吳輝琴 李柱 吳超 王痛快 張騰 淳野楊 解小娟

摘 要：陶?；炷疗鰤K以綠色環(huán)保、節(jié)能低耗的特性成為節(jié)能建筑發(fā)展的熱門.采用圓球型頁巖陶粒和膨脹珍珠巖兩種材料替代石子和砂子作為輕粗骨料和輕細(xì)骨料，以粉煤灰替代部分水泥，添加必要的外加劑，通過正交試驗(yàn)研制了一種新型的輕質(zhì)節(jié)能陶?；炷疗鰤K，該砌塊抗壓強(qiáng)度大于5 MPa，抗折強(qiáng)度達(dá)到2 MPa，表觀密度≤1 200 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)低于0.7 W/（m·K）～0.8 W/（m·K）.經(jīng)分析和物理力學(xué)性能試驗(yàn)表明：砌塊配合比設(shè)計(jì)合理，抗裂性能、隔音效果良好，是適合南方使用的輕質(zhì)節(jié)能型墻體材料.

關(guān)鍵詞：輕質(zhì)節(jié)能；陶?；炷疗鰤K；配合比；正交試驗(yàn)

中圖分類號：TU528.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

發(fā)展輕質(zhì)節(jié)能的新型墻體材料，是我國建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的客觀要求[1-2].陶粒和膨脹珍珠巖兩種輕集料材料由于具有表觀密度低、保溫隔熱性能及耐久性能好等優(yōu)點(diǎn)已倍受關(guān)注，并在研制替代粘土磚的新型墻材中顯現(xiàn)出特別優(yōu)勢[3-4].用陶粒替代石子做輕粗骨料，膨脹珍珠巖替代砂子做輕細(xì)骨料，粉煤灰替代部分水泥形成復(fù)合膠凝材料，與其他外加劑配合，研制輕骨料混凝土砌塊，不僅解決自然資源不足的問題，而且對地方工業(yè)廢料的回收利用、保護(hù)環(huán)境、節(jié)能減排具有較大的意義，并產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益[5-7].

采用圓球型頁巖陶粒和膨脹珍珠巖作為主要原材料，以水泥、粉煤灰作為膠凝材料，同時(shí)添加聚丙烯纖維和外加劑等，通過設(shè)計(jì)6因素3水平的正交試驗(yàn)，研制了一種輕質(zhì)節(jié)能混凝土小型砌塊，并通過數(shù)學(xué)分析方法結(jié)合試驗(yàn)研究結(jié)果調(diào)整、優(yōu)化正交試驗(yàn)結(jié)果，保證該種砌塊抗壓強(qiáng)度不低于5 MPa，抗折強(qiáng)度不低于2 MPa，表觀密度不超過1 200 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)在0.7 W/（m·K）～0.8 W/（m·K）間，滿足規(guī)范要求和建設(shè)部門提出的新型墻體材料的目標(biāo).

1 原材料的選擇

1）水泥：廣西魚峰集團(tuán)生產(chǎn)的P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥.主要性能指標(biāo)見表1.

2）粉煤灰：廣西來賓電廠出產(chǎn)的F類Ⅰ級粉煤灰，表觀密度2.24 g/cm3，比表面積423 m2/kg，用于取代部分水泥合成復(fù)合膠凝材料，調(diào)整和改善混凝土的和易性[8-9].粉煤灰主要成分見表2.

3）陶粒：根據(jù)砌塊性能指標(biāo)，考慮堆積密度、筒壓強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)、吸水率、級配等指標(biāo)，從4種粒徑陶粒中選擇宜昌寶珠陶粒開發(fā)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的圓球型頁巖陶粒，其實(shí)物圖和主要技術(shù)指標(biāo)分別見圖1和表3.

4）膨脹珍珠巖：根據(jù)砌塊性能指標(biāo)，通過初步配合比設(shè)計(jì)，選擇柳州市琦隆保溫建材有限公司生產(chǎn)的堆積密度為90 kg/m3膨脹珍珠巖，其實(shí)物圖和主要技術(shù)指標(biāo)分別見圖2、表4.

5）水：普通自來水.

6）聚丙烯纖維：白色半透明狀，呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)或單絲結(jié)構(gòu)，在水中或在混凝土的拌合過程中可分散成絲狀，主要目的提高混凝土砌塊的抗折強(qiáng)度，改善砌塊的韌性、耐久性，聚丙烯纖維的材料性能見表5.

7）減水劑：蘇州弗克技術(shù)股份有限公司生產(chǎn)的聚羧酸高效減水劑，減水率為30%.

2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目研制的輕質(zhì)節(jié)能混凝土砌塊的設(shè)計(jì)參數(shù)包括抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和表觀密度、導(dǎo)熱系數(shù)，根據(jù)委托方要求：混凝土砌塊28 d抗壓強(qiáng)度等級不低于5 MPa，抗折強(qiáng)度不低于2 MPa，砌塊的干表觀密度不大于1 200 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)的要求為0.7 W/（m·K）～0.8 W/（m·K）.因此，采用正交試驗(yàn)方法確定輕質(zhì)節(jié)能陶?；炷疗鰤K的配合比，評價(jià)指標(biāo)為砌塊28 d抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、表觀密度和導(dǎo)熱系數(shù).

2.1 正交試驗(yàn)因素和水平的確定

混凝土配合比設(shè)計(jì)采用松散體積法.根據(jù)項(xiàng)目要求，本試驗(yàn)共有6種原材料，為綜合考慮6種原材料對優(yōu)化配比的影響，故將6種原材料分別設(shè)計(jì)為6個因素，其中6因素為水泥、粉煤灰、陶粒、膨脹珍珠巖、水和聚丙烯纖維摻量（分別以A，B，C，D，E，F(xiàn)表示），根據(jù)《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》（JGJ51-2002）[10]確定3水平為：1）膠凝材料總量為300 kg，其中粉煤灰取代水泥比率分別為40%，50%，60%；2）每立方米陶粒和膨脹珍珠巖的松散體積分別取值為1.25 m3，1.375 m3，1.5 m3；3）水膠比取值分別為0.2，0.25，0.3；4）聚丙烯纖維的摻量按水泥用量質(zhì)量的1.2 ‰確定；5）減水劑的摻量按膠凝材料用量的0.5 %確定，故正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)成6因素3水平.因素水平表見表6.

2.2 正交試驗(yàn)方案

設(shè)計(jì)的正交表，試驗(yàn)分組見表7.依據(jù)規(guī)范《輕集料混凝土技術(shù)規(guī)程》（JGJ51-2002）[10] 取樣、制作標(biāo)準(zhǔn)試件，測定砌塊干表觀密度；依據(jù)規(guī)范《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081-2016）[11]取樣、制作標(biāo)準(zhǔn)試件，測定砌塊7 d，28 d抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度[12]，計(jì)算砌塊強(qiáng)度的折壓比，其中折壓比定義為抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度等級之比；依據(jù)規(guī)范《非金屬固體材料導(dǎo)熱系數(shù)的測定方法熱線法》 （GB 10297-98） [13]，采用非穩(wěn)態(tài)測定材料導(dǎo)熱系數(shù)的熱線法，制作標(biāo)準(zhǔn)試件，測定砌塊的導(dǎo)熱系數(shù)λ.18組正交試驗(yàn)結(jié)果見表7.

2.3 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

借助數(shù)學(xué)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)計(jì)算，引入?yún)?shù)Ki，ki，R. Ki定義為某影響因素在第i 水平（i=1，2，3）所對應(yīng)的各項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)總和；而ki定義為某個影響因素在第i 水平對應(yīng)評定指標(biāo)的平均值，ki= Ki/n，n為該影響因素在第i 水平出現(xiàn)的次數(shù)；R代表極差，R=max{k1，k2，k3}-min{k1，k2，k3}.按Ki，ki及R的定義統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算4個評價(jià)指標(biāo)在6因素3水平下的總值Ki，平均値ki及級差R值[14-15]，計(jì)算結(jié)果見表8.分析表8級差結(jié)果：

1）對砌塊28 d抗壓強(qiáng)度，6種因素影響的大小關(guān)系為A>F>C>D>E>B，3種水平的大小關(guān)系為：水泥A1>A3>A2；粉煤灰B3>B1> B2；陶粒C1>C2>C3；膨脹珍珠巖D1>D3>D2；水E2>E3>E1；減水劑F2>F1>F3.因此，抗壓強(qiáng)度配合比設(shè)計(jì)優(yōu)選方案為A1F2C1D1E2B3.

2）對砌塊抗折強(qiáng)度，6種因素影響的大小關(guān)系為F>D>E>C>B>A，3種水平的大小為：水泥A1>A2>A3；粉煤灰B3>B2>B1；陶粒C3>C1>C2；膨脹珍珠巖D3>D1>D2；水E1>E2>E3；減水劑F2>F1>F3.因此，抗折強(qiáng)度配合比設(shè)計(jì)優(yōu)選方案為F2D3E1C3B3A1.

3）對砌塊表觀密度，6種因素影響的大小關(guān)系為A>C>E>F>B>D，3種水平的大小為：水泥A1>A2>A3；粉煤灰B3>B1> B2；陶粒C1>C2>C3；膨脹珍珠巖D3>D2>D1；水E3>E2>E1；減水劑F2>F1>F3 .因此，表觀密度配合比設(shè)計(jì)的優(yōu)選方案為A1C1E3F2B3D3.

4）對導(dǎo)熱系數(shù)，6種因素影響的大小關(guān)系為D>F>B>C>E>A，3種水平的大小為：水泥A3>A1>A2；粉煤灰B1>B2>B3；陶粒C3>C1>C2；膨脹珍珠巖D1>D3>D2；水E1>E2>E3；減水劑F1>F2>F3.因此，導(dǎo)熱系數(shù)配合比設(shè)計(jì)的優(yōu)選方案為D1>F1>B1>C3>E1>A3.

3 配合比優(yōu)化方案確定

將正交配合比設(shè)計(jì)得到的砌塊抗壓強(qiáng)度fcc優(yōu)選方案A1F2C1D1E2B3，抗折強(qiáng)度ft優(yōu)選方案F2D3E1C3B3A1，表觀密度ρ優(yōu)選方案A1C1E3F2B3D3及導(dǎo)熱系數(shù)λ的優(yōu)選方案D1F1B1C3E1A3集合于表9.以這些單一評價(jià)指標(biāo)的優(yōu)選方案為基礎(chǔ)，根據(jù)項(xiàng)目研制的輕質(zhì)節(jié)能混凝土砌塊的技術(shù)考核指標(biāo)，通過理論分析和進(jìn)一步試驗(yàn)研究，確定4個考核指標(biāo)在配合比設(shè)計(jì)中的權(quán)重分別為40%，10%，30%，20%，由表9所列出的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、表觀密度及導(dǎo)熱系數(shù)4種單一性能配合比的最優(yōu)方案，根據(jù)每種優(yōu)化后的指標(biāo)在配合比設(shè)計(jì)中所占的權(quán)重，分別用每種指標(biāo)的最優(yōu)水平乘以其所占的權(quán)重累計(jì)相加（結(jié)果四舍五入）[16]，經(jīng)過計(jì)算，從而設(shè)計(jì)出綜合4個評價(jià)指標(biāo)后得到的配合比設(shè)計(jì)最優(yōu)組合為A1B3C2D2E2F2，即每1 m3各種材料的質(zhì)量比分別為：水泥∶粉煤灰∶陶?！门蛎浾渲閹r∶水∶聚丙烯纖維∶減水劑=180.000∶180.000∶607.750∶43.313∶101.079∶0.180∶1.500（單位：kg）.

4 結(jié)論

按優(yōu)化后配合比制作混凝土砌塊標(biāo)準(zhǔn)試件，開展表觀密度、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別見表10—表13.結(jié)果表明：陶?；炷疗鰤K28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到6.68 MPa，28 d抗折強(qiáng)度達(dá)到3.28 MPa，表觀密度為1 190.9 kg/m3；通過DRX-III型熱線法導(dǎo)熱儀研究砌塊導(dǎo)熱系數(shù)，實(shí)測陶?；炷疗鰤K在20 ℃，25 ℃，30 ℃時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)平均值分別為0.238 92 W/（m·K），0.223 33 W/（m·K）和0.216 16 W/（m·K）.因此，抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、表觀密度及導(dǎo)熱系數(shù)指標(biāo)均達(dá)到建設(shè)單位標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也滿足輕質(zhì)節(jié)能混凝土砌塊規(guī)范要求.

參考文獻(xiàn)

[1] 國家建筑材料工業(yè)局. 輕集料及其試驗(yàn)方法： 第1部分 輕集料：GB/T 17431.1-2010[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.

[2] 中國建筑科學(xué)研究院. 輕骨料混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：JGJ 12-2006[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006.

[3] 劉鵬，吳輝琴，黃炳珍，等.粉煤灰-礦粉-水泥膠凝體系優(yōu)化設(shè)計(jì)的試驗(yàn)研究[J].廣西科技大學(xué)，2014，25（2）：35–39.

[4] YANG K H， MUN J H， SIM J I， et al. Effect of water content on the properties of lightweight alkali-activated slag concrete[J].Journal of Materials in Civil Engineering， 2011， 23（6）：886–894.

[5] SHAFIGH P， MAHMUD H B， JUMAAT M Z， et al. Agricultural wastes as aggregate in concrete mixtures：a review[J]. Construction

and Building Materials， 2014， 53（3）：110-117.

[6] 周云，張雄，張永娟.輕集料混凝土的研究和應(yīng)用[J].上海建材，2008（2）：22-24.

[7] 李珠，張澤平，劉元珍，等. 建筑節(jié)能的重要性及一項(xiàng)新技術(shù)[J]. 工程力學(xué)， 2006， 23（S2）： 141-149.

[8] 吳超.一種輕質(zhì)節(jié)能混凝土小型砌塊的研制[D].柳州：廣西科技大學(xué)，2016.

[9] 中國建筑材料工業(yè)協(xié)會. 用于水泥和混凝土中的粉煤灰：GB/T 1596-2005[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005.

[10] 中國建筑科學(xué)研究院. 輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程：JGJ51-2002[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.

[11] 中國建筑科學(xué)研究院. 普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 50081-2016[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2016.

[12] 畢潔夫，吳輝琴，黃月生，等.竹纖維增強(qiáng)礦粉-粉煤灰水泥基材料力學(xué)性能研究[J].廣西科技大學(xué)，2014，25（2）：26–30.

[13] 國家建筑材料工業(yè)局. 非金屬固體材料導(dǎo)熱系數(shù)的測定 熱線法：GB/T 10297-1998[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1998.

[14] 龔洛書， 柳春圃.混凝土的耐久性及其防護(hù)修補(bǔ)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1990.

[15] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. 普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 50082-2009[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

[16] 王志云.陶粒頁巖的燒成制度及其頁巖陶粒輕質(zhì)混凝土的研究[D].長沙：湖南大學(xué)，2012.

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/m3 and 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

（學(xué)科編輯：黎 婭）