轻质高强泡沫混凝土的制备与增强机理研究

论文总字数：35156字

摘 要

随着世界能源的不断消耗，人们对于节能环保的重要性关注密切。为了缓解能源紧张的局面，建筑节能成为近年来建筑发展中的一个主流趋势。目前，建筑节能保温材料仍以有机保温材料为主，但有机保温材料的易燃性使其推广受到限制。无机泡沫混凝土是一种具有独立封闭气孔结构的高孔隙率保温材料，集轻质、保温、耐火及节能为一体,绿色环保，能够完美避免由有机保温材料的易燃性带来的建筑安全隐患。然而，目前用于建筑保温的泡沫混凝土强度偏低，尤其是A07密度等级下的抗压强度普遍低于5.00MPa，这给搬运过程、施工进程以及施工后的性能带来诸多隐患。因此，本文通过植物发泡剂发泡法制备了一种A07密度等级下抗压强度达5.82MPa的泡沫混凝土，并揭示了其增强机理，建立了强度预测模型。

首先，研究了矿物掺合料组分和泡沫掺量对泡沫混凝土抗压强度、干密度和导热系数的影响。结果表明：泡沫掺量一定时，通过提高硅灰的掺量、降低粉煤灰的比例，干密度保持在稳定水平，抗压强度随之降低，导热系数升高；泡沫掺量的提高使得泡沫混凝土的密度降低，抗压强度和导热系数均降低。另外，根据测试结果，混凝土浆体的稠度系数控制在10 Pasⁿ左右时表现较优。

其次，利用纳米压痕仪、XCT、压汞仪等技术手段分别研究了泡沫混凝土不同配合比的基体硬度、孔隙特征等因素，并利用灰色关联分析法进行关联度分析，建立了强度预测模型。结果表明：结合圆度值与单位面积内孔数量提出的孔圆度系数X能够反映泡沫混凝土中孔的级配与形状。强度影响因素的关联度排序为: 大于1100μm孔隙率gt;50-200μm段孔隙率gt;最可几孔径gt;平均孔径gt;硬度gt;200-600μm段孔隙率gt;平均圆度值gt;平均壁厚gt;600-1100μm段孔隙率。强度预测模型的平均相对误差检验为8.141%。

基于本文研究结果，若需设计制备轻质高强泡沫混凝土，应严格控制圆度值、孔壁厚度，增加50-200μm孔的孔隙率，控制1100μm特大孔的孔隙率在4%以下，孔圆度系数X在3.2左右，基体硬度高于3.6GPa，降低最可几孔径与平均孔径。

关键词：轻质高强泡沫混凝土；孔结构；参数X；灰色关联分析法；强度预测模型

Abstract

With the consuming of global energy, the importance of energy-saving and enviroment-protecting draw more and more attention. Recently, most of energy-saving insulated building materials are organic, which is limited by its combustibility. Inorganic foam concrete is made up with many independent pores, whose high porosity contributes to its lightweight, heat-insulating, fire-resisting and energy-saving. However, the compressive strength of foam concrete applied for insulating building material is relatively low. The foam concrete with a dry density level of A07 is below 5.00MPa, leading to collapse during transporting, constructing and application. With plant foaming agent, this paper prepares foam concrete with A07 level density, which developes a conpressive strength of 5.82MPa. Besides, this paper studies the mechanism of strength improvement of lightweight foam concrete and builds the strength predictive model.

Firstly, the influence of mineral and foam admixture to conpressive strength, dry density and thermal conductivity of foam concrete is studied. The result shows, by rasing silica fuma and reducing fly ash, dry density is steady while conpressive strength becomes lower, thermal conductivity gets higher. Improving foam admixture lowers conpressive strength and thermal conductivity. Besides, according to this paper, it is better when the thickness coefficient of concrete slurry is 10 Pasⁿ.

Then, by using nanoindentation instrument, X-ray computed tomography and automatic mercury porosimeter, with GRA(Grey Relation Analysis), the strength predictive model is built. The result shows: the new parameter X can describe gradation and roundness of pore in foam concrete. The grey relevance of each component is: porosity of pore beyond 1100 μm gt; porosity of pore between 50 μm and 200 μm gt; the most probable pore size gt; average pore size gt; hardness of matrix gt; porosity of pore between 200 μm and 600 μm gt; circularity gt; average thickness of pore wall gt; porosity of pore between 600 μm-1100 μm.The strength predictive model is prepared with the high relevance parameters, showing an average relative error of 8.141%.

To prepare lightweight high-compressive strength foam cconcrete, porosity of pore beteween 50-200 μm should be increased and porosity of pore beyond 1100 μm should be decreased to lower than 4%, X should be around 3.2, hardness of matrix should be above 3.6 GPa, the most probable pore size and average size should be lowered.

Key words: lightweight and high strength foam concrete; pore structure; parameter X; grey relation analysis; strength predictive model

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 泡沫混凝土概述 1

1.1.1 泡沫混凝土简介 1

1.1.2 泡沫混凝土的性能与应用 1

1.1.3 泡沫混凝土存在的问题 2

1.2 泡沫混凝土孔结构的研究 2

1.2.1 孔结构的形成 2

1.2.2 孔结构的分类 3

1.2.3 孔结构对泡沫混凝土物理性能的影响 4

1.2.4 强度模型 4

1.2.5 泡沫混凝土孔结构表征方法的研究现状 5

1.3 泡沫混凝土基体对于抗压强度的影响 6

1.4 技术路线与研究意义 6

1.4.1 技术路线 6

1.4.2 研究意义 7

第二章 原材料性能及试验方法 8

2.1 试验原材料 8

2.1.1 水泥（C） 8

2.1.2 粉煤灰（FA） 8

2.1.3 硅灰（SF） 9

2.1.4 外加剂 10

2.1.5 发泡剂 10

2.1.6 聚乙烯醇纤维（PVA纤维） 10

2.1.7 拌合水（W） 11

2.2 宏观性能测试方法 11

2.2.1 抗压强度 11

2.2.2 干密度 12

2.2.3 导热系数 12

2.2.4 稠度系数测试 13

2.3 微观性能测试方法 13

2.3.1 扫描电镜 13

2.3.2 X射线衍射 14

2.3.3 X-CT分析 15

2.3.4 纳米压痕检测 15

2.3.5 压汞检测 16

第三章 轻质高强泡沫混凝土的制备与性能研究 17

3.1 轻质高强泡沫混凝土的配合比 17

3.2 轻质高强泡沫混凝土的宏观性能 17

3.2.1 抗压强度、干密度和导热系数 18

3.2.2 稠度系数 18

3.3 轻质高强泡沫混凝土基体的硬度 19

3.4 轻质高强泡沫混凝土的孔结构 22

3.4.1 孔圆度值 26

3.4.2 孔数量 27

3.4.3 孔壁厚度 28

3.4.4 最可几孔径 29

3.4.5 孔径分布 31

3.5 本章小结 32

第四章 轻质高强泡沫混凝土因素影响程度分析及模型预测 34

4.1 灰色关联分析理论 34

4.1.1 理论简介 34

4.1.2 计算过程 34

4.2 轻质高强泡沫混凝土影响因素关联系数 35

4.2.1 影响因素统计 35

4.2.2 强度预测模型 36

4.3 本章小结 37

第五章 全文结论、创新点与展望 39

5.1 全文结论 39

5.1.1 轻质高强泡沫混凝土影响因素研究 39

5.1.2 轻质高强泡沫混凝土因素影响程度与预测模型研究 39

5.2 创新点 40

5.3 展望 40

参考文献 41

致 谢 43

绪论

当今社会，伴随着国民生产力的提高和科技的发展，人们生活水平有了质的飞跃。但是与此同时，煤和石油等不可再生资源面临着即将枯竭的危险，人类的生存环境不断恶化。为了改变这种状况，开发新的可再生清洁能源势在必行；但是更重要的是减少能源消耗、倡导节能环保的生活理念^[1]。目前，发达国家对建筑节能的关注日益密切，而我国目前的单位建筑面积采暖能耗相当于气候条件相近发达国家的3倍。中国是一个能源消耗大国，因此合理利用能源，提高能源利用率是我国社会发展的根本大计，开发应用于建筑方面的节能材料刻不容缓。

单一墙体的热工性能很难满足节能要求，为了降低能源的损耗，建筑必须进行保温处理。与有机保温材料相比，无机类保温材料具有十分突出的优势：不燃、永久性使用，不存在老化问题，绿色环保无毒无害。在国家建筑节能政策的推动下，泡沫混凝土作为一种优异的无机建筑保温材料，具有节能、利废、保温、轻质、隔热等特性，得到了越来越广泛的重视和应用。

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