h ( d 中穿插一 些托贝莫来石，两者保持适当的比例可使强度明显提高。因此，要获得强度高、性能 好的加气混凝土，必须进行蒸压养护，使其生成一定数量的托贝奠来石。 ( 3 ) 孔结构 加气混凝土制品的孔隙率一般为6 0 9 0 ，这些孔隙是由许许多多个大小不等 的直径为1 0 0 n m 4 m m 气孔及气孔壁组成的结合体。这些气孔及气孔壁的组成成分、 性能决定了加气混凝土制品物理性能。按照直径的大小，加气混凝土的气孔可分为五 类：宏观孔、微观孔( 包括毛细孔，、凝胶孔、晶间孔、超微孔【1 1 以3 1 。 加气混凝土中孔隙的存在，既改变了制品的密度，又影响了制品的强度，同时， 也提高了制品的保温性和抗冻性。当气孔直径小于2 m m 且分布均匀时，制品有较好 的抵抗荷载的能力，其抗压强度值较高。当气孔直径大于2 m m 且分布不均匀时，在 外力加载的作用下，极易产生应力集中，从而导致制品某些孔壁结构提前遭到破坏， 其抗压强度值也随之降低。 ( 4 ) 孔壁结构 加气混凝土的孔壁包含大小不等的硅质材料微粒参与反应后剩下的残核和水泥 粒子尚未水化完毕的部分，在这些物料固体颗粒之间，汇集大量的水化产物和形状、 大小不同的微孔或缝隙，并形成一个由硅质材料的颗粒组成的骨架，水化硅酸钙凝胶 和结晶体黏附在其周围，包括有各种微小孔隙等缺陷的不均质固液气三相堆聚的复 硕士论文粉煤灰承重加气混凝土的制备与应用研究 杂结构。在气孔壁的结构中，各种材料和物料之间，不仅是物料颗粒间的直接接触或 者机械啮合，而且还有在高压高温度热条件下，各物料之间产生化学反应形成的更为 坚硬水化产物的结合，这也是气孔壁能承受外力作用的最主要的原因。 因此，在提高加气混凝土强度的研究中，应主要对以上几种因素加以控制，从而 提高制品的强度。 1 4 加气混凝土应用于建筑中的优势 人们的舒适感与空气温度，特别是墙体内表面温度有明显的关系。当取暖和制冷 时，墙体的热导率、密度、传热性和冷却性能决定了墙体表面温度，因此墙体材料的 选择是人们居住舒适的关键因素。由于蒸压加气混凝土特殊的生产工艺，使其具有一 系列不同于传统材料的特性，从而可以保证一个平衡和舒适的居住环境。 加气混凝土有以下几点特性： 1 轻质 加气混凝土的孔隙率较高，一般为7 0 , - - 8 0 ，从而大大降低了其密度。加气混凝 士的密度一般为4 0 0 - - , 7 0 0 k g m 3 【1 4 1 ，约为粘土砖的1 3 ，普通混凝土的1 5 15 1 。在新建 住宅中使用蒸压加气混凝土砌块，可以大大减轻建筑物的自重，从而减少地震荷载和 变形，并且可以降低基础造价，减少软弱地基的施工难度。在旧有住宅的改造扩建中 使用蒸压加气混凝土砌块，一般不需要加固原有承重结构，从而有效缩短了施工工期。 2 强度利用率高 蒸压加气混凝土因为引入大量空隙，降低了密度的同时，必然也降低了加气混凝 土的强度。但在工程中应用的不是材料强度，而是砌体强度。按规范计算，标号为 i o m p a 的粘土砖，其砌体强度仅3 1 m p a ，砌体只有粘土砖立方强度的3 0 ；而强度 为3 o m p a 的加气混凝土，其砌体强度却自女达到2 4 m p a ，砌体强度达到加气混凝立 方强度的8 0 左右【1 6 1 。可见，加气混凝土在砌体中的强度利用系数要远高于砖砌体 的强度利用系数。 3 导热系数低 由于蒸压加气混凝土砌块内部具有无数微小的气孔，这些气孔在材料中形成了静 空气层，导热系数是粘土砖的1 5 ，是混凝土空心砌块的1 2 ，使得这种砌块墙体具有 很好的保温性能。 4 防火性能好 加气混凝土在受热至8 0 1 0 0 以上时会出现收缩和开裂，但是在7 0 0 c 以前不会 损失强度【l ”。加气混凝土不可燃，热迁移速度慢。较低的热传导率及其平衡时的含水 状态使得该种材料的防火性能较好。它的封闭的孔结构起到了很好的隔离作用，热辐 射传导能力与气体一固体界面的数量成反比。 5 抗霜冻能力好 4 硕士论文粉煤灰承重加气混凝土的制备与应用研究 若材料内的水分含量超出了临界值，经过冻融循环的作用，材料最终会破坏。对 加气混凝土产品的试验表明其临界含水率为4 0 ( 体积含量) o s 。因为引入了几乎 完全封闭的较大的圆形气孔，使得材料只有相对较少的毛细孔张力，水分不易达到临 界状态，从而使得加气混凝土具有良好的抗冻性。 6 可加工性好 加气混凝土中没有粗骨料，质又轻，因此钻孔、钉接、切割、刨平、雕镂等的加 工均很容易实现。 7 吸声效果好 加气混凝土的隔音效果较差i l 川，但是吸声效果较好。其独特的结构使其自身的吸 声效果( 吸声系数0 2 - - 0 3 ) ，优于光 卧密实的混凝土和金属板，这同时可以改善工 厂尤其是有高频声音的工厂的声音质量环境。比如屋顶棚抹灰后，吸声效果就会减弱。 此外，加气混凝土还具有徐交小、热膨胀系数小、在有表面防护的条件下长期性 能稳定，耐久性良好等特点。正是以上这些特性使得加气混凝土相对于其它墙体材料 在节约能源、环境保护方面也具有更大的优势。 首先，加气混凝土的使用可以降低建筑能耗，节约能源。按现在主要的墙体材料： 牯土砖、加气混凝土、混凝士砌块的生产能耗核算，粘土砖的能耗为标煤9 1 k g m 3 ， 加气混凝土的为5 6 8k g m 3 ，从单位产品的耗能看，加气混凝土具有相当的优势i t 6 。 加气混凝土的节能性还体现在使用上，由于其高效的保温隔热效果，可以节省大 量空调采暖费用，采用加气混凝土的框轻结构年使用能耗为标煤1 6 4k g m 3 ，而砖混 住宅为2 5 5k g m 3 ，节能效果十分显著【2 0 j 。 其次，使用加气混凝土可以有效地减少环境污染，保护耕地。我国加气混凝土主 要原料是粉煤灰。发展加气混凝土，并用它替代粘上砖，可以有效的保护耕地、利用 工业废渣。并且在生产过程中完全没有污染和危险废物产生，不会污染环境。 由于加气混凝土具有的上述一系列的优势，因此其作为一种轻质建筑材料，在国 内外的工程建设中均得到广泛的应用。尤其是其密度轻、保温好，对于减少建筑物自 重，降低建筑物能耗，具有特别重要的意义。 1 5 加气混凝土的发展及研究 1 5 1 国外发展及研究状况 加气混凝土于1 8 8 9 年闯世，但是真正的发展是在1 9 2 9 年瑞典伊通公司( y t o n g ) 采用蒸压釜养护成功以后。二次世界大战前加气混凝土的总产量不超过1 0 0 万立方 米，并且主要集中在北欧三国( 瑞典、挪威、芬兰) 。二次世界大战后，西欧、东欧、 前苏联等国相继引进加气混凝土生产技术并完善了生产工艺，并涌现出一批专利技 术。加气混凝土获得了很大发展，1 9 5 0 年世界加气混凝土的产量为1 0 0 0 万立方米， 至1 9 9 5 年全世界约有5 0 多个国家设厂生产，产量约4 5 0 0 - - 5 0 0 0 万立方米。产品应用 5 硕士论文粉煤灰承重加气混凝土的制各与应用研究 的范围很广，包括各种气候条件的国家，包括寒冷地区像北欧、日本的北部，湿热地 带如南美、远东一带以及气候干燥的澳大利亚及中东地区，主要用于墙体、屋面等方 面。 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，并进一步扩大发展。经过了几十年的发展，逐渐 形成了六大生产工艺，他们是瑞典的“伊通”和“西波列克斯”，德国的“海波尔”、荷兰 的“求劳克斯”、波兰的“乌尼泊尔”和丹麦的“司替玛”等。 1 9 7 7 年，波兰的h a l i n az 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【2 l j ，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的关系进行了系统研究，并建立它们之间的函数关系式阱】。 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，研究重点主要 是对加气混凝土的断裂性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 是研究的重点之一。日本生产加气混凝土原料的细度己达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高【2 3 】。 目前，国际建材与构件研究试验所联合会( r i l e m ) 和国际建筑实验协会中有两 个拥有许多国家专家的加气混凝土技术委员会：一个技术委员会负责制定和改进加气 混凝土使用性能的标准测试方法：另一个技术委员会负责制定有关加气混凝土构件计 算和设计的国际标准，标准的内容包括材料性能、计算原理、建筑工程施工、采用计 算技术设计构件和经济核算等。这两个技术委员会的研究工作对于世界加气混凝土工 业的发展起着举足轻重的作用，在加气混凝土材料基本力学性能、基本构件计算分析 和设计应用上都提出了一系列建议。 n n a r a y a n a n 等人【1 1 1 对蒸压加气混凝土材料的结构及性能进行了全面的总结； u w y 等人刚对北美地区的多个厂家的多种粉煤灰加气混凝土进行大量的试验研究， 发现粉煤灰加气混凝土在含水率小于1 5 时材料的强度很高，其抗拉强度大致在 0 2 5 - - 0 4 1m p a ，而且研究者指出随着材料抗压强度的提高，其抗拉强度也会增大。 国外在材料本身性能试验及理论分析方面所做的研究较多，对低层房屋砌筑的施工构 造方面也有相关技术规程，但是对加气混凝土作为承重结构材料应用于多层砌体的力 学性能研究还较少。 1 s 2 国内发展及研究状况 我国是生产和应用蒸压加气混凝土较早的国家之一。早在1 9 3 2 1 9 3 4 年间，上海 已设厂生产加气混凝土砌块，建造了当时国内最高的1 7 2 0 层5 幢建筑：国际饭店、 6 硕士论文 粉煤灰承重加气混凝土的制各与应用研究 锦江饭店、新城大楼、河滨大楼、汇丰银行【2 5 】。 我国于上世纪6 0 年代引进瑞典的西波列克斯技术，在北京市加气混凝土厂建成 生产线。1 9 7 6 年起，由于墙体材料改革的需要，加气混凝土工业在全国迅速发展， 到1 9 8 1 年底，有生产厂家4 3 个，1 9 8 5 年有6 4 个，1 9 9 0 年有8 5 个，1 9 9 5 年就增加 到了1 3 3 个，年产量也有大幅度增长，至2 0 0 0 年，生产线超过2 0 0 条，年生产能力 超过1 5 0 0 万立方米。我国生产加气混凝土的技术是多层次的：伊通技术、海波尔技 术、鸟尼泊尔技术和司替玛技术等，并在引进外国技术的基础上，经消化吸收，开发 了我国自己的技术。我国自应用加气混凝土制品以来，使用地区从最初的东北、北京 地区逐渐扩展到了江浙、上海等地，几乎遍及所有的建筑体系。进入2 1 世纪，随着 我国墙体改革力度的加大，加气混凝土进入加速发展时期。据2 0 0 6 年的不完全统计， 我国加气混凝土企业已达3 5 9 家，总年生产能力约2 6 0 0 万立方米f 2 6 ，2 7 1 。 目前我国有关加气混凝土的研究资料主要集中在材料的物理力学性能方面，东北 建筑设计研究院高连玉等以粉煤灰加气混凝为试验研究对象，获得了许多有价值的 研究成果，例如加气混凝土的干燥收缩规律；建筑墙体裂缝产生原因及为减少裂缝而 应采取的构造措施【2 8 】；砌块墙体在水平荷载作用下抗震性能的研究【2 9 】；多层承重房 屋抗震性能的研究；内砖外加气块节能住宅的地震反应分析等。清华大学过镇海等f 3 0 l 对加气混凝土砌体通缝抗剪强度的合理试验方法进行了探讨；浙江大学、重庆建研院、 苏州建研院及清华大学完成了加气混凝土砌体力学性能的研究；严家婶、姚谏等【3 l 】 作了初弯曲、初偏心对加气混凝土砌体轴压构件极限承载力影响的计算机模拟分析。 强度偏低是制约加气混凝土应用的因素之一，尽管加气混凝土在我国的生产历史 较久，其工艺及控制基本已形成了一系列最佳的方法，但对提高其强度的研究还不多 见，我国在提高加气混凝土强度方面研究较多的是加入外加剂的方法。研究表明【3 2 】 硫可以促进了料浆的稠化速度，加速料浆发气膨胀和结构形成；无机和有机盐类早强 增强型外加剂，能与料浆中的水泥反应，加速水化速度；这些都可以一定程度上提高 加气混凝土的强度。崔崇等人【3 3 j 采用活化石灰，活化粉煤灰和外加剂等综合技术途径， 制各容重小于1 0 0 0 k g m 3 ，抗压强度大于1 5 m p a 的粉煤灰加气混凝土。 方荣利等人1 3 4 j 在养护蒸气压力为3 1 3 3 m p a 时，制备出密度为6 0 0 k g m 3 ，而抗 压强度可达到1 3 m p a 的承重加气混凝，他们认为养护压力的提高可以提高加气混 凝的强度。丽文献【7 】认为，无论何种养护压力均有一个最佳的恒温时闻，在此最 佳恒温时间获得的抗压强度最高，随着压力的升高最佳恒温时间相应缩短。但压力的 升高并不能提高制品的抗压强度，同一工艺参数的制品，其最高抗压强度不随压力而 改变，压力的升高只能缩短其恒温时间。我国目前生产粉煤灰加气混凝土所使用的养 护蒸汽压力通常在o 7 1 3 m p a ，方荣利等人此法应用于工业生产时将对设备提出极 高的要求，目前可以提供3 1 m p a 以上压力的蒸汽只有电厂锅炉，其锅炉造价极高， 7 硕士论文 粉煤灰承重加气混凝土的制各与应用研究 并且国内目前尚无可以耐3 1 m p a 以上压力的用于加气混凝土生产的蒸压釜。此外使 用如此压力如此之商的蒸汽将极大的提高产品的成本。因此，此方法在工业中无推广 应用价值。 此外，我国在不断的研究与应用中也逐步的形成了配套的规程及行业标准。北京 市建筑设计院和哈尔滨市建筑设计院主编了蒸压加气混凝土应用技术规程 ( j g j l 7 - 8 4 ) ，并在全国各地建造了一些试点建筑。后来在j g j1 7 8 4 的基础上，按照 建筑结构设计统一标准( g b 6 8 8 4 ) 要求，参考以前l o 多年的加气混凝土应用技 术发展的实际状况进行了修改，成为蒸压加气混凝土应用技术规程( j g j l 7 报批 稿) 。报批稿主要在材料的计算指标和结构构件计算两大方面对原规程做了修正和补 充。但由于在报批过程中，g b t 1 1 9 6 8 1 9 9 7 蒸压加气混凝土砌块及g b j 5 0 0 0 3 2 0 0 1 砌体结构设计规范的颁布，使新规程迟迟未能出现。我国已于2 0 0 6 年2 月2 0 日发布新的g b l l 9 6 8 - 2 0 0 6 蒸压加气混凝土砌块。随着新国标的颁布，蒸压加气 混凝土砌块砌体结构技术规程的编制工作已经展开。 1 6 本课题研究目的、意义及内容 1 6 1 本课题研究目的 本课题针对目前国内建筑节能的要求以及加气混凝土材料的发展现状，旨在利用 粉煤灰、石灰等主要原材料，通过引入外加剂的方法，制备出低密度、高强度、可用 于承重结构的加气混凝土材料。 具体目标： 1 ) 由于传统墙体材料的强度通常为1 0 m p a ，为了使加气混凝土更好的取代粘土 砖应用于承重结构。实验将试制的加气混凝土材料可达到的立方体抗压强度指标定为 1 0 m p a 以上。 ， 2 ) 密度过高的加气混凝土，不仅失去其轻质的优势【2 舯，而且由于其砌块尺寸较 大导致重量较高，因此也会加大施工的难度；而密度过低的砌块，若要保证1 0 m p a 的抗压强度，则对生产技术及设备要求过高，从而提高了企业的生产成本。因此，实 验将试制材料的体积密度定在7 5 0 8 5 0 k g m 3 范围内。 3 ) 目前我国加气混凝土没有相应的设计规范作为设计计算的依据，从而大大限 制了其在砌体结构中的应用。因此，本文对试制材料的砌体承载力进行设计试算，使 其可应用于多层砌体的承重结构。 1 6 2 本课题研究意义 使用粉煤灰等工业废料作为制备加气混凝的原材料，既可使加气混凝土替代粘 土砖从而保护了耕地，又防治这些工业废料对环境的污染。研制抗压强度达到1 0 m p a 以上的加气混凝土，将其使用于多层砌体的承重结构，不仅能够扩大加气混凝土砌块 的应用领域，而且也有利于我国的环境保护及建筑节能。承重加气混凝土的成功研制， 8 硕士论文粉煤灰承重加气混凝土的制备与应用研究 将赋予加气混凝土崭新的应用范围，使其具有更强的生命力。 本文对试制材料的砌体承载力进行设计试算，验证其在承重结构中应用的可行 性，将为今后加气混凝土作为承重结构应用于多层砌体提供一定的参考。 1 6 3 本课题研究内容 1 ) 提高加气混凝土强度的研究。 选用粉煤灰、石灰、水泥、石膏等作为制品的主要原材料，采用引入外加剂的方 法，利用不同的外加剂，选择不同的配比，通过强度检测，选择合适的掺量，制各出 密度为8 0 0k g m 3 ，强度为i o m p a 的承重加气混凝土制品。 、 2 ) 加气混凝土复合外加剂的研制 实验通过对不同外加剂制备的加气混凝土制品的机理研究以及不同掺量下的性 能分析，从而选出强度提高效果较好的外加剂，并在此基础上，复合出效果更好、成 本较低的新型外加剂。 3 ) 承重加气混凝土的应用研究 采用实验制备的加气混凝土作为多层砌体的承重墙体材料，选择合理的设计强 度，通过对砌体承载力进行设计试算，比较加气混凝土砌体与普通砖砌体作为承重结 构在应用中的异同。并分析加气混凝土砌体作为承重结构在应用中所面临的问题，并 通过调整设计方案来初步解决。本研究可为今后该类材料在承重墙体中的设计应用提 供参考。 9 硕士论文 粉煤灰承重加气混凝土的制备与应用研究 2 实验方法及测试 2 1 实验原料 2 1 1 硅质原料 粉煤灰 取自南京东基新型建筑材料有限责任公司，2 0 0 目筛余2 1 1 8 ，其主要成分如表 2 1 所示。 表2 1 粉煤灰主要化学成分 丝堂盛坌 曼i 垒垒1 2 q !呈! z q !璺盟坚g q 含量( )5 3 5 12 9 7 4 。4 8 12 2 61 2 5 粉煤灰是火力发电厂煤锅炉排出的废渣，是从煤粉炉烟道气体中收集的粉末。粉 煤灰具有火山灰性质，常温下可以与氧化钙反应。粉煤灰在反应体系中主要提供活性 的s i 0 2 和a 1 2 0 3 ，在蒸压条件下s i 0 2 和a 1 2 0 3 ，与系统中产生的c a ( o h ) 2 反应生成 水化产物，并把未反应的粉煤灰内核结合起来形成整体使之具有强度。 2 1 2 钙质原料 ( 1 ) 石灰 取自南京东基新型建筑材料有限责任公司，使用蔗糖法测定其有效钙含量为 7 4 9 7 。石灰是生产加气混凝土的主要钙质材料，其主要作用是提供有效c a o ，使 之在水热条件下与硅质材料中的s i 0 2 、a 1 2 0 3 作用；生成水化硅酸钙与水化铝酸钙从 而使制品获得强度。石灰提高了加气混凝土料浆的碱度，提供铝粉发气条件，促使铝 粉进行发气反应。 ( 2 ) 水泥 采用市售4 2 5 # 普通硅酸盐水泥，。产自嘉新京阳水泥有限公司。水泥作为钙质材 料在加气混凝土中可以单独使用，也可以与石灰混和使用。水泥可以为坯体反应提供 所需的硅、钙材料，但主要作用是保证浇注稳定性、为坯体提供初始强度以便于切割 和入釜养护。 2 1 3 发气材料 铝粉 取自南京东基新型建筑材料有限责任公司。加气混凝土中的孔结构是由发气剂在 料浆中产生气体生成均匀而细小的孔而形成的，铝粉在碱性条件下发气量大、产气均 匀，是目前国内最常用的发气材料。 2 1 4 调节材料 石膏 l o 硕士论文 粉煤灰承重加气混凝土的制各与应用研究 山西省曲沃县常家立川石膏厂生产。石膏是一种常用的胶凝材料，在加气混凝土 中常用作发气过程的调节剂。石膏可以使制品强度大幅度增加，减少收缩，提高抗冻 性。 2 1 5 高硅质外掺科 高硅质外掺料是指主要成分为二氧化硅的原料，分为非晶态及晶态两种。 2 1 5 1 非晶态硅质外掺料 ( 1 ) 硅灰 取自上海沪江铁合金厂，使用盐酸蒸干重量法测定其二氧化硅含量为9 3 9 7 。 ( 2 ) 锆渣 锆渣取自江苏宜兴新兴锆业有限公司，是以锆英石为原料，一酸一碱法工艺生产 氧氯化锆所形成的工业废渣，为松软团聚状的凝胶体，外观呈浅黄色，水浸后溶液呈 酸性，p h 值小于l ，主要化学组成为活性较高的二氧化硅及氯离子。含水量约为 7 7 5 2 ，氯离子含量为9 2 5 ，二氧化硅含量为1 8 3 5 。由于锆渣在中在烘干的过 程，较多的氯离子中以h c l 的形式挥发，因此，测量的固含量值偏低。 ( 3 ) 洗净锆渣 洗净锆渣是锆渣经过水洗处理后形成的，其含水量为8 8 3 ，烘干后其二氧化硅 含量为8 3 0 9 。 2 1 5 2 晶态硅质外掺料 石英砂 石英砂为玻璃制造工业选矿筛选后的所得粒度小于o 1 2 5 r a m 的白色尾沙，通过 球磨处理。使用盐酸蒸干重量法测定其二氧化硅含量为9 8 1 0 。 2 1 6 外加剂 ( 1 ) 氯化镁 上海振欣试剂厂生产。分析纯 ( 2 ) 氯化钙 广东汕头西陇化工厂生产。分析纯 ( 3 ) 硫酸钠 国药集团化学试剂厂生产。分析纯 ( 4 ) 减水剂 氨基磺酸系减水剂，自制 2 2 实验设备 ( 1 ) 球磨机 南京大学生产，型号q m i s p 。主要用于物料的磨细。 ( 2 ) 振动磨样机 硕士论文 粉煤灰承重加气混凝土的制备与应用研究 武汉探矿机械厂生产，型号为x z m l 0 0 。主要用于原料的粉磨加工。 ( 3 ) 反应釜 山东烟台牟平曙光精密仪器厂生产，型号k c f 1 0 。主要用于加气混凝土坯体的 养护，使之在高温高压蒸汽中反应，生成成分稳定，强度高的水化产物。 ( 4 ) 干燥箱 上海实验仪器厂生产，型号1 0 1 - 2 。主要用于加气混凝土在浇注静停阶段的中恒 温养护和蒸压养护后测量绝干容重时加热烘干。 ( 5 ) 水泥胶砂搅拌机 无锡建仪仪器厂，型号j j 5 。主要用于物料混合时的搅拌。 ( 6 ) 快速磨 。 吉安陶瓷试验设备厂生产。 ( 6 ) 其他工具 天平、铲子、模具等。 2 3 测试方法 2 3 1 抗压强度测试 实验使用的是深圳新三思材料检测有限公司生产的c m t 5 1 0 5 型微机控制电子万 能试验机来测定试块的抗压强度。 抗压强度实验按g b l l 9 7 1 - 9 7 加气砼力学性能试验方法所述的方法，将试块 放在万能试验机下压板上的中心位置，试块的受压方向垂直于制品的发气方向；以 8 0 0 n s 的速度均匀加载，试块破