龐建勇，黃金坤，姚文杰，劉 歡，姚韋靖

（安徽理工大學 土木建筑學院，安徽 淮南 232001）

1 研究背景

?；⒅槭且环N玻璃材質無機材料，由巖粉膨化加工形成的不規(guī)則球體，具有輕質、隔熱、保溫、吸水率小等優(yōu)良特性，將其摻入到混凝土中形成保溫隔熱混凝土。

張建雋等［1］、張澤平等［2］由正交試驗分析了?；⒅楸鼗炷晾锩娌；⒅榈膿搅亢椭囟?、水泥的強度等級和用量、砂的用量對混凝土抗壓強度和導熱系數(shù)的影響關系。馮文黨等［3］研究了水灰比和水泥用量等因素對?；⒅榛炷翉姸鹊挠绊戧P系，選出了最佳的混凝土抗壓強度配合比，建立了軸心抗拉強度與抗壓強度的數(shù)學關系式。宋雪嬌等［4］提出了玻化微珠（替換細骨料）和再生粗骨料替換率與混凝土抗壓強度和導熱系數(shù)之間的關系，結果表明：提高再生粗骨料的替換率和?；⒅榈膿搅磕軌驕p小混凝土的抗壓強度和導熱系數(shù)。作為近年來研制出的新型建筑材料，陶粒具有高效的隔熱保溫性能、良好的抗?jié)B性、較強的耐蝕性和抗沖擊性等特點［5］。李瑞等［6］、劉喜等［7］、龔平［8］通過正交試驗對陶粒混凝土進行配合比和性能研究。楊健輝等［9］、李培濤等［10］對頁巖陶?；炷练謩e進行了保溫性能和強度試驗研究。粉煤灰作為礦物摻合料摻入到混凝土中用來降低對水泥的需求量，同時降低成本。孫陽等［11］將粉煤灰摻入混凝土中研究混凝土導熱系數(shù)的變化，王鋒峰等［12］研究了原狀粉煤灰混凝土強度特性。

在上述研究基礎上，本文研究陶粒、憎水?；⒅榧胺勖夯业膿搅浚云谘兄瞥鲆环N新型的保溫隔熱混凝土配方，在滿足強度要求的同時降低導熱系數(shù)，解決煤礦巷道熱害問題和滿足巷道噴層強度要求。

2 試 驗

2.1 試驗原材料

水泥：淮南產(chǎn)P·O 42.5級復合硅酸鹽水泥。拌合水：普通自來水。砂子：中砂，細度模數(shù)為2.8，含泥量低于2%，堆積密度為1 470 kg／m3。石子：淮南產(chǎn)瓜子片石，顆粒級配5～10 mm，壓碎指標為7.5%，含泥量低于0.2%，堆積密度為1 580 kg／m3。?；⒅椋汉幽闲抨柈a(chǎn)憎水?；⒅?，密度為80 kg／m3，閉孔率＞95%，吸水率為 10%，導熱系數(shù)為0.022～0.044 W／（K·m），耐火度在1 300～1 400℃之間，使用溫度低于1 000℃，粒度為0.6～1.6 mm，筒壓強度（1 MPa壓力的體積損失率）為29%～41%，主要化學成分為SiO2和Al2O3。陶粒：安徽省淮南市八公山某廠家生產(chǎn)，最大粒徑為15 mm，吸水飽和率10%，軟化系數(shù)0.81，堆積密度637 kg／m3。減水劑：聚羧酸減水劑。粉煤灰：淮南產(chǎn)I級粉煤灰，細度8%，需水量95%，SO3低于3%，燒失量5%，含水量低于1%，游離氧化鈣低于1%。

2.2 正交試驗設計

為保證試驗結果可靠，減少工作量，選用正交試驗法來設計試驗，本次試驗共有4個影響因素：陶粒取代石子用量（A）、憎水玻化微珠體積占混凝土體積百分比（B）、粉煤灰取代水泥用量（C）和砂子用量（D），每個影響因素設計3個水平，查看正交表L9（34），試驗設計方案見表 1。

表1 試驗因素與水平Table1 Factors and levels of orthogonal design

2.3 試件制作

試驗試件總共分為4個大組，分別用來測定試件的抗壓強度、抗拉強度、抗折強度以及導熱系數(shù)，而每一個大組又分為9個小組，每個小組有3個試塊，總共制作108個試塊。尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的試塊用來測定抗壓和抗拉強度，尺寸為400 mm×100 mm×100 mm的試塊用來測定抗折強度，尺寸為300 mm×300 mm×30 mm的試塊用來測導熱系數(shù)，試塊在制作好后的第2天拆模，然后在標準養(yǎng)護條件下養(yǎng)護28 d，各組試塊的最終配比見表2。

表2 混凝土材料配合比Table2 Mix proportions of concrete specimens kg／m3

3 試驗結果及分析

3.1 試驗結果

對試驗過程中記錄的數(shù)據(jù)進行處理，整理分析后的試驗結果見表3。

表3 各項正交試驗結果Table3 Results of the orthogonal experiment

3.2 極差分析

對表3給出的試驗結果進行極差分析，求出各個因素對不同測試對象的極差，極差分析結果見表4。

表4 正交試驗各因素極差分析結果Table4 Ranges of the orthogonal experiment on each element

表4的結果顯示，對導熱系數(shù)，各因素的影響順序為憎水玻化微珠＞陶粒＞砂子＞粉煤灰；對抗壓強度，各因素的影響順序為憎水?；⒅椋咎樟＃旧白樱痉勖夯?；對抗拉強度，各因素的影響順序為憎水?；⒅椋咎樟＃旧白樱痉勖夯?；對抗折強度，各因素的影響順序為陶粒＞憎水玻化微珠＞砂子＞粉煤灰。對混凝土的導熱系數(shù)、抗壓強度和抗拉強度的極差分析表明，憎水?；⒅楹吞樟Ｊ怯绊懟炷列阅艿闹饕蛩厍移鋽?shù)值較為接近，但對于抗折強度的極差分析，陶粒是主要影響因素且超過憎水?；⒅閷炷列阅艿挠绊?。

3.3 方差及貢獻率分析

根據(jù)極差分析的結果可以將試驗中各個因素的影響按順序得出，但不能將試驗過程中因素水平的變化和試驗的誤差所引起的變化區(qū)分開來，所以需要對數(shù)據(jù)再進行方差分析。方差分析僅可以反映各因素及誤差的重要性，為了求出各因素在試驗結果中所占的比例，再引入貢獻率分析［13－14］。表 5—表8分別對各因素對導熱系數(shù)、抗壓強度以及劈裂抗拉強度作了方差分析以及貢獻率分析。

表5的方差分析表明，憎水玻化微珠的影響最顯著，陶粒次之，粉煤灰與砂子的影響較小，與極差分析的結果一致。再由各因素與誤差的貢獻率得出，憎水?；⒅榈呢暙I率最大，其引起的數(shù)據(jù)波動占總的純離差平方的42.11%，接近誤差貢獻率的4倍；陶粒引起的數(shù)據(jù)波動占總的純離差平方和的36.84%，接近誤差的3倍；粉煤灰對導熱系數(shù)幾乎沒有影響，其貢獻率為0；砂子引起的數(shù)據(jù)波動較之誤差所引起的數(shù)據(jù)波動的貢獻率略有不足，在試驗數(shù)據(jù)處理時需注意。

表6的方差分析表明，憎水?；⒅?、陶粒、粉煤灰和砂子對混凝土抗壓強度的影響均特別顯著，且重要性與極差分析結論相同。貢獻率結果表明，憎水玻化微珠引起的數(shù)據(jù)波動占總的純離差平方和的37.34%；陶粒引起的數(shù)據(jù)波動占總的純離差平方和的30.67%；砂子引起的數(shù)據(jù)波動占總的純離差平方和的23.14%；粉煤灰引起的數(shù)據(jù)波動占總的純離差平方和的8.46%。各因素對混凝土抗壓強度的貢獻率均遠大于誤差的貢獻率，故試驗結果可不考慮誤差的影響。

表7的方差分析表明，憎水?；⒅閷炷量估瓘姸扔绊戯@著，陶粒有一定的影響，粉煤灰和砂子幾乎沒有影響。由貢獻率分析得出，憎水?；⒅橐鸬臄?shù)據(jù)波動占總的純離差平方和的44%，為誤差的5.5倍；陶粒引起的數(shù)據(jù)波動占總的純離差平方和的30%；砂子引起的數(shù)據(jù)波動占總的純離差平方和的10%；粉煤灰引起的數(shù)據(jù)波動為誤差所引起的數(shù)據(jù)波動的0.75倍，與極差的分析結果吻合。

表8的方差分析表明，陶粒對混凝土抗折強度的影響特別顯著，憎水玻化微珠和粉煤灰相當，砂子影響最小。由貢獻率分析得出，陶粒引起的數(shù)據(jù)波動占總的純離差平方的60.61%，遠遠超過誤差的貢獻率；粉煤灰引起的數(shù)據(jù)波動占總的純離差平方和的15.00%；憎水?；⒅橐鸬臄?shù)據(jù)波動占總的純離差平方和的14.91%；砂子引起的數(shù)據(jù)波動為誤差引起的數(shù)據(jù)波動的3.51倍，該項與極差分析結果不吻合，需進一步通過試驗研究其原因。

表5 導熱系數(shù)方差分析及各因素與誤差貢獻率結果Table5 Variance analysis and contribution rate of factors and errors to heat conductivity coefficient

表6 抗壓強度方差分析及各因素與誤差貢獻率結果Table6 Variance analysis and contribution rate of factors and errors to compressive strength

表7 抗拉強度方差分析及各因素與誤差貢獻率結果Table7 Variance analysis and contribution rate of factors and errors to tensile strength

表8 抗折強度方差分析及各因素與誤差貢獻率結果Table8 Variance analysis and contribution rate of factors and errors to flexural strength

3.4 正交試驗層次分析

正交試驗層次分析［15］是處理正交試驗試驗結果的另一種有效方法，通過該方法可得出各因素水平對混凝土性能的的影響權重，分析結果見表9。

由表9可見：

（1）對于抗壓強度，陶粒的3個水平中，A1（20%）的影響權重為最大；憎水?；⒅榈?個水平中，以B1（60%）的影響權重最大；粉煤灰的3個水平中，以C2（20%）的影響權重最大；砂子的3個水平中，以D2（571 kg／m3）的影響權重最大。

（2）對于抗拉強度，陶粒的 3個水平中，以A1（20%）的影響權重最大；憎水?；⒅榈?個水平中，以B1（60%）的影響權重最大；粉煤灰的3個水平中，以C2（20%）的影響權重最大；砂子的3個水平中，以 D2（571 kg／m3）的影響權重最大。

（3）對于抗折強度，陶粒的 3個水平中，以A1（20%）的影響權重最大；憎水玻化微珠的3個水平中，以B1（60%）的影響權重最大；粉煤灰的3個水平中，以C2（20%）的影響權重最大；砂子的3個水平中，以 D3（428 kg／m3）的影響權重最大。

（4）對于導熱系數(shù)，陶粒的 3個水平中，以A1（20%）的影響權重最大；憎水玻化微珠的3個水平中，以B1（60%）的影響權重最大；粉煤灰的3個水平中，以C1（10%）的影響權重最大；砂子的3個水平中，以 D1（856 kg／m3）的影響權重最大。

3.5 因素指標分析

根據(jù)正交試驗法，對所有的試驗數(shù)據(jù)進行因素指標分析［16］。由表2可以求出各因素在各個水平下的指標平均值，同時為了方便在圖表上表示，此處將各因素的各個變化水平的值簡化為數(shù)值1，2和3。

由圖1（a）可看出：

圖1 各因素水平與4個性能之間的關系Fig.1 Relationship between factor levels and four properties

表9 因素各水平對各性能的影響權重Table9 Impact weight of each level of factor on concrete properties

（1）陶粒的摻量從20%增加到40%，混凝土的導熱系數(shù)減小了9.33%；而當陶粒的摻量從40%增加到60%，混凝土的導熱系數(shù)減小了4.95%，這表明陶粒的摻量在20%～40%之間時對保溫隔熱混凝土的導熱系數(shù)影響較大。

（2）當憎水玻化微珠的摻量從60%增長到100%時，導熱系數(shù)降低了11.68%；而摻量從100%增長到140%時，導熱系數(shù)降低了2.67%，說明憎水玻化微珠的摻量在60%～100%之間較為適宜。

（3）當粉煤灰的摻量為10%～20%時，導熱系數(shù)降低了3.36%；而摻量從20%增加到30%時，導熱系數(shù)增加了3.08%。通過對圖 1中的（b），（c）和（d）觀察可知粉煤灰摻量取在20%最好，此時導熱系數(shù)最低，抗壓、抗拉以及抗折強度均達到最大；砂子的用量從856 kg／m3降低到 571 kg／m3時，導熱系數(shù)降低了3.5%，而用量從571 kg／m3降低到428 kg／m3時，導熱系數(shù)又降低了4.65%，所以砂子用量宜在571～428 kg／m3之間。

圖 1（b），1（c）和 1（d）表明，混凝土的抗壓、抗拉和抗折強度隨著陶粒和憎水?；⒅榈膿搅康脑黾佣档停S著粉煤灰摻量的增加和砂子用量的減少而先增加后減少，區(qū)別在于波動幅度不同。

3.6 功效系數(shù)分析

對上述所有的功能進行功效系數(shù)分析［17］，將對指標有利的因素考慮為1，其他參數(shù)與其相比取值，求出每一個指標的功效比，最后再求出總的功效系數(shù)，見表10。

由表10可知，2號試件的總功效系數(shù)達到最大，為0.94。而功效系數(shù)越大，表明該組試驗方案配比越佳，故根據(jù)上述分析，可以得出最優(yōu)試驗組合方案為A1B2C2D2。

表10 功效系數(shù)分析結果Table10 Efficacy coefficient

4 結 論

（1）混凝土的導熱系數(shù)、抗壓和抗拉強度均主要受到憎水?；⒅榈挠绊?，同時其摻量也是影響混凝土抗折強度的次要因素，對混凝土性能的影響重要性特別顯著；故當憎水?；⒅榈膿搅窟x在60%～100%之間時，混凝土的各項性能均會改變明顯。

（2）當混凝土的導熱系數(shù)降到最低，抗壓、抗拉以及抗折強度也同時達到最大，此時粉煤灰的摻入量從10%變化到20%；當摻量繼續(xù)從20%變化到30%后，導熱系數(shù)升高，強度降低。所以混凝土性能最佳時的粉煤灰摻入量為20%。

（3）對于保溫隔熱混凝土，憎水?；⒅榈膿搅繉炷翆嵯禂?shù)，抗壓和抗拉強度的影響最大，其次是陶粒的摻量，再其次是砂子的用量，最次是粉煤灰的摻量；對于抗折強度則是陶粒的摻量影響最大，憎水?；⒅槭谴我挠绊懸蛩亍?/p>

（4）正交試驗研制出的保溫隔熱混凝土為噴射混凝土，與普通噴射混凝土相比，總體成本略有增加。在不降低強度的前提下，導熱系數(shù)明顯降低，達到了巷道降溫的預期效果，具有較為顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。

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