大掺量粉煤灰混凝土保温性能试验研究

大掺量粉煤灰混凝土保温性能试验研究

童慧芝 1 蔡越 2

1 浙江同济科技职业学院，浙江省杭州市 311231

2浙江祥生建设工程有限公司，浙江省杭州市 311231

摘要：本文研究了粉煤灰掺量对混凝土保温性能的影响，使用扫描电镜来评价混凝土微观结构，采用瞬态平面热源技术来评价混凝土及原材料的保温性能。试验结果显示，粉煤灰掺量对混凝土的微观结构产生较大影响，并较大程度降低了热传导性能，适用于结构保温的应用场景，减少热桥效应。

前言

粉煤灰是混凝土重要的掺合料之一，在混凝土中的掺量可以做到50%以上。粉煤灰是火力发电的副产品，大部分是球状的光滑玻璃体，掺入混凝土可以减少水用量，封闭连通孔并进一步水化形成胶凝体系，有效提高混凝土的物理力学性能和耐久性能。大掺量粉煤灰混凝土的缺点在于粉煤灰较低的活性，延缓了混凝土的水化进程，延长了混凝土凝结硬化的时间，降低了混凝土早期强度，进一步影响着工期。不少学者研究了掺入Ca(OH)²或快硬水泥以改善早期性能，效果并不显著^[1]。

另一方面，大部分的研究围绕混凝土的物理力学性能和耐久性能，很少有人研究大掺量混凝土的保温隔热性能，而粉煤灰的密度通常在1.0-2.4g/cm³之间，比水泥密度3-3.15g/cm³小多了，粉煤灰颗粒光滑球形也减少了用水量和混凝土的连通孔，使得混凝土更为致密而多封闭孔，从热的传递角度来说，降低了对流和传导，提升了保温隔热性能。Demirboga、Gul等人从大掺量粉煤灰混凝土组分的角度，以及热线法等方法来判断混凝土的导热系数^[2-4]。

考虑到上述的研究现状，本文研究实际使用环境下掺石灰石的大掺量粉煤灰混凝土的微观性能，探索不同粉煤灰掺量对保温性能的影响，并采用瞬态平面热源技术考察混凝土及原材料的保温性能，采用扫描电镜观察其微观结构以推进理论分析。

1.试验

1.1原材料和配合比

本文采用的水泥为硅酸盐水泥，强度等级42.5，粉煤灰采用C类Ⅰ级，石灰石采用“SHS-1”型nano-CaCO₃，公称粒径为40-110nm之间，采用聚羧酸盐系产品作为高效减水剂。扫描电镜观察采用水泥靖江，水胶比为0.3，较小的水胶比使得内部结构更为紧密，使得扫描电镜的微观镜头内容更丰富，以更为直观比较掺和不掺复合料混凝土的微观结构。研究不同粉煤灰掺量对保温性能的影响，则采用的水胶比为0.50，粉煤灰掺量分别为0%、15%、30%、45%、60%和75%。制作边长为100mm的立方体，养护温度25±1 ℃，湿度100%，每个品 种两个试块。考虑到粉煤灰延缓了水化凝结的速度，在讨论保温性能影响时，测试龄期为6个月，这样处理大部分水泥和粉煤灰完成了水化过程，可以避免龄期对混凝土强度和内部结构的影响，试验结果更为客观。

1.2试验方法

采用Silas Gustafsson教授的瞬态平面热源技术来测定材料的导热性能。瞬态平面热源技术是使用热阻材料做成一个平面探头，同时作为热源和温度传感器，由于镍的热阻系数呈线性关系，那么通过了解电阻的变化就可以即时知道热量的损失。根据文献[5,6]进行试件准备及测定。为了避免表面砂浆析出对混凝土导热系数的影响，试验时将混凝土从中部切断，将此切割面作为热工性质测试表面。

2.混凝土物理力学性能测试

同配合比制作力学性能测试试块，表征大掺量粉煤灰对混凝土力学性能的影响。从上图可见，粉煤灰掺量和强度基本成正比关系。

3.扫描电镜评价分析

上图(a)为基准配合比下水泥浆胶凝体的微观电镜照片，由于基准配合比不掺粉煤灰和石灰微粉，其电镜照片中存在较多的片状Ca(OH)2晶体，钙矾石晶体成型也在早期，而掺入石灰石和粉煤灰的混凝土中则出现了较多的针状晶体，还有颗粒较为圆润的晶体，应该是粉煤灰颗粒表面与水泥反应产生的胶凝产物。可见，掺入粉煤灰和石灰石微粒的混凝土的微观结构更为致密，连通孔更小，孔隙率更低了。

3.瞬态平面热源技术考察保温性能

使用瞬态平面热源技术测定了不同掺量粉煤灰的导热系数如图所示，可见，粉煤灰掺量越大，导热系数越低。尤其当掺量达到50%以上时，混凝土的导热系数有一个明显下降趋势，相较于对照组为2倍的关系。当然，总体来说，导热系数的离散性不大，分布在1.4-2.1W/m.K之间，而传统意义上的保温材料，如保温砂浆导热系数为0.08、聚氨酯0.024，粉煤灰陶粒混凝土为0.95等等，均在1以下。这是因为大掺量粉煤灰是作为胶凝材料提升混凝土的保温性能，但毕竟骨料密度大，占比重，混凝土的保温性能或许跟骨料类型更为敏感一些，当骨料为陶粒、煤矸石、炉渣时，导热系数降到了0.7左右。

4结论

通过使用扫描电镜分析微观水泥石结构，探讨石灰石和粉煤灰对水泥石内部结构的影响机理，相对于普通混凝土，大掺量粉煤灰混凝土水泥石结构更为致密，水化更为完全。

通过研究不同掺量粉煤灰对混凝土保温性能的影响，得出了可以使用瞬态热源技术来考察常温下混凝土材料的导热系数。大掺量粉煤灰的掺入可以一定程度上提高混凝土的保温性能，可以应用于无法掺入轻质骨料而对混凝土的强度有较高要求的场景，比如结构保温外墙和结构保温屋面等处，可以降低传统混凝土结构导热系数较大引起的热桥影响。

[1] Dale P. Bentz, Taijiro Sato, Igor de la Varga, W. Jason Weiss. Fine limestone additions to regulate setting in high volume fly ash mixtures [J]. Cement & Concrete Composites, 2012, 34: 11-17.

[2] Mehta P K. High-performance, high-volume fly ash concrete for sustainable development [A]. International Workshop on Sustainable Development and Concrete Technology, 2008.

[3] 徐国强,刘娟红,乔兰,杨柳.双掺石灰石粉和粉煤灰绿色高性能混凝土研究[J].武汉理工大学学报,2010,32(21):22-26.

[4] 孟涛,钱匡亮,钱晓倩,詹树林.纳米碳酸钙颗粒对水泥水化性能和界面性质的影响. 稀有金属材料与工程,2008,37(增刊2):667-669.

[5] Gurney L., Bentz, D. P., Sato T., Weiss W. J. Using limestone to reduce set retardation in high volume fly ash mixtures: improving constructability for sustainability [J]

[6] T.Log, S.E.Gustafsson. Transient plane source(TPS) technique for measuring thermal transport properties of building materials. Fire and Materials, Vol.19, 43-49,1995.

浙江省水利科技计划项目（题目：粉煤灰绿色混凝土(HVFAC)的性能及适用性研究；编号：RC1956）