研究进展|碱激发粉煤灰气凝胶泡沫混凝土力学和热性能研究

可持续土木工程材料与结构

#节能保温混凝土#

本文将为您分享碱激粉煤灰气凝胶泡沫混凝土力学与热性能的最新研究进展

References:

Xian Rong, Xiang Zhang, Jianxin Zhang, Wanying Xu, Zewen Zhang

Study on mechanical and thermal properties of alkali-excited fly ashaerogel foam concrete

Construction and Building Materials 408（2023）133770

Keywords:

Alkali excitation;

Fly ash;

Aerogel;

Foam;

Polypropylene fibre;

Mechanical property;

Thermal conductivity.

题目：

碱激粉煤灰气凝胶泡沫混凝土力学与热性能研究

关键词：

碱激发；粉煤灰；气凝胶；泡沫；聚丙烯纤维；力学性能；热导率

01

研究背景

随着全球经济的增长和世界人口的增加，人们对绿色能源、低碳环保和可持续发展政策的需求不断上升。中国作为世界上人口最多的发展中国家，建筑行业对能源的消耗占据了相当大的比例。研究建筑节能保温是降低建筑能耗的必要手段。粉煤灰和气凝胶作为新型材料被广泛研究和应用。将粉煤灰、气凝胶等材料应用于混凝土中可有效降低混凝土导热率，但由此配置的混凝土强度较低，于是作者在此基础上加入纤维提升强度。将这些新型材料结合起来，开发具有优异保温性能和力学性能的保温混凝土，将为建筑节能和可持续发展提供全新的解决方案。

02

研究内容

该研究评价了在碱激发条件下混凝土的力学性能和导热系数，并确定了各种因素对混凝土力学性能和导热系数的影响。实验变量包括粉煤灰、泡沫、二氧化硅气凝胶和聚丙烯纤维的掺量，选用不同比例的掺和材料分别探究四种掺合料对实验的影响，具体实验配比如表1。养护后通过扫描电子显微镜分析了材料的物理结构及其对性能的影响，同时进行了抗弯和抗压强度试验以及导热系数的测定。

首先利用扫描电子显微镜（SEM）分析了碱激发粉煤灰气凝胶发泡混凝土的物理结构及其对混凝土性能的影响，粉煤灰混凝土各微观结构如图1。

随后通过抗折和抗压强度实验分析了各因素对混凝土抗折和抗压强度的影响，如图2、3、4、5。

由图可知随着粉煤灰、泡沫、气凝胶掺量增加混凝土抗折抗弯强度降低，随着纤维掺量增加强度有所提升。

最后，对试样的导热系数进行测试，实验发现粉煤灰、泡沫混凝土、气凝胶在混凝土保温性能中发挥关键作用。粉煤灰主要通过微小孔隙结构降低混凝土导热系数，气凝胶则通过致密均匀孔隙提高保温性能，泡沫通过自身产生的封闭空隙降低混凝土导热系数，聚丙烯纤维可改善绝缘性能，但对泡沫混凝土保温性能影响较小。综合考虑，不同材料的组合应该根据需求选择，以达到最佳的保温效果。

Table.1.Sample and mix ratio..

（表1 样品和混合比例）

Fig. 1.Microstructure of alkali - excited fly ash aerogel foamed concrete

（图1碱激粉煤灰气凝胶泡沫混凝土微观结构）

Fig.2.Effect of different fly ash content on flexural strength and compressive strength of concrete.

（图2 粉煤灰掺量对混凝土抗折强度和抗压强度的影响）

Fig. 3.Effect of different foam contents on flexural strength and compressive strength of alkali excited fly ash concrete.

（图3 不同泡沫掺量对碱激粉煤灰混凝土抗弯抗压强度的影响）

Fig. 4.Effect of different aerogel content on flexural strength and compressive strength of concrete

（图4 不同气凝胶掺量对混凝土抗折强度和抗压强度的影响）

Fig. 5.Effect of different polypropylene fibre on flexural strength and compressive strength of concrete.

（图5 不同聚丙烯纤维对混凝土抗折强度和抗压强度的影响）

03

主要结论

该研究系统研究了碱激发条件下不同粉煤灰、气凝胶、泡沫和纤维含量对混凝土性能的影响，得出以下结论:

(1)在碱性激发条件下，当粉煤灰取代部分水泥时，混凝土的抗弯强度和抗压强度会有所降低。当粉煤灰含量为40%时，混凝土的抗弯强度和抗压强度分别降低了30.6%和50.7 %。粉煤灰的添加提高了混凝土的保温性能。不添加粉煤灰时，混凝土的导热系数为0.526 W/m·K，当粉煤灰含量为30%时，混凝土的导热系数降至0.458 W/m·K。

(2)泡沫的加入可显著降低混凝土的导热系数。当碱激粉煤灰混凝剂的泡沫含量从0%增加到75%时，混凝土的导热系数从0.526 W/m⋅K降低到0.184 W/m⋅K。然而，这种减少是以牺牲强度为代价的。当泡沫掺入量达到75%时，混凝土的抗折强度和抗压强度迅速下降，分别仅为1.6 MPa和8.9 MPa，这是由于泡沫的加入使碱激粉煤灰混凝土中分布着不同形状和大小的孔隙。

(3)气凝胶具有优良的保温性能，对混凝土力学性能影响不大。当气凝胶掺量从0 ~ 12%变化时，碱激粉煤灰气凝胶混凝土的导热系数从0.526 W/m⋅K降低到0.191 W/m⋅K。抗折强度由5.2 MPa降至2.7 MPa，抗压强度由20.4 MPa降至11.3 MPa。当气凝胶掺量为12%，泡沫掺量为70%时，气凝胶泡沫混凝土的导热系数降至0.18 W/m⋅K，抗折强度和抗压强度分别降至仅含气凝胶混凝土强度的59.3%和75.9%。

(4)纤维的加入能显著提高其力学性能，但会略微降低其导热系数。碱激粉煤灰气凝胶混凝土，当纤维掺量从0.3%增加到1%时，其抗折强度和抗压强度分别从4 MPa和17 MPa提高到5.6 MPa和23.7 MPa；混凝土的导热系数从0.249 W/m·K降低到0.231 W/m·K。然而，纤维的加入会导致混凝土的流动性降低，并对泡沫混凝土的导热性产生不利影响。

(5)碱激发粉煤灰气凝胶泡沫混凝土是一种优良的墙体保温材料。水灰比为0.6时，碱激混凝土中粉煤灰的质量含量不应超过20%，气凝胶的质量含量必须小于8%，以免造成材料浪费和强度损失。虽然泡沫可以大大降低混凝土的导热系数，但它也会导致混凝土强度的显著损失;因此，建议泡沫体积含量不应超过60%。聚丙烯纤维与碱激粉煤灰气凝胶混凝土表现出良好的协同作用，可显著提高混凝土的力学性能。建议体积含量保持在0.5%以下，避免纤维含量过高造成结块。

责编|Scemslab-赵晨曦

本文来源：可持续土木工程材料与结构

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