（材料学专业论文）免蒸压粉煤灰轻质墙体材料的试验研究.pdf

论文题目：免蒸压粉煤灰轻质墙体材料的试验研究 专业：材料学 硕士生：杨永 指导教师：王晓利 摘要 y ( 签名) 滏釉蝴 l 随着国家建筑节能政策法规的实施，在实现建筑节能过程中，建筑材料扮演着一个 至关重要的角色。就墙体材料而言，粉煤灰加气混凝土材料以它突出的轻质、利废、保 温、节能的优点日益成为人们研究的重点。目前粉煤灰加气混凝土材料单纯利用其结构 本身的微孔结构起到保温隔热作用，要想达到更加轻质、保温的目的，就要增加气孔率， 这将影响材料的强度性能：粉煤灰加气混凝土材料的生产工艺大都采用高温蒸压养护， 养护过程耗能多，不利于节能，这些都制约了其应用。为实现未来的墙体材料发展目标， 研制开发免蒸压粉煤灰轻质墙体材料显得尤为必要。 本文在免蒸压生产工艺条件下，采用粉煤灰、水泥、石灰、石膏、膨胀珍珠岩为原 材料，通过实验研究了原材料和水胶比及外加剂等因素对粉煤灰轻质墙体材料性能的影 响，采用正交实验方法，借助正交实验结果分析，得出膨胀珍珠岩和粉煤灰的掺量是影 响免蒸压粉煤灰轻质墙体材料性能的主要因素。其中，对于制品的干体积密度，珍珠岩 的掺量影响特别显著，粉煤灰的掺量有一定的影响；对于2 8 d 抗压强度，珍珠岩的掺量 影响特别显著，粉煤灰的掺量影响显著；石灰和石膏的掺量对制品性能影响较小。最终 得出符合5 0 0 级粉煤灰加气砼砌块相关性能要求的免蒸压粉煤灰轻质墙体材料的最佳配 合比为：粉煤灰5 5 ，石灰1 6 ，珍珠岩6 ，石膏4 ，水泥1 9 。 本文研究了免蒸压粉煤灰轻质墙体材料生产工艺。通过实验发现，在免蒸压生产工 艺条件下，粉煤灰激发剂的使用及拌入方法、料浆搅拌的投料顺序、料浆发气速度与稠 化速度的协调、料浆的浇注温度等对制品最终性能均有一定影响。另一方面，本文对免 蒸压粉煤灰轻质墙体材料的反应机理和粉煤灰活性激发机理进行了初步探讨。 本实验研究在免蒸压生产工艺条件下生产出新型粉煤灰墙体材料，节约了生产设备 投资，降低了能耗，不仅能实现粉煤灰的资源化，还可为墙体材料的改革提供一种新的 途径，具有较好的经济效益和社会效益。 关键词：粉煤灰；免蒸压；墙体材料；轻质；节能；正交实验 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：t h ee x p e r i m e n tr e s e a r c ho f t h en o n a u t o c l a v e df l y a s h l i g h tw a l lm a t e r i a l s p e c i a l t y ：m a t e r i a l s s c i e n c e n a m e ：y a n gy o n g i n s t r u c t o r ：w a n g x i a o l i a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ) w i mt h ei m p l e m e n to ft h el a w so ft h es a v i n g - e n e r g yo nt h en a t i o n a lc o n s t r u c t i o n ，t h e b u i l d i n gm a t e r i a l sp l a ya ne x t r a o r d i n a r yi m p o r t a n tr o l ei nt h ep r o c e s so fc a r r y i n go u tt h i sp l a n i nr e g a r dt ot h ew a l lm a t e r i a l s ，t h ep r e s e n ta u t o c l a v e df l y - a s ha e r a t e dc o n c r e t ei san o t i c e a b l e o n eb e c a u s eo fi t so u t s t a n d i n gm e r i t ss u c ha sl i g h tw e i g h t ，u s i n gw a s t e ，h e a tp r e s e r v a t i o na n d s a v i n ge n e r g y b u tt h ep r e s e n ta u t o c l a v e df l y a s ha e r a t e dc o n c r e t ec a np r e s e r v eh e a to n l yb y m i c r o p o r ei ni t sb o d y ，a n dt h ee f f e c to ft h i sk i n do fw a l lm a t e r i a li so f t e nb a d ；i no r d e rt o d e c r e a s ei t sw e i g h ta n dt os t r e n g t h e nt h ep e r f o r m a n c eo fh e a tp r e s e r v a t i o n ，i t sm i c r o p o r e p e r c e n t a g ew i l lb ei n c r e a s e d ，w h i l ei t si n t e n s i t yw i l lb ew e a k e n o nt h eo t h e rh a n d ，t h e p r e s e n ta u t o c l a v e df l y a s ha e r a t e dc o n c r e t ew a sp r o d u c e di nt h ec o n d i t i o no f a u t o c l a v e d t h e p r o c e s si sc o m p l e xa n di tw i l lu s eal o to fe n e r g y t h e s ea r et h ec h e c k si ni t sa p p l y i n g i n o r d e rt oa c h i e v et h et a r g e to ft h ef u t u r ew a l lm a t e r i a l ，i ti sn e c e s s a r yt or e s e a r c ha n d m a n u f a c t u r ean e w t y p en o n - a u t o c l a v e dl i g h tq u a l i t yw a l lm a t e r i a l i nt h i sp a p e r ，t h ee f f e c t so ff l ya s h ，c e m e n t ，l i m e ，g e s s o ，i n f l a t e dp e a r l i t e ，w cr a t i oa n d a d d i t i o n a la g e n to nn o n - a u t o c l a v e df l ya s hl i g h tq u a l i t yw a l lm a t e r i a lw e r es t u d i e db y e x p e r i m e n t si nt h et e c h n o l o g yo fn o n a u t o c l a v e dc o n d i t i o n s i tc o n c l u d e dt h a tt h ei n f l a t e d p e a r l i t ea n df l ya s ha r em a i nf a c t o r st h a ta f f e c tt h ep r o p e r t yo fn o n - a u t o c l a v e df l ya s hl i g h t q u a l i t yw a l lm a t e r i a lb yo r t h o g o n a le x p e r i m e n tr e s u l t s a n dt h ea m o u n to fi n f l a t e dp e a r l i t e a f f e c to b s e r v a b l yt h e2 8 t hi n t e n s i t yo fp r e s s u r eo fn o n - a u t o c l a v e df l ya s hl i g h tq u a l i t yw a l l m a t e r i a l ，t h ea m o u n to ff l ya s ha f f e c tm a i n l yi ta n dt h ea m o u n to fl i m ea n dg e s s oh a v eal i t t l e e f f e c to ni t a tl a s t ，t h eb e s tc o m b i n a t i o nr a t i ow h i c he q u a lt of l ya s ha e r a t e dc o n c r e t eb l o c k w h o s ed e n s i t yv a r i e sf r o m4 51 k g m 3t o5 5 0 k g m 3o fn o n - a u t o c l a v e df l ya s hl i g h tq u a l i t yw a l l m a t e r i a li sf l ya s ha c c o u n tf o r5 5 ，l i m ea c c o u n tf o r16 ，i n f l a t e dp e a r l i t ea c c o u n tf o r6 ， g e s s oa c c o u n tf o r4 ，c e m e n ta c c o u n t f o r19 ，w h i c hw a so b t a i n e db ye x p e r i m e n t i nt h i sr e s e a r c h ，t h ep r o d u c t i o nc r a f to fp r o d u c t sw a ss t u d i e d t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t s ， i ti so b v i o u st h a ts o m ef a c t o r sh a v ee f f e c to nt h ep r o p e r t yo fn o n - a u t o c l a v e df l ya s hl i g h t q u a l i t yw a l lm a t e r i a li ns o m ed e g r e e ，s u c ha st h ea m o u n ta n dt h ew a yo fu s i n gf l ya s h a c t i v a t i o na g e n t ，t h es e q u e n c eo fc o m m i x i n gt h es l u r r y ，t h es p e e do fp r o d u c i n gg a sa n d c o n c r e t i n gi nt h es l u r r yi se q u a lo rn o t ，t h et e m p e r a t u r eo ft h es l u r r ya n ds oo n o nt h eo t h e r h a n d ，t h er e s e a r c hc a r r yo nt h ef i r s ts t e ps t u d yo nt h em e c h a n i s mo ft h ec h e m i c a lr e a c t i o n b e t w e e nn o n - a u t o c l a v e df l ya s hl i g h tq u a l i t yw a l lm a t e r i a l sc o m p o n e n t sw i t hw a t e ra n dt h e m e c h a n i s ma b o u th o wt oi n s p i r en ya s ha c t i v i t y i nt h i se x p e r i m e n t ，an e wk i n do ff l ya s hw a l lm a t e r i a lw a sp r o d u c e di nt h ec r a f to f n o n - a u t o c l a v e dc o n d i t i o n i nt h i s c o n d i t i o n ，t h ep r o d u c t i o nc a ns a v et h ee q u i p m e n t s i n v e s t m e n t ，r e d u c et h ec o n s u m eo fe n e r g y n o n - a u t o c l a v e df l ya s hl i g h tq 砌i t yw a l lm a t e r i a l n o to n l yb e c o m e f l ya s hi n t or e s o u r c e s ，b u ta l s op r o v i d ean e w k i n do fb u i l d i n gm a t e r i a l sf o r t h ei n n o v a t i o no fw a l lm a t e r i a l s ，w h i c hh a sg o o de c o n o m ya n ds o c i e t yb e n e f i t s k e yw o r d s ：f l y a s hn o n - a u t o c l a v e d w a l lm a t e r i a l l i g h tw e i g h t e n e r g y - s a v i n go r t h o g o n a le x p e r i m e n t t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 要料技太学 学位论文独创性说明 92 3 0 0 9 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：日期： 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：指导教师签名：互t 以分1 一 每仝其，o e l l 绪论 1 绪论 1 1 引言 人类的现代文明依赖于能源、信息和材料三大支柱。能源是一种宝贵的自然资源， 无论是人的生存和社会的发展都离不开充足的能源供应。 能源问题是当前世界各国普遍重视的问题，被列为人类面临的四大生存问题之一【l 】。 而随着工业文明的快速发展，地球上可被人类利用的石油、煤炭等资源正在日渐枯竭， 对于人类而言能源危机总的趋势不可避免。自上个世纪7 0 年代世界性能源危机发生以 来，人类已逐渐的认识到无节制的使用能源，必然加剧能源危机程度，最终自毁人类生 存的环境。由于受科学技术发展水平的制约，人类开发能够从根本上解决能源危机的新 能源尚需时日，所以如何高效的节能就成为了当前解决问题的关键。 工业、交通、建筑是能源消费的三大领域，一般而言，国家越发达，交通和建筑消 费的能源比例就越高。其中建筑行业是一个耗能大户，一方面各种建筑材料的生产过程 需要消耗大量的能源，另一方面，为了在建筑物的内部创造一个适合人们生活、生产和 活动的环境，建筑物在使用过程中还将不断的消耗能源。由于建筑物的使用寿命至少5 0 年，所以建筑在长期使用过程中的能源消耗比建筑材料的生产能耗更可观。 据北美和欧洲发达国家的统计，建筑能耗要占社会总能耗的3 0 4 0 以上1 2 ，见 图1 1 。根据我国建设部的统计，1 9 9 9 年我国建筑用商品能源消耗共计3 7 6 亿t 标准煤， 而当年能源消耗总量为1 3 6 亿t 标准煤，建筑用能占全社会终端能源消费量的2 7 6 ， 随着社会的不断发展，这一比例将不断提高。 4 l l l l l l l l 厶酲-l虬lli芏t业、,11,lll 厶ll l 业 l 卜l l 卜卜l 卜l ( 2 1 溅l l l l l 【= 、b 、 l l l l l l 仑k l l 、 1 0 6 0 亿二匕e 仝 )二苣 l l l l l l ，= = l l l lk 兰三三三 l l l 上- 一= = = = = l l 三= = = = = = = = = 甚i 聚“7 衫匀建筑物：2 0 8 17 9 0 运输：亿j 建巩别： ( 3 6 3 ) l ( 4 2 2 ) 6 0 0 亿 5 0 0 亿 4 0 0 亿 3 0 0 亿 2 0 0 亿 i 0 0 亿 0 亿 图1 1 美国能源消耗比例 圈国圉国 网黝闺空调历励励搦沥励朦豳采暖 西安科技大学硕士学位论文 我国是能源相对缺乏的国家，随着经济建设的高速发展，能源短缺己经成为了制约 国民经济发展的重要因素，在1 9 9 0 1 9 9 5 年五年间，我国国内生产总值平均年增长率为 1 2 ，而一次商品能源平均年增长率为3 6 。我国民生领域能源消耗巨大，其中建筑能 耗在我国的总能耗中占有较大的比重，约为百分之三十左右。近些年我国的城乡建筑发 展迅速，每年建成的住宅面积，城镇已达4 5 亿i n 2 ，农村达到7 8 亿i n 2 ，全国每年 建成的房屋建筑面积达到1 6 1 7 亿m 2 。现在全国城乡既有建筑面积已超过3 6 0 亿m 2 ， 但其中按采暖节能标准建造的只有1 3 亿m 2 ，只限于少数城市的居住建筑，而且与气候 条件相近的发达国家相比，我国居住建筑单位面积采暖能耗明显偏高，约为他们的3 倍 左右。随着高能耗建筑冬季采暖与夏季空调使用的日益普遍，能源浪费必将更加严重。 “十五”期间，我国各地房屋年竣工面积达到1 5 2 0 亿m ? ，其中住宅约1 2 亿m ? 【3 】。消 耗的大量生产建筑材料年能耗1 6 亿t 标煤，占全国能源产量的1 3 左右；而在使用能 耗方面，目前采暖地域按国家政策规定只限于黄河以北的城镇、农村。采暖人口仅占全 国人口的1 4 ，每年采暖耗煤1 3 亿t 以上，占全国能源产量的1 0 1 l 。而黄河以 南地区居住着我国4 0 的人口，冬季寒冷，夏季酷热，人们生活质量不高，急需改善； 尽管国家政策规定不予采暖，但随着经济发展，人们生活水平提高，人们自行采用各种 方式进行采暖，采暖能耗还会进一步增加。另外，全球气候的转暖以及人们要求改善夏 天室内的环境，空调制冷已在全国普及。相同时间的空调能耗是采暖的3 倍，而在炎热 地区一年中空调时间往往超过北方采暖时间，到2 0 0 5 年，我国每年建筑能耗已达到全 国能源生产总量的2 5 3 0 ，如果不采取节能措施，实施越来越严格的建筑节能，建 筑业的发展迟早要受到能源、环境的制约。而且最近几年以及今后相当长的一段时间里， 我国的能源增长速度还会滞后于生产总值的增长速度，因此为了尽快解决能源短缺越来 越制约国民经济发展的局面，我国已将节约能源作为经济工作的一项长期任务，并将节 能问题列为我国经济建设的战略重点。为了解决可能出现的能源供应短缺问题，要加强 和提倡节约能源。 建筑节能，是指提高建筑物中的能源利用率，即采取积极有效的措施在建筑物中合 理的使用能源，有效地利用能源。我国的建筑节能工作已开展了二十多年，尤其近些年 随着建筑业的快速发展，国家更加大了在建筑领域可持续发展的力度。1 9 8 6 年国家颁布 民用建筑节能设计标准( 采暖居住建筑部分) 提出节能3 0 ，1 9 9 6 年又颁布了民用 建筑节能设计标准( 采暖居住建筑部分) ，提出节能5 0 ，2 0 0 2 年6 月建设部正式印发 了建设部建筑节能“十五”计划纲要，要求使新建筑在保持室内同样条件的前提下比 老建筑节省5 0 的能源。并采取了诸多措施，推动建筑节能工作的发展。由于建筑材料 及建筑保温材料是实现建筑节能的最基本的条件，我国加大在此方面的重视。在建筑物 的围护结构中，不论是商用建筑还是民用建筑，逐步推广使用轻质高效的玻璃棉、岩棉、 泡沫塑料等保温材料，以尽可能的降低建筑物的能耗。近年我国采暖地区的城镇新建采 2 l 绪论 暖住宅建筑面积逐年递增，按最少每年增加l 亿m 2 计算【4 】，若所有建筑都能达到国家 标准要求节能5 0 的指标，则每年可节约采暖用标准煤1 5 0 0 k t ，并可减少s 0 2 排放量 1 2 7 k t ，烟尘6 5 5 0 t 。事实证明，在建筑中广泛的使用性能优良的保温材料和科学的保温 技术，会取得良好的社会效益和经济效益。 建筑用能中，采暖和空调占的比例最大，约为6 5 【2 】。对于建筑物来说，节约采暖 能耗实际上是减少采暖供热量，为此就必须建筑物的传热损失和空气渗透热损失。而传 热损失和空气渗透热损失又与建筑的围护结构密切相关，尤其在我国北方采暖区域，建 筑物的传热损失主要是通过围护结构失去的，这其中经过外墙的传热损失约占全部热损 失的2 5 - - - 3 0 。同样道理，夏季使用空调能量损失的大小也与外墙围护结构有很大关 系。由此可见，加强外墙结构的保温隔热性能，是降低建筑节能的关键环节【5 】o 按照建筑节能的要求【3 】，墙体都要具有比较高的热阻( 或者说比较小的传热系数) ， 例如夏热冬暖地区要求外墙的传热系数在2 0 1 5 w ( m e k ) 左右，大致相当于2 4 0 - - ， 3 7 0 m m 厚度的实心粘土砖墙的传热系数。夏热冬冷地区要求外墙的传热系数在1 5 1 o w ( m 2 k ) 左右，寒冷地区和严寒地区要求还要高，住宅墙体的保温性能要求大致 相当于1 5 m 厚度的实心粘土砖墙的保温性能。显然依靠传统的墙体材料来满足建筑节 能的要求是不可能的。 在我国，一方面，传统墙体材料生产造成了土地损失、能源浪费和环境污染；另一 方面，我国工业生产中每年还要排放大量的工业废弃物，仅煤矸石、粉煤灰、炉渣等就 达2 亿多吨，历年堆积的工业废渣目前己达7 0 多亿吨，占地1 0 0 多万亩，不仅占用大 量土地，而且严重污染环境，成为突出的环境隐患。以这些工业废渣为原料制作新型墙 体材料就是一件利国利民、一举多得的好事。大力发展新型墙体材料以代替耗能高和毁 田、占地严重的实心黏土砖已经刻不容缓。 与粘土砖生产能耗相比，以工业废渣为原料生产的新型墙体材料的生产能耗可大幅 度降低，表1 1 及表1 2 分别是新型墙体材料与粘土砖生产能耗及产品密度对比表【6 】。 表1 1 新型墙体材料与粘土砖生产能耗对比 墙材类别 k g 标j ；g , m 3 粘土砖 新型墙体材料 1 1 4 3 l 从表1 1 及表1 2 中可以看出，新型墙体材料比粘土砖密度低、能耗少，具有明显 的优势。另一方面，新型墙体材料的优势除了节约土地和能源之外，还可以实现： ( 1 ) 资源可循环利用。新型墙体材料在生产过程中可利用煤研石、粉煤灰等工业 废渣，不仅解决了工业废渣的存放问题，而且实现了资源的可循环利用。 西安科技大学硕士学位论文 表1 2 新型墙体材料与粘土砖密度对比 名称密度( k g m 3 ) 粘土砖 普通混凝土砌块 轻质混凝土砌块 加气混凝土砌块 1 3 8 8 1 2 0 0 6 0 0 8 0 0 4 0 0 7 0 0 ( 2 ) 减少环境污染。实心粘土砖在烧制过程中会产生大量的对环境和人体有害的 气体，对生态环境和生存环境会造成极大污染，严重破坏了生态环境和人类的生存环境， 而新型墙体材料在生产过程中不会产生大量的有害气体，减少了污染，净化了人们生存 的环境。 ( 3 ) 提高住宅建设现代化水平。“禁实”和推广新型墙体材料，是建筑业的一场巨 大革命，它改变了传统施工工艺，提高了施工效率，改善了建筑功能，增加了使用面积， 加速了住宅产业现代化步伐。有些部门已经开展研究“禁实”后的新型墙体材料施工现场 装配工艺，不仅提高了施工过程中的现代化水平和建筑质量，而且大大地缩短了施工工 期，提高了工作效率。在“非典”肆虐时期，仅用了7 天时间建造的北京小汤山医院，设 计应用的就是新型墙体材料，改变传统的砌筑工艺，是加快工程建设速度的重要因素。 墙体材料是国民经济的重要组成部分，是建筑业的基础。随着国民经济的迅速发展 和大规模经济建设的开展，特别是人民大众居住水平的日益提高，对墙体材料的需求量 越来越大，如果将占建房材料8 0 的墙体材料采用新型墙体材料，则能够获得极大的社 会效益、经济效益和环境效益。“十五”期间新建住宅2 7 9 亿m 2 ，2 0 0 5 年 - 2 0 1 0 年将新建 住宅3 2 亿m 2 ，1 0 年期间的住宅建设总面积可望突破6 0 亿r n 2 。按“十五”期间新建住宅2 7 9 亿m 2 的建设任务分析墙体材料的使用量，按普通六层混合建筑使用砌块的用量估算，年 需求普通型砌块量约1 1 7 亿m 3 。新型墙体材料的种类比较多，用途比较广，迅猛发展的 建筑业，必将给其它种类的新型墙体材料提供很大的市场和发展空间，带来可观的社会 效益和经济效益。由此可见，我国高速发展的建筑业，为使用新型墙体材料提供了广阔 的市场前景。 为适应现代建筑框架结构和钢结构体系发展的需求，国内外相继出现了大量的新型 墙体材料。新型墙材泛指传统实心粘土砖以外的各类墙体材料，包括非实心粘土砖、建 筑砌块、轻型板材三大类，目前常用的有陶粒混凝土砌块、普通混凝土砌块、加气砼砌 块、灰砂砖、烧结页岩砖、烧结空心砖、粉煤灰砖、g p c 空心轻质隔墙条板等。生产这 些新型墙材所需的原料有建筑材料( 包括水泥、石灰、岩棉、耐碱玻璃纤维、聚苯乙烯 泡沫塑料、钢材等) 、非金属矿物材料( 有煤矸石、页岩、各种陶粒、膨胀珍珠岩、浮岩、 石膏、建筑用砂石、火山碴等) 、工业废碴( 有粉煤灰、炉碴等) 。 4 1 绪论 在应用上，传统的粘土砖，一方面要大量浪费土地资源，另一方面保温性能也不尽 人意，很难满足当今社会对建筑结构要求节能5 0 的要求，即使要达到这个要求，其墙 体的厚度也必将成倍的增加，如沈阳地区建筑墙厚要达到8 9 0 m m 才能达到这一标准， 也就是现在的墙体( 3 7 0 m m ) 的2 4 倍( 7 1 ，这样红砖用量成倍增加，毁田能耗也成倍的增加。 框架结构虽然其墙体的填充可以用混凝土小砌块和粘土空心砖，但由于小砌块和粘土空 心砖自身保温性能不能满足节能5 0 的要求，还需要另外采用保温措施；同时，采用轻 集料混凝土小砌块，由于其缝隙并不能象现浇混凝土那样完全消失，因此也会造成能源 的浪费；而石棉制品主要使用在简易建筑上，从而使它们应用范围受到限制；新型纤维 混凝土及制品主要做空心条板，玻璃纤维的耐久性也存在问题，耐碱性很差，虽然价格 便宜，但是只能和低碱度硫铝酸盐水泥来配合使用，目前建筑使用的绝大多数是硅酸盐 水泥或者普通硅酸盐水泥，这样也使它的大量使用得到了限制，虽然玻璃纤维采用了抗 碱玻璃纤维，但实际耐久性很差，也遭到人们的怀疑；陶粒混凝土复合外墙板、木材类 水泥板都属于普通的水泥制品，保温性能有限，不能作为纯粹的保温材料来使用，在使 用的时候必须重新加保温层，这样就使得工程的造价提高，使它们的使用得到限制；灰 砂砖主要使用砂子、石灰高压蒸养，密度比较大，保温效果差；石膏及石膏制品只能作 为隔墙，强度较低、不能利废、原材料成本高、防水性能比较差。 为实现未来墙体材料轻质、保温，利废、环保的发展目标，粉煤灰加气混凝土以其 自身的容重小、孔隙率高、导热系数低、原材料成本低的优越性能受到越来越广泛的欢 迎，加气混凝土又是唯一可单独使用而不需要采用其它绝热材料进行复合就可满足建筑 墙体节能要求，即可用作外墙的墙体材料产品。因此，研究开发一种性能优良的加气混 凝土材料作为新型的墙体材料尤为必要。 1 2 加气混凝土砌块的应用发展历史及现状 1 2 1 国外加气混凝土砌块的应用现状【8 】 早在古罗马时代，人们就己将多孔石材用于寺院的墙壁和圆顶，以减轻建筑物的自 重。混凝土作为一种人造石材问世以后，国外学者们就力求在其中混入气泡以减轻其自 重。18 8 9 年，捷克人霍夫曼取得了用盐酸和碳酸钠通过化学反应产生气体以生产加气混 凝土的专利。1 9 1 9 年，德国柏林人格罗沙海用金属粉末作发气剂，生产出质量较高的加 气混凝土。1 9 2 3 年，瑞典人埃里克森取得了以铝粉为发气剂的生产技术并取得了专利。 这种发气剂产生气量大，所产生的氢气在水中溶解量小，故发气效率高，发气过程比较 容易控制，铝粉资源也比较丰富，从而为加气混凝土的大规模工业化生产提供了重要的 技术条件。此后，随着人们对加气混凝土工艺技术和生产设备的不断改进和创新，工业 化生产时机日益成熟，终于在19 2 9 首先在瑞典建成了世界上第一座加气混凝土厂，其产 西安科技大学硕士学位论文 品很快在瑞典及北欧气候寒冷地区得到广泛应用，被誉为“建筑物的寒衣”。 现在世界上己有4 0 多个国家生产加气混凝土，遍布寒带、温带和热带，尤以德国、 俄国、波兰、瑞典、日本最为发达。但是，在国外生产加气混凝土多以磨细砂为硅质原 料，这是因为这些国家以煤为燃料的电厂极少，有的国家即使有燃煤电厂，其粉煤灰并 非废料，而有比生产加气混凝土更大的价值，唯有波兰和俄罗斯等因煤产量高、燃煤电 厂很多的国家才以粉煤灰作为加气混凝土的主要原料。其中，波兰粉煤灰加气混凝土工 业最为发达，年产量达1 5 0 万m 3 以上，他们创造了自己独特的适于粉煤灰加气混凝土生 产工艺技术和成套设备，其专利名称统称为乌尼泊尔( u n i p o l ) 。波兰的粉煤灰加气混 凝土工厂始建于1 9 6 2 年，在吸收消化了德国和瑞典的以砂子为硅质原料的加气混凝土生 产技术的基础上，通过创新形成了自己独特的专利技术，其产品在工业与民用建筑中广 泛使用，为全世界特别是为我国加气混凝土工业的发展起到了示范作用。 目前，欧美国家新型的墙体材料约占墙体材料总量的9 5 左右，国外墙体材料发展 相当迅速。美国、日本、加拿大、法国、德国、俄罗斯等国，在生产与应用加气混凝土 砌块方面处于世界领先地位。在美国和日本，建筑砌块已成为墙体材料的主要产品，分 别占墙体材料总量的3 4 和3 3 。欧洲国家中，混凝土砌块的用量占墙体材料的比例约 在1 0 - - 3 0 之间。各种规格、式样、品种、颜色的砌块应有尽有，并制定了完善的混 凝土砌块产品标准、应用标准和施工规范等。 俄罗斯是加气混凝土产量和用量最大的国家，其次是德国、日本和一些东欧国家。 加气混凝土的性能进一步向轻质、高强、多功能方向发展。在原料方面，加大了对粉煤 灰、炉渣、工业废石膏、废石英砂和高效发泡剂的利用。通过采用新技术、新工艺和高 强水泥，提高了加气混凝土的强度，降低了密度。法国、瑞典和芬兰已将体积密度小于 3 0 0 k g m 3 1 筝j 产品投入市场，产品具有较低的吸水率和较好的保温性能。 1 2 2 我国加气混凝土砌块的应用现状 1 9 5 8 年，原建工部建筑科学院开始研究以粉煤灰为原料的加气混凝土生产技术， 1 9 6 2 年起，该院与北京市有关单位合作进行了中间试验，研制了少量加气混凝土制儡。 19 6 5 年，原国家建筑材料工业部主持引进瑞典西波列克斯( s p o r e x ) 加气混凝土专利 技术和成套技术设备，并于1 9 6 7 年建成了以水泥一矿渣一砂为主要原料的北京加气混凝 土厂。该厂虽然不是以粉煤灰为主要原料，但是由于其产品在广泛应用的过程中充分体 现了优越的技术经济特性，在社会上为加气混凝土树立了良好的声誉，为粉煤灰加气混 凝土在中国的发展打开了通道。加之，粉煤灰加气混凝土和矿渣一砂加气混凝土虽然原 料不同，但是反应机理、工艺条件和生产装备等都是基本相通的，因此瑞典西波列克斯 ( s i p o i 冱x ) 技术对我国粉煤灰加气混凝土工业的发展起到了示范作用。1 9 7 4 年，当时 的国家建委系统的辽宁工业建筑设计院( 原名东北工业建筑设计院，现名中国建筑东北 6 1 绪论 设计院) 设计了中国独特的翻转切割机及其相关的成套加气混凝土技术装备，并与哈尔 滨加气混凝土厂合作进行了试制和试生产，经当时的国家建筑材料工业部进行技术鉴定 后，由陕西玻璃纤维机械制造厂( 生产切割机组及相关设备) 和常州建材机械厂( 生产 蒸压釜及相关设备) 进行批量生产，为我国粉煤灰加气混凝土的发展创造了技术装备条 件。1 9 8 0 年，利用上述国产成套技术装备建设的我国第一家大型粉煤灰加气混凝厂一武 汉市硅酸盐制品厂加气混凝土车间建成投产，该厂设计年产量1 0 万n 1 3 ，在工厂没有扩建， 只对原设备进行技改挖潜的情况下，1 9 9 9 年年产量达至1 j 2 3 万m 3 ，说明原设计是成功的。 该厂投产2 0 多年来，不仅处理了大量武汉青山电厂的湿排粉煤灰，为武汉市的城市建设 提供了一种轻质高强的新型建筑材料，而且连年盈利，成为武汉市的明星企业，向社会 展示了粉煤灰加气混凝土工业的蓬勃生命力。为了进一步提高我国粉煤灰加气混凝土工 业的技术水品，学习国外的先进生产技术和先进应用经验，1 9 8 1 年，由当时的国家建筑 材料工业部主持在北京市、杭州市、齐齐哈尔市引进波兰乌尼泊尔( u n i p o l ) 技术建成 了三个大型粉煤灰加气混凝土厂，将我国加气混凝土工业的发展推向了一个新的高度。 在发展生产技术、扩大生产的同时，我国大力开展了产品应用技术的研究工作，建成了 许多实验性建筑，制定了设计施工规范，为产品的推广应用提供了强有力的技术支持。 对于粉煤灰加气混凝土材料性能的研究，从2 0 世纪5 0 年代开始，当时的建工部建筑科学 研究院和北京市建筑材料科学研究所，后来的河南建筑材料工程科学研究所和中国建筑 材料科学研究院都进行了系统的工作，制定和多次修订了产品标准，对粉煤灰加气混凝 土的发展起到了良好的指导作用。 目前，我国粉煤灰加气混凝土行业已经达到了相当大的规模，走在了世界的前列， 但是仍然具有很大的发展潜力。这是因为现在的发展很不平衡，除北京、武汉、兰州、 郑州、济南、南通、东莞等几个城市外，其他城市发展很慢，最能显示其保温性能的东 北地区近几年几乎处于停滞状态，而在广大农村则几乎是一片空白。而且即使是在发展 规模较大的城市，如北京等，粉煤灰加气混凝土的优越性也没有充分发挥。加气混凝土 是集承重和绝热为一身的多功能材料，根据目前国家的标准，唯有使用加气混凝土，才 能做到单一材料达标( 节能5 0 ) 的要求。而其他任何材料要做到节能5 0 ，必须进行复 合处理，如承重空心砖、混凝土小型空心砌块、钢筋混凝土现浇墙体等等，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。随着中国经济的迅速发展，国家对建筑质量和节能要求的不断提高，只要搞好粉煤 灰加气混凝土的科技创新，更有效地利用各种品质的粉煤灰，粉煤灰加气混凝土一定会 具有广阔的市场前景。 1 3 粉煤灰加气混凝土技术经济特点 9 1 粉煤灰加气混凝土具有一系列优点，主要是： 7 西安科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 重量轻 加气混凝土的主要特点就是重量轻，以轻取胜。加气混凝土的干体积密度一般为 4 0 0 - 7 0 0 k g m 3 ，相当于粘土砖的1 3 左右，普通水泥混凝土的1 5 左右，也低于一般轻 骨料混凝土及空心砌块，几种常用建筑材料的干体积密度见表1 3 。因而采用加气混凝 土作墙体屋面材料可以大大减轻建筑物自重，进而也就可以减少建筑物的地震力，减小 建筑物基础、梁、柱等结构尺寸，可以节约建筑材料和工程费用。 表1 3 几种常用建筑材料的干体积密度 ( 2 ) 优越的保温隔热性能 由于加气混凝土内部含有大量气泡和微孔，因而具有良好的绝热性能，常用建筑材 料绝热性能比较见表1 4 。干体积密度为4 0 0 - - 一7 0 0 k g m 3 的加气混凝土其导热系数通常 为0 0 9 - 0 1 7 w ( m k ) ，绝热能力为粘土砖的3 4 倍，为普通混凝土的4 - - 8 倍。实践 证明，我国北方地区用2 0 c m 厚的加气混凝土外墙，其保温效果与4 9 c m 的粘土砖墙相 当，从而增加了建筑物的使用面积，节约了采暖用煤。在炎热地区使用加气混凝土的意 义在于节约了夏季空调降温的能耗。 表1 4 几种常用建筑材料的干导热系数 ( 3 ) 具有可加工性 加气混凝土不用粗骨料，不仅可以在工厂内生产出多种规格，还可以像木材一样进 行锯、刨、钻、钉，因而能在使用现场根据实际需要进行再加工，十分方便。 ( 4 ) 吃灰量大，利废率高 一般粉煤灰加气混凝土原料配方中，粉煤灰用量为6 0 ，最高可达到7 5 8 0 ， 可大量消化粉煤灰、煤矸石、电石渣、废砖头等工业废料，可以有效地实现粉煤灰的综 合利用，有利于治理环境。 ( 5 ) 符合可持续发展的基本要求 根据现代企业的要求，环保、能耗和效率是一种产品能否可持续发展的关键因素。 粉煤灰加气混凝土在生产中有如下基本特点：一是主要加工过程都是在掺水的状态下进 8 1 绪论 行的，没有粉尘飞扬，更没有有害物质排出，对环境不造成污染；二是生产效率高，我 国目前一个中等规模的加气混凝土厂，人均实物劳效可达6 0 0 m 3 ( ) k 。年) ，比同样规模的 砖厂高2 - - , 3 倍，而现代化的加气混凝土厂，人均实物劳效可达2 0 0 0m 3 o k 年) ；三是 生产耗能较低，可实现节能目的。表1 5 为加气混凝土与烧结砖制造能耗对比图。 表1 5 加气混凝土与烧结砖制造能耗比较 ( 6 ) 经济效益好 由于上列优势，粉煤灰加气混凝土市场广阔，产品畅销。目前，国内主要粉煤灰加 气混凝土生产企业经营效益较好。 1 4 研究课题的提出及本文的研究内容、意义 1 4 1 研究课题的提出 建材工业“十五”规划和墙体材料革新“十五”规划是指导我国建筑材料业特 别是墙体材料业发展方向的纲领性文件。“适应建筑结构体系的发展、建筑节能与建筑 功能的改善的要求，大力发展新型墙体材料”是建材工业“十五”规划对墙体材料工 业指明的方向，在墙体材料革新“十五”规划中，明确要求“积极发展利用当地资源、 低能耗、低污染、高性能、高强度、多功能、系列化、能够提高施工效率的新型墙体材 料产品。” 在所有墙体材料产品中，加气混凝土是唯一可单独使用而不需要采用绝热材料用作 外墙的墙体材料产品。加气混凝土容重小、孔隙率高、导热系数低，用加气混凝土砌块 建造的2 0 0 m m 厚的外墙，其保温效果相当于4 9 0 m m 厚的粘土砖外墙【5 1 ，表明其可以直 接用来保温。另外，为达到在生产新型墙体材料过程中实现保护环境、节约能源、有效 利用工业废料作为原材料的目的，以工业废渣粉煤灰为主要原料的粉煤灰加气混凝土节 能墙体材料近年来许多专家进行了大量的研究。然而，传统的粉煤灰加气混凝土材料主 要依赖于材料本身的微孔结构起到保温隔热的作用，保温效果不是十分理想，难于达到 国家未来建筑节能的相关要求；先期研究人员对粉煤灰加气混凝土材料的研究都是采用 9 西安科技大学硕士学位论文 高温蒸压养护生产工艺，此种工艺需要高压釜和蒸汽锅炉等大型设备，建厂投资大，高 温蒸压养护产品耗能多，生长成本高。如何从加气混凝土材料本身性能上提高此类材料 的保温性能，实现建筑节能；同时改进传统的生产工艺，使在材料的制备过程中耗能最 少，实现生产节能，引起了广大建材专家的充分的关注。本文在对粉煤灰加气混凝土材 料进行了较细致的研究的同时，查阅有关文献资料 1 0 - - - 1 7 采用不同养护工艺生产粉 煤灰制品的方法，借鉴近年来在对于大掺量粉煤灰混凝土的研究中，粉煤灰混凝土的养 护采用自然养护工艺的经验，本研究实验为实现未来的墙体材料达到轻质、利废、节能 的发展目标，采用免蒸压的生产工艺，寻求一种新型的粉煤灰轻质墙体材料的制备方法。 1 4 2 本文的研究内容 ( 1 ) 分析研究免蒸压粉煤灰轻质墙体材料各组成原材料对制品性能的影响，采用正交 实验方法确定最优配合比； ( 2 ) 研究外加剂对免蒸压粉煤灰轻质墙体材料的强度的影响情况，利用外加剂改善免 蒸压粉煤灰轻质墙体材料的强度，解决制品强度质量问题； ( 4 ) 本课题的粉煤灰材料采用兔蒸压自然养护生产工艺，研究在此生产工艺条件下如 何保证制品的强度； ( 5 ) 初步研究、探讨免蒸压粉煤灰轻质墙体材料的反应机理与外加剂对粉煤灰活性的 激发原理。 1 4 3 本文的研究意义 ( 1 ) 本研究制备一种新型的粉煤灰墙体材料，力争为有效地处理工业废渣粉煤灰找到 新的途径； ( 2 ) 本文通过利用粉煤灰复合激发技术，有效地激发了材料的活性，改善了粉煤灰制 品的强度性能，为粉煤灰材料向高强方向发展奠定基础； (