一种轻质节能型陶粒混凝土砌块配合比的研究

吴辉琴,李 柱,吴 超,王痛快,张 腾,淳野杨,解小娟

(广西科技大学 土木建筑工程学院,广西 柳州 545006)

摘 要:陶粒混凝土砌块以绿色环保、节能低耗的特性成为节能建筑发展的热门.采用圆球型页岩陶粒和膨胀珍珠岩两种材料替代石子和砂子作为轻粗骨料和轻细骨料,以粉煤灰替代部分水泥,添加必要的外加剂,通过正交试验研制了一种新型的轻质节能陶粒混凝土砌块,该砌块抗压强度大于5 MPa,抗折强度达到2 MPa,表观密度≤1 200 kg/m3,导热系数低于 0.7 W/(m·K)~0.8 W/(m·K).经分析和物理力学性能试验表明:砌块配合比设计合理,抗裂性能、隔音效果良好,是适合南方使用的轻质节能型墙体材料.

关键词:轻质节能;陶粒混凝土砌块;配合比;正交试验

0 引言

发展轻质节能的新型墙体材料,是我国建设资源节约型、环境友好型社会的客观要求[1-2].陶粒和膨胀珍珠岩两种轻集料材料由于具有表观密度低、保温隔热性能及耐久性能好等优点已倍受关注,并在研制替代粘土砖的新型墙材中显现出特别优势[3-4].用陶粒替代石子做轻粗骨料,膨胀珍珠岩替代砂子做轻细骨料,粉煤灰替代部分水泥形成复合胶凝材料,与其他外加剂配合,研制轻骨料混凝土砌块,不仅解决自然资源不足的问题,而且对地方工业废料的回收利用、保护环境、节能减排具有较大的意义,并产生一定的经济效益和社会效益[5-7].

采用圆球型页岩陶粒和膨胀珍珠岩作为主要原材料,以水泥、粉煤灰作为胶凝材料,同时添加聚丙烯纤维和外加剂等,通过设计6因素3水平的正交试验,研制了一种轻质节能混凝土小型砌块,并通过数学分析方法结合试验研究结果调整、优化正交试验结果,保证该种砌块抗压强度不低于5 MPa,抗折强度不低于 2 MPa,表观密度不超过 1 200 kg/m3,导热系数在 0.7 W/(m·K)~0.8 W/(m·K)间,满足规范要求和建设部门提出的新型墙体材料的目标.

1 原材料的选择

1)水泥:广西鱼峰集团生产的P·O 42.5级普通硅酸盐水泥.主要性能指标见表1.

2)粉煤灰:广西来宾电厂出产的F类Ⅰ级粉煤灰,表观密度2.24 g/cm3,比表面积423 m2/kg,用于取代部分水泥合成复合胶凝材料,调整和改善混凝土的和易性[8-9].粉煤灰主要成分见表2.

3)陶粒:根据砌块性能指标,考虑堆积密度、筒压强度、导热系数、吸水率、级配等指标,从4种粒径陶粒中选择宜昌宝珠陶粒开发有限责任公司生产的圆球型页岩陶粒,其实物图和主要技术指标分别见图1和表3.

4)膨胀珍珠岩:根据砌块性能指标,通过初步配合比设计,选择柳州市琦隆保温建材有限公司生产的堆积密度为90 kg/m3膨胀珍珠岩,其实物图和主要技术指标分别见图2、表4.

5)水:普通自来水.

6)聚丙烯纤维:白色半透明状,呈网状结构或单丝结构,在水中或在混凝土的拌合过程中可分散成丝状,主要目的提高混凝土砌块的抗折强度,改善砌块的韧性、耐久性,聚丙烯纤维的材料性能见表5.

7)减水剂:苏州弗克技术股份有限公司生产的聚羧酸高效减水剂,减水率为30%.

表1 水泥的主要技术指标
Tab.1 The main technical parameters of cement

表2 粉煤灰的化学组成
Tab.2 The chemical constitution of fly ash

表3 陶粒主要技术指标
Tab.3 The main technical parameters of ceramsite

表4 膨胀珍珠岩主要技术指标
Tab.4 The main technical parameters of expanded perlite

图1 页岩陶粒
Fig.1 Shale ceramsite

图2 膨胀珍珠岩
Fig.2 Expanded perlite

表5 聚丙烯纤维的基本性能
Tab.5 The basic properties of polypropylene fiber

2 正交试验设计

本项目研制的轻质节能混凝土砌块的设计参数包括抗压强度、抗折强度和表观密度、导热系数,根据委托方要求:混凝土砌块28 d抗压强度等级不低于5 MPa,抗折强度不低于2 MPa,砌块的干表观密度不大于 1 200 kg/m3,导热系数的要求为 0.7 W/(m·K)~0.8 W/(m·K).因此,采用正交试验方法确定轻质节能陶粒混凝土砌块的配合比,评价指标为砌块28 d抗压强度、抗折强度、表观密度和导热系数.

2.1 正交试验因素和水平的确定

混凝土配合比设计采用松散体积法.根据项目要求,本试验共有6种原材料,为综合考虑6种原材料对优化配比的影响,故将6种原材料分别设计为6个因素,其中6因素为水泥、粉煤灰、陶粒、膨胀珍珠岩、水和聚丙烯纤维掺量(分别以 A,B,C,D,E,F 表示),根据《轻骨料混凝土技术规程》(JGJ51-2002)[10]确定 3水平为:1)胶凝材料总量为300 kg,其中粉煤灰取代水泥比率分别为40%,50%,60%;2)每立方米陶粒和膨胀珍珠岩的松散体积分别取值为 1.25 m3,1.375 m3,1.5 m3;3)水胶比取值分别为 0.2,0.25,0.3;4)聚丙烯纤维的掺量按水泥用量质量的1.2‰确定;5)减水剂的掺量按胶凝材料用量的0.5%确定,故正交试验设计成6因素3水平.因素水平表见表6.

表6 正交试验因素水平表
Tab.6 Factors and levels of orthogonal experiments

2.2 正交试验方案

设计的正交表,试验分组见表7.依据规范《轻集料混凝土技术规程》(JGJ51-2002)[10]取样、制作标准试件,测定砌块干表观密度;依据规范《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2016)[11]取样、制作标准试件,测定砌块7 d,28 d抗压强度和抗 折 强 度[12], 计 算 砌 块 强度的折压比,其中折压比定义为抗折强度与抗压强度等级之比;依据规范《非金属固体材料导热系数的测定方法热线法》(GB 10297-98)[13],采 用 非 稳态测定材料导热系数的热线法,制作标准试件,测定砌块的导热系数λ.18组正交试验结果见表7.

图3 砌块抗压试验
Fig.3 Pressure testing of concrect block

图4 砌块抗折试验
Fig.4 Bending testing of concrect block

图5 DRX-III型热线法导热仪
Fig.5 DRX - III hotline method of thermal conductivity meter

表7 正交试验方案及试验结果
Tab.7 Programme of orthogonal experiments and test results

2.3 正交试验结果与分析

借助数学方法进行数据处理和统计计算,引入参数Ki,ki,R.Ki定义为某影响因素在第i水平 (i=1,2,3)所对应的各项评价指标总和;而ki定义为某个影响因素在第i水平对应评定指标的平均值,ki=Ki/n,n 为该影响因素在第 i水平出现的次数;R 代表极差,R=max{k1,k2,k3}-min{k1,k2,k3}.按 Ki,ki及 R 的定义统计试验数据,计算4个评价指标在6因素3水平下的总值Ki,平均値ki及级差R值[14-15],计算结果见表8.分析表8级差结果:

1)对砌块28 d抗压强度,6种因素影响的大小关系为A>F>C>D>E>B,3种水平的大小关系为:水泥A1>A3>A2;粉煤灰 B3>B1> B2;陶粒 C1>C2>C3;膨胀珍珠岩 D1>D3>D2;水 E2>E3>E1;减水剂 F2>F1>F3.因此,抗压强度配合比设计优选方案为A1F2C1D1E2B3.

2)对砌块抗折强度,6 种因素影响的大小关系为 F>D>E>C>B>A,3 种水平的大小为:水泥 A1>A2>A3;粉煤灰 B3>B2>B1;陶粒 C3>C1>C2;膨胀珍珠岩 D3>D1>D2;水 E1>E2>E3;减水剂 F2>F1>F3.因此,抗折强度配合比设计优选方案为F2D3E1C3B3A1.

3)对砌块表观密度,6 种因素影响的大小关系为 A>C>E>F>B>D,3 种水平的大小为:水泥 A1>A2>A3;粉煤灰 B3>B1> B2;陶粒 C1>C2>C3;膨胀珍珠岩 D3>D2>D1;水 E3>E2>E1;减水剂 F2>F1>F3.因此,表观密度配合比设计的优选方案为A1C1E3F2B3D3.

4)对导热系数,6 种因素影响的大小关系为 D>F>B>C>E>A,3 种水平的大小为:水泥 A3>A1>A2;粉煤灰 B1>B2>B3;陶粒 C3>C1>C2;膨胀珍珠岩 D1>D3>D2;水 E1>E2>E3;减水剂 F1>F2>F3.因此,导热系数配合比设计的优选方案为 D1>F1>B1>C3>E1>A3.

表8 级差分析表
Tab.8 Analysis table of differential

3 配合比优化方案确定

将正交配合比设计得到的砌块抗压强度fcc优选方案A1F2C1D1E2B3,抗折强度ft优选方案F2D3E1C3B3A1,表观密度ρ优选方案A1C1E3F2B3D3及导热系数λ的优选方案D1F1B1C3E1A3集合于表9.以这些单一评价指标的优选方案为基础,根据项目研制的轻质节能混凝土砌块的技术考核指标,通过理论分析和进一步试验研究,确定4个考核指标在配合比设计中的权重分别为40%,10%,30%,20%,由表9所列出的抗压强度、抗折强度、表观密度及导热系数4种单一性能配合比的最优方案,根据每种优化后的指标在配合比设计中所占的权重,分别用每种指标的最优水平乘以其所占的权重累计相加(结果四舍五入)[16],经过计算,从而设计出综合4个评价指标后得到的配合比设计最优组合为A1B3C2D2E2F2,即每1 m3各种材料的质量比分别为: 水泥∶粉煤灰∶陶粒∶膨胀珍珠岩∶水∶聚丙烯纤维∶减水剂=180.000∶180.000∶607.750∶43.313∶101.079∶0.180∶1.500(单位:kg).

4 结论

按优化后配合比制作混凝土砌块标准试件,开展表观密度、抗压强度、抗折强度、导热系数研究,实验结果分别见表10—表13.结果表明:陶粒混凝土砌块28 d抗压强度达到6.68 MPa,28 d抗折强度达到3.28 MPa,表观密度为1 190.9 kg/m3;通过DRX-III型热线法导热仪研究砌块导热系数,实测陶粒混凝土砌块在 20 ℃,25 ℃,30 ℃时的导热系数平均值分别为 0.238 92 W/(m·K),0.223 33 W/(m·K) 和 0.216 16 W/(m·K).因此,抗压强度、抗折强度、表观密度及导热系数指标均达到建设单位标准,同时也满足轻质节能混凝土砌块规范要求.

表9 砌块配合比优化方案选择
Tab.9 Mix proportion optimization scheme selection of block

表10 砌块表观密度试验结果
Tab.10 Experimental results on apparent density of block

表11 砌块抗折强度试验结果
Tab.11 Experimental results on flexural strength of block

表12 砌块抗压强度试验结果
Tab.12 Experimental results on compressive strength of block

表13 砌块导热系数试验结果
Tab.13 Experimental results on thermal conductivity coefficient of block

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Study of the mix proportion of a type of light weight energy-saving ceramsite concrete block

WU Hui-qin,LI Zhu,WU Chao,WANG Tong-kuai,ZHANG Teng,CHUN Ye-yang,XIE Xiao-juan
(School of Civil Engineering and Architecture,Guangxi University of Science and Technology,Liuzhou 545006,China)

Abstract:With the characteristics of green,energy saving and low consumption,ceramsite concrete block has become popular in energy-saving building development.In this article,spherical shale ceramsite and expanded perlite were used to replace gravel and sand as lightweight coarse aggregate and lightweight fine aggregate respectively,fly ash was used to replace part of the cement and necessary additives were added,a new type of lightweight ceramsite concrete block was developed through orthogonal experiments,in which the compressive strength was greater than 5 MPa,the flexural strength reached 2 MPa,the apparent density was less than or equal to 1 200 kg/m3and the thermal conductivity coefficient was lower than 0.7 W/(m·K)~0.8 W/(m·K).The analysis and physical and mechanical properties experiments indicated that the concrete block's mix proportion design is reasonable with a good anti-cracking performance and good sound insulation effect.And the block is a suitable lightweight energy-saving wall material used in the south China.

Key words:lightweight and energy-saving;ceramsite concrete block;mix proportion;orthogonal experiment

中图分类号:TU528.2

文献标志码:A

(学科编辑:黎 娅)

文章编号:2095-7335(2017)03-0031-07

DOI:10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2017.03.005

收稿日期:2017-03-23

基金项目:广西科技厅开发项目 (桂科攻1598007-5);广西科技大学研究生创新项目 (GKYC201632);广西科技大学科学基金项目 (校科自1419209)资助.

作者简介:吴辉琴,教授,研究方向:工程材料与应用、结构检测与加固理论方法的研究,E-mail∶whq6329@163.com.