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2012-09-19 03:44:42邱貞發(fā)劉東城連躍宗張會芝
常州工學院學報 2012年5期
邱貞發(fā) 劉東城 連躍宗 張會芝
(三明學院建筑工程學院，福建 三明 365004)
0 前言
目前，世界面臨著能源危機，而建筑耗能又占有很大的比例，建筑節(jié)能已經(jīng)成為國內外關注的焦點，針對這種情況發(fā)達國家早已從建筑節(jié)能著手來緩解能源危機。［1－3］我國也頒布了一系列的建筑節(jié)能標準和法規(guī)，采取一系列的節(jié)能措施來解決能源問題。［4－5］加強墻體結構的保溫隔熱措施，是建筑節(jié)能的重要組成部分;而?；⒅榛炷潦切滦途G色環(huán)?；炷?，是在傳統(tǒng)的混凝土中加入輕骨料“?；⒅椤奔巴饧觿┒纬傻囊环N既具有傳統(tǒng)混凝土力學性能又具有保溫性能的人造石材。［6－7］由于?；⒅榫哂匈|輕、導熱系數(shù)低、防火、耐高低溫、抗老化及理化性能穩(wěn)定等良好性能，可使摻有?；⒅榈幕炷练阑?、耐久性、保溫性能等有所提高，因此特別適用于有保溫節(jié)能要求的建筑物圍護結構構件。這種新型?；⒅榛炷潦且环N真正意義上的綠色環(huán)保產(chǎn)品，在創(chuàng)造巨大經(jīng)濟效益、社會效益的同時，也凈化了環(huán)境，具有極佳的環(huán)境效益。?；⒅榛炷恋难芯窟€處于初級階段，進一步確定其配合比及力學性能指標是目前亟需解決的問題，在解決問題的同時也為國家的環(huán)保節(jié)能做出了貢獻。
基于以上認識，本文結合建筑垃圾的混凝土再生利用，選取再生粗骨料取代率為100%，對不同再生細骨料取代率及?；⒅轶w積摻量對混凝土性能的影響進行了試驗研究，并得出一些有意義的結論。
1 ?；⒅楸鼗炷恋呐浜媳仍O計
1.1 試驗原材料
再生粗骨料及試驗所用材料參數(shù)詳見文獻［8］，再生細骨料的主要性能見表1。?；⒅?粒度0.5～1.5 mm，容重 110 kg/m3，導熱系數(shù)0.047～0.054 W/(m·K)，筒壓強度38% ～46%，耐火度1 280℃ ～1 360℃。
表1 再生細骨料的主要性能
1.2 ?；⒅楸鼗炷僚浜媳仍O計
參考JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規(guī)程》進行再生保溫混凝土的配合比設計，再生混凝土的試配強度可以按以下公式確定:
σ的取值見表2，取σ =5.0，由此得出fcu，0=38.225 MPa
表2 σ取值表
由于再生集料的吸水率較大，且不同來源的再生集料的吸水率差別也較大，因而與普通混凝土不同的是，再生混凝土的用水量或水灰比必須考慮再生集料的吸水率。
再生混凝土的用水量和水灰比，可分總用水量和總水灰比與凈用水量和凈水灰比。所謂凈用水量指的是不包括再生集料吸水率在內的混凝土用水量，相應的水灰比則為凈水灰比。而總用水量則是指包括再生集料吸水率在內的混凝土用水量，相應的水灰比則為總水灰比。
由于不同再生集料的吸水率差別較大，所以在再生混凝土配合比設計中水灰比通常用凈用水量或凈水灰比表示。只有在使用再生細集料時，由于再生細集料的吸水率很難準確測定，才允許用總用水量和總水灰比表示。［9］
根據(jù)已知的再生混凝土的試配強度fcu，0及所用水泥的實際強度或水泥強度等級，按照混凝土強度公式計算出凈水灰比為:
回歸系數(shù)根據(jù)JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規(guī)程》取值為0.46，0.07。
其中，rc為水泥強度等級值的富余系數(shù)，可按實際統(tǒng)計資料確定;fce，g為水泥強度等級值(MPa)。
取rc=1.13，fce，g=42.5 得出再生混凝土的凈水灰比為0.56?？紤]到再生混凝土的力學及耐久性能較普通混凝土低，進行配合比設計時適當調低參考的凈水灰比0.01～0.05，因此采用再生混凝土的凈水灰比取0.55。
考慮到試驗的?；⒅楸鼗炷林饕糜诨炷列⌒涂招钠鰤K，該類砌塊是采用半自動或全自動砌塊成型機進行生產(chǎn)的，成型后立即脫模，所以必須采用干硬性混凝土，因此本文取再生混凝土的坍落度為10～30 mm。根據(jù)生產(chǎn)混凝土空心砌塊要求的坍落度和粗集料的最大粒徑查閱JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規(guī)程》的相應表格，確定單方混凝土的參考用水量，并在此基礎上增加5%作為最終的凈用水量(表3)。取單方再生混凝土的參考凈用水量為270～285 kg/m3。
表3 再生混凝土的不同粒徑凈用水量
根據(jù)實測的再生粗集料吸水率，求出每立方米再生混凝土的附加用水量。凈用水量與附加用水量之和為每立方米再生混凝土的總用水量，即:
其中，mwt為每立方米再生混凝土的總用水量(kg);mwn為每立方米再生混凝土的凈用水量(kg);mwa為每立方米再生混凝土的附加用水量(kg);mg為每立方米再生混凝土的粗集料用量(kg);Wwg為再生粗集料的吸水率(%);r為再生粗集料的取代率(%)。
查閱JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規(guī)程》，水灰比為0.25，粗骨料最大粒徑為10 mm，選取砂率為0.4。綜上所述，初定再生混凝土的基準組配合比參數(shù)為:凈水灰比為0.25，砂率為0.4，單方凈用水量為270 kg/m3，再生粗骨料摻量100%，水泥用量384 kg/m3，水泥體積(m3):
根據(jù)已確定的凈用水量、水泥用量、砂率，通過式(7)和式(8)用體積法分別求得再生粗骨料、砂的用量:
式(7)中，α為再生混凝土的含氣量百分數(shù)，初步取值為1%。
由此可得，再生粗骨料的用量mg=1 205 kg/m3，砂的用量301 kg/m3，水的用量mw=285 kg/m3。
因此再生混凝土初步配合比為:水灰比0.25，每立方米混凝土中各材料用量為:再生粗骨料用量1 205 kg/m3，水泥用量384 kg/m3，粉煤灰用量96 kg/m3，大田中砂用量301 kg/m3，水用量285 kg/m3。
再生粗骨料的取代率為100%，再生細骨料的取代率分別0%、50%、100%，玻化微珠摻量取占混凝土總體積比 120%、110%、100%、90%、80%、60%，進行再生混凝土的試配，則再生混凝土配合比初步設計如表4所示。表4中①為中砂用量，NC為301 kg/m3，其余為7.52 kg/m3，即再生細骨料取代率0%;②為再生細骨料和中砂，NC為150.5 kg/m3，其余為3.76 kg/m3，即再生細骨料取代率50%;③為再生細骨料，NC為301 kg/m3，其余為7.52 kg/m3，即再生細骨料取代率100%。
表4 再生混凝土配合比初步設計
2 ?；⒅楸鼗炷猎囼灲Y果分析
?；⒅楸鼗炷恋臏y試結果詳見表5及圖1～圖4。
圖1 不同細骨料取代率時玻化微珠摻量和28 d抗壓強度的關系
圖2 不同細骨料取代率時?；⒅閾搅亢蛯嵯禂?shù)的關系
圖3 不同細骨料取代率時?；⒅閾搅亢兔芏鹊年P系
圖4 不同細骨料取代率時密度和導熱系數(shù)的關系
表5 再生保溫混凝土試驗結果
由表5及圖1～圖4可知:
1)不同再生細骨料取代率時，隨?；⒅轶w積摻量的增加，混凝土28 d抗壓強度均降低;相同的玻化微珠體積摻量時，細骨料取代率越大，混凝土28 d抗壓強度越低，但在?；⒅轶w積摻量為80%、細骨料取代率50%時的強度反而比不摻加細骨料時略高，這可能是由于細骨料吸水率較大，導致有效水灰比降低而造成的，其機理有待于進一步深入研究。
2)隨?；⒅轶w積摻量的增加，不同再生細骨料取代率的混凝土導熱系數(shù)均降低，表明其保溫性能增加，且玻化微珠摻量為0% ～60%時導熱系數(shù)降低的幅度更大;相同的?；⒅轶w積摻量時，細骨料取代率越大，相應的導熱系數(shù)越低。這與?；⒅樵偕炷恋淖员貦C理有關，即自保溫的實現(xiàn)是由于?；⒅楸旧硎禽p質的封閉氣孔，其導熱系數(shù)較低，保溫性能較好，體積摻量越多，在再生混凝土分布的封閉氣孔就越多，導致其密度、強度和導熱系數(shù)均降低;但由于再生細骨料本身具有一定的孔隙，因此隨著再生細骨料摻量的增加，使再生混凝土中孔隙分布更多，以致出現(xiàn)以上試驗現(xiàn)象。
3)隨著?；⒅轶w積摻量的增加，混凝土密度均降低，?；⒅轶w積摻量在0% ～60%區(qū)間時降低的幅度更大;玻化微珠體積摻量相同時，再生細骨料取代率越大，再生混凝土的密度越小。
4)再生混凝土導熱系數(shù)隨著密度降低而減小，且隨再生細骨料取代率的增大，密度降低導致的導熱系數(shù)降低的幅度也越大，這與以往的研究結論一致。［10］其原因如下:再生混凝土密度降低主要是由于?；⒅轶w積摻量增大和再生細骨料取代率增加而導致的，而無論是?；⒅檫€是再生細骨料，本身都有一定的空隙，摻量增加，使混凝土材料空隙更多，導致其密度下降，導熱系數(shù)降低，保溫性能增加。由圖4可以預測，如采取適當摻加外加劑等措施，使再生自保溫混凝土材料密度降低到1 800 kg/m3以下時，導熱系數(shù)將進一步降低。
3 結論
本文探討了玻化微珠保溫混凝土的配合比設計，再生粗骨料取代率為100%，試驗研究了再生細骨料取代率及?；⒅轶w積摻量對玻化微珠保溫混凝土性能的影響，試驗結果表明:
隨著?；⒅轶w積摻量的增加，不同再生細骨料取代率時的?；⒅楸鼗炷恋拿芏?、導熱系數(shù)及28 d抗壓強度均降低;再生混凝土導熱系數(shù)隨著密度降低而減小，且隨再生細骨料取代率的增大，密度降低導致的導熱系數(shù)降低的幅度也越大，可以預測，如采取適當摻加外加劑等措施，使再生自保溫混凝土材料密度降低到1 800 kg/m3以下時，導熱系數(shù)將進一步降低。試驗結果對于?；⒅榛炷帘匦阅艿膬?yōu)化設計具參考價值。
［1］武涌，孫金穎，呂石磊.歐盟及法國建筑節(jié)能政策與融資機制借鑒與啟示［J］.建筑科學，2010(2):1 －12.
［2］涂逢祥.大力推進建筑節(jié)能迫在眉睫［J］.墻材革新與建筑節(jié)能，2004(7):7－8.
［3］張向榮，劉斐.國內外建筑節(jié)能標準化比較及其對我國的啟示［J］.中國科技論壇，2008(7):140－144.
［4］朗四維.我國建筑節(jié)能設計標準的現(xiàn)狀與進展［J］.制冷空調與電力機械，2002，23(3):1 －6.
［5］孫萍，宋琳琳.我國建筑節(jié)能政策研究綜述［J］.山西大學學報:哲學社會科學版，2011，5(3):8 －12.
［6］張澤平，董彥莉，李珠.?；⒅楸鼗炷翆嶒炑芯浚跩］.新型建筑材料，2007(11):73－74.
［7］張澤平，劉鴿，師鵬，等.玻化微珠保溫混凝土的綠色評價［J］.建筑節(jié)能，2010，38(7):59 －61.
［8］張會芝，鄭建嵐.再生混凝土抗壓強度及工作性能的影響因素分析［J］.福州大學學報:自然科學版，2012，8(4):508 －514.
［9］肖建莊，李佳彬，蘭陽.再生混凝土技術最新研究進展與評述［J］.混凝土，2003(6):17－ 20.
［10］J E Oti，J M Kinuthia，J Bai.Design Thermal Values for Unfired Clay Bricks［J］.Materials ＆ Design，2010，31(1):104 －112.
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邱貞發(fā) 劉東城 連躍宗 張會芝
(三明學院建筑工程學院，福建 三明 365004)
0 前言
目前，世界面臨著能源危機，而建筑耗能又占有很大的比例，建筑節(jié)能已經(jīng)成為國內外關注的焦點，針對這種情況發(fā)達國家早已從建筑節(jié)能著手來緩解能源危機。［1－3］我國也頒布了一系列的建筑節(jié)能標準和法規(guī)，采取一系列的節(jié)能措施來解決能源問題。［4－5］加強墻體結構的保溫隔熱措施，是建筑節(jié)能的重要組成部分;而?；⒅榛炷潦切滦途G色環(huán)?；炷?，是在傳統(tǒng)的混凝土中加入輕骨料“?；⒅椤奔巴饧觿┒纬傻囊环N既具有傳統(tǒng)混凝土力學性能又具有保溫性能的人造石材。［6－7］由于?；⒅榫哂匈|輕、導熱系數(shù)低、防火、耐高低溫、抗老化及理化性能穩(wěn)定等良好性能，可使摻有?；⒅榈幕炷练阑?、耐久性、保溫性能等有所提高，因此特別適用于有保溫節(jié)能要求的建筑物圍護結構構件。這種新型?；⒅榛炷潦且环N真正意義上的綠色環(huán)保產(chǎn)品，在創(chuàng)造巨大經(jīng)濟效益、社會效益的同時，也凈化了環(huán)境，具有極佳的環(huán)境效益。?；⒅榛炷恋难芯窟€處于初級階段，進一步確定其配合比及力學性能指標是目前亟需解決的問題，在解決問題的同時也為國家的環(huán)保節(jié)能做出了貢獻。
基于以上認識，本文結合建筑垃圾的混凝土再生利用，選取再生粗骨料取代率為100%，對不同再生細骨料取代率及?；⒅轶w積摻量對混凝土性能的影響進行了試驗研究，并得出一些有意義的結論。
1 ?；⒅楸鼗炷恋呐浜媳仍O計
1.1 試驗原材料
再生粗骨料及試驗所用材料參數(shù)詳見文獻［8］，再生細骨料的主要性能見表1。?；⒅?粒度0.5～1.5 mm，容重 110 kg/m3，導熱系數(shù)0.047～0.054 W/(m·K)，筒壓強度38% ～46%，耐火度1 280℃ ～1 360℃。
表1 再生細骨料的主要性能
1.2 ?；⒅楸鼗炷僚浜媳仍O計
參考JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規(guī)程》進行再生保溫混凝土的配合比設計，再生混凝土的試配強度可以按以下公式確定:
σ的取值見表2，取σ =5.0，由此得出fcu，0=38.225 MPa
表2 σ取值表
由于再生集料的吸水率較大，且不同來源的再生集料的吸水率差別也較大，因而與普通混凝土不同的是，再生混凝土的用水量或水灰比必須考慮再生集料的吸水率。
再生混凝土的用水量和水灰比，可分總用水量和總水灰比與凈用水量和凈水灰比。所謂凈用水量指的是不包括再生集料吸水率在內的混凝土用水量，相應的水灰比則為凈水灰比。而總用水量則是指包括再生集料吸水率在內的混凝土用水量，相應的水灰比則為總水灰比。
由于不同再生集料的吸水率差別較大，所以在再生混凝土配合比設計中水灰比通常用凈用水量或凈水灰比表示。只有在使用再生細集料時，由于再生細集料的吸水率很難準確測定，才允許用總用水量和總水灰比表示。［9］
根據(jù)已知的再生混凝土的試配強度fcu，0及所用水泥的實際強度或水泥強度等級，按照混凝土強度公式計算出凈水灰比為:
回歸系數(shù)根據(jù)JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規(guī)程》取值為0.46，0.07。
其中，rc為水泥強度等級值的富余系數(shù)，可按實際統(tǒng)計資料確定;fce，g為水泥強度等級值(MPa)。
取rc=1.13，fce，g=42.5 得出再生混凝土的凈水灰比為0.56?？紤]到再生混凝土的力學及耐久性能較普通混凝土低，進行配合比設計時適當調低參考的凈水灰比0.01～0.05，因此采用再生混凝土的凈水灰比取0.55。
考慮到試驗的?；⒅楸鼗炷林饕糜诨炷列⌒涂招钠鰤K，該類砌塊是采用半自動或全自動砌塊成型機進行生產(chǎn)的，成型后立即脫模，所以必須采用干硬性混凝土，因此本文取再生混凝土的坍落度為10～30 mm。根據(jù)生產(chǎn)混凝土空心砌塊要求的坍落度和粗集料的最大粒徑查閱JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規(guī)程》的相應表格，確定單方混凝土的參考用水量，并在此基礎上增加5%作為最終的凈用水量(表3)。取單方再生混凝土的參考凈用水量為270～285 kg/m3。
表3 再生混凝土的不同粒徑凈用水量
根據(jù)實測的再生粗集料吸水率，求出每立方米再生混凝土的附加用水量。凈用水量與附加用水量之和為每立方米再生混凝土的總用水量，即:
其中，mwt為每立方米再生混凝土的總用水量(kg);mwn為每立方米再生混凝土的凈用水量(kg);mwa為每立方米再生混凝土的附加用水量(kg);mg為每立方米再生混凝土的粗集料用量(kg);Wwg為再生粗集料的吸水率(%);r為再生粗集料的取代率(%)。
查閱JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規(guī)程》，水灰比為0.25，粗骨料最大粒徑為10 mm，選取砂率為0.4。綜上所述，初定再生混凝土的基準組配合比參數(shù)為:凈水灰比為0.25，砂率為0.4，單方凈用水量為270 kg/m3，再生粗骨料摻量100%，水泥用量384 kg/m3，水泥體積(m3):
根據(jù)已確定的凈用水量、水泥用量、砂率，通過式(7)和式(8)用體積法分別求得再生粗骨料、砂的用量:
式(7)中，α為再生混凝土的含氣量百分數(shù)，初步取值為1%。
由此可得，再生粗骨料的用量mg=1 205 kg/m3，砂的用量301 kg/m3，水的用量mw=285 kg/m3。
因此再生混凝土初步配合比為:水灰比0.25，每立方米混凝土中各材料用量為:再生粗骨料用量1 205 kg/m3，水泥用量384 kg/m3，粉煤灰用量96 kg/m3，大田中砂用量301 kg/m3，水用量285 kg/m3。
再生粗骨料的取代率為100%，再生細骨料的取代率分別0%、50%、100%，玻化微珠摻量取占混凝土總體積比 120%、110%、100%、90%、80%、60%，進行再生混凝土的試配，則再生混凝土配合比初步設計如表4所示。表4中①為中砂用量，NC為301 kg/m3，其余為7.52 kg/m3，即再生細骨料取代率0%;②為再生細骨料和中砂，NC為150.5 kg/m3，其余為3.76 kg/m3，即再生細骨料取代率50%;③為再生細骨料，NC為301 kg/m3，其余為7.52 kg/m3，即再生細骨料取代率100%。
表4 再生混凝土配合比初步設計
2 ?；⒅楸鼗炷猎囼灲Y果分析
?；⒅楸鼗炷恋臏y試結果詳見表5及圖1～圖4。
圖1 不同細骨料取代率時玻化微珠摻量和28 d抗壓強度的關系
圖2 不同細骨料取代率時?；⒅閾搅亢蛯嵯禂?shù)的關系
圖3 不同細骨料取代率時?；⒅閾搅亢兔芏鹊年P系
圖4 不同細骨料取代率時密度和導熱系數(shù)的關系
表5 再生保溫混凝土試驗結果
由表5及圖1～圖4可知:
1)不同再生細骨料取代率時，隨?；⒅轶w積摻量的增加，混凝土28 d抗壓強度均降低;相同的玻化微珠體積摻量時，細骨料取代率越大，混凝土28 d抗壓強度越低，但在?；⒅轶w積摻量為80%、細骨料取代率50%時的強度反而比不摻加細骨料時略高，這可能是由于細骨料吸水率較大，導致有效水灰比降低而造成的，其機理有待于進一步深入研究。
2)隨?；⒅轶w積摻量的增加，不同再生細骨料取代率的混凝土導熱系數(shù)均降低，表明其保溫性能增加，且玻化微珠摻量為0% ～60%時導熱系數(shù)降低的幅度更大;相同的?；⒅轶w積摻量時，細骨料取代率越大，相應的導熱系數(shù)越低。這與?；⒅樵偕炷恋淖员貦C理有關，即自保溫的實現(xiàn)是由于?；⒅楸旧硎禽p質的封閉氣孔，其導熱系數(shù)較低，保溫性能較好，體積摻量越多，在再生混凝土分布的封閉氣孔就越多，導致其密度、強度和導熱系數(shù)均降低;但由于再生細骨料本身具有一定的孔隙，因此隨著再生細骨料摻量的增加，使再生混凝土中孔隙分布更多，以致出現(xiàn)以上試驗現(xiàn)象。
3)隨著?；⒅轶w積摻量的增加，混凝土密度均降低，?；⒅轶w積摻量在0% ～60%區(qū)間時降低的幅度更大;玻化微珠體積摻量相同時，再生細骨料取代率越大，再生混凝土的密度越小。
4)再生混凝土導熱系數(shù)隨著密度降低而減小，且隨再生細骨料取代率的增大，密度降低導致的導熱系數(shù)降低的幅度也越大，這與以往的研究結論一致。［10］其原因如下:再生混凝土密度降低主要是由于?；⒅轶w積摻量增大和再生細骨料取代率增加而導致的，而無論是?；⒅檫€是再生細骨料，本身都有一定的空隙，摻量增加，使混凝土材料空隙更多，導致其密度下降，導熱系數(shù)降低，保溫性能增加。由圖4可以預測，如采取適當摻加外加劑等措施，使再生自保溫混凝土材料密度降低到1 800 kg/m3以下時，導熱系數(shù)將進一步降低。
3 結論
本文探討了玻化微珠保溫混凝土的配合比設計，再生粗骨料取代率為100%，試驗研究了再生細骨料取代率及?；⒅轶w積摻量對玻化微珠保溫混凝土性能的影響，試驗結果表明:
隨著?；⒅轶w積摻量的增加，不同再生細骨料取代率時的?；⒅楸鼗炷恋拿芏?、導熱系數(shù)及28 d抗壓強度均降低;再生混凝土導熱系數(shù)隨著密度降低而減小，且隨再生細骨料取代率的增大，密度降低導致的導熱系數(shù)降低的幅度也越大，可以預測，如采取適當摻加外加劑等措施，使再生自保溫混凝土材料密度降低到1 800 kg/m3以下時，導熱系數(shù)將進一步降低。試驗結果對于?；⒅榛炷帘匦阅艿膬?yōu)化設計具參考價值。
［1］武涌，孫金穎，呂石磊.歐盟及法國建筑節(jié)能政策與融資機制借鑒與啟示［J］.建筑科學，2010(2):1 －12.
［2］涂逢祥.大力推進建筑節(jié)能迫在眉睫［J］.墻材革新與建筑節(jié)能，2004(7):7－8.
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