劉 歡 姚韋靖

(安徽理工大學土木建筑學院，安徽 淮南 232001)

陶粒保溫承重混凝土的力學性能與熱工性能研究

劉 歡 姚韋靖

(安徽理工大學土木建筑學院，安徽 淮南 232001)

通過對陶粒保溫承重混凝土力學性能與熱工性能實驗數(shù)據(jù)進行分析，得出了各因素對其表觀密度、導熱系數(shù)、抗壓、抗拉、抗折強度的影響，并確定了主次順序，同時通過功效系數(shù)法，確定了混凝土綜合性能最佳配合比。

陶粒，保溫承重構(gòu)件，導熱系數(shù)

1 概述

陶粒保溫承重混凝土將保溫與承重結(jié)合起來，是一種抗震、經(jīng)濟、節(jié)能型的新的建筑結(jié)構(gòu)體系，這是建筑材料節(jié)能方面的一個創(chuàng)新。本文從陶粒保溫承重混凝土的組料、配比及其物理力學性能和熱工性能開展了試驗研究工作[1-8]。

2 材料基本組料試驗分析

2.1 陶粒保溫承重混凝土材料組成

根據(jù)建筑工程材料混凝土結(jié)構(gòu)分析，確定陶粒保溫承重混凝土材料的組成見表1。

2.2 主要組料

1)膠凝材料。 選擇水泥、粉煤灰作為陶粒保溫承重混凝土的膠凝材料,以有效提高材料強度。

實驗表明摻入粉煤灰后，混凝土的坍落度減少，自身的粘聚性也提高了，從而有效緩解了陶粒上浮問題，而且混凝土漿體的整體比重減小，這是由于粉煤灰的比重為2.0～2.2，而水泥的比重一般都大于30。

表1 陶粒保溫承重混凝土材料組成

2)集料。石子和陶粒為粗骨料，砂石為細骨料，集料在陶粒保溫承重混凝土中起承重和隔熱作用，由表2可以直觀的看出三種集料的導熱系數(shù)及容重。由此可見，陶粒材料的使用會大大降低混凝土的導熱系數(shù)。

表2 材料導熱系數(shù)表

由于陶粒密度小，內(nèi)部多孔，形態(tài)、成分較均一，且具一定強度和堅固性，因而具有質(zhì)輕，耐腐蝕，抗凍，抗震和良好的隔絕性等多功能特點[9,10]。實驗表明摻入適量的陶粒能夠有效地提高混凝土的強度和隔熱性能。實驗選用了以下三種陶粒，其介紹如圖1，表3所示。

表3 頁巖陶粒技術(shù)指標

3)外摻料。為有效地增強混凝土的韌性，有效地控制混凝土的塑性收縮、干縮、溫度變化等因素引起的微裂縫，有效地改善混凝土的抗裂抗?jié)B性能，實驗中選用聚丙烯纖維作為外摻料，混凝土中摻入聚丙烯纖維后還能增強抗沖擊、抗沖磨、抗凍融、抗震能力。

4)外加劑。減水劑是指在保持混凝土和易性及水泥用量不變的前提下，能減少混凝土拌合的用水量、提高混凝土的強度；或在強度不變的前提下，節(jié)約水泥使用量的外加劑。

3 實驗方案設(shè)計

采用正交方法對陶粒保溫承重混凝土進行了多種配合比試驗，測試了試件的熱力性能和力學性能，并對影響陶粒保溫承重混凝土的因素進行了極差分析，得出了影響因素的主次順序。

3.1 陶粒保溫承重混凝土配合比設(shè)計及測試結(jié)果

陶粒保溫承重混凝土配合比設(shè)計以計算1 m3混凝土中各材料用量為基準，骨料以干燥狀態(tài)(粗骨料含水率小于0.2%，細骨料含水率小于0.5%)為基準。

確定本次試驗初步配合比中，頁巖陶粒有Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ三類，其摻量取替代石子的20%，40%，60%三個水平；粉煤灰取替代水泥量為10%，20%，30%三個水平；每立方米混凝土摻0.9 kg聚丙烯纖維；聚羧酸減水劑的摻量為膠凝材料的0.5%，試驗因素水平及實驗結(jié)果如表4所示。

表4 各個配比綜合性能數(shù)據(jù)表

配置出的陶粒隔熱承重混凝土表觀密度在1 593 g～2 067 g之間，導熱系數(shù)在0.202 9W/(m·K)～0.325 4W/(m·K)之間，抗壓強度在17.8 MPa～44.6 MPa之間，抗拉強度在1.22 MPa～2.83 MPa之間，抗折強度在2.25 MPa～5.03 MPa之間。

3.2 各因素對考核指標的影響

表觀密度R值、導熱系數(shù)R值、抗壓強度R值、抗拉強度R值、抗折強度R值與各因素的關(guān)系圖如圖2～圖6所示。

通過極差分析得出了各因素對28 d陶粒保溫承重混凝土物理性能影響，表觀密度、抗壓強度和抗拉強度影響順序一樣，為B頁巖陶粒摻量>D砂子用量>A頁巖陶粒級配>C粉煤灰用量；導熱系數(shù)為B頁巖陶粒摻量>A頁巖陶粒級配>C粉煤灰用量>D砂子用量；抗折強度為B頁巖陶粒摻量>A頁巖陶粒級配>D砂子用量>C粉煤灰用量?；炷恋谋砻婷芏?、導熱系數(shù)和強度均主要受陶粒摻量的影響，隨著陶粒取代石子量的增加而降低，同時受陶粒種類和砂率的影響，陶粒粒徑大的可算作粗骨料，而顆粒較小的，可充做細骨料。當采用陶粒Ⅲ同時摻入少量的砂時，混凝土的砂率就會過小，即水泥用量不變，粗集料用量增大，而細集料的用量相對降低，粗集料之間的空隙未被填充密實，混凝土中存在大量孔隙和氣體，導致混凝土表面密度、導熱系數(shù)和強度均降低。當采用陶粒Ⅰ同時摻入大量的砂時，混凝土的砂率就會過大，即水泥用量不變，細集料的用量增大，而粗集料用量相對降低，就會使砂漿本身密實程度降低，陶粒與碎石之間的界面強化度和機械嚙合作用下降，當混凝土破壞時，陶粒本身容易受到破壞，同時界面也會遭到破壞，混凝土強度就會降低，而且過高的砂率很容易產(chǎn)生分層離析和泌水，導致混凝土穩(wěn)定性降低。

3.3 最佳配合比分析

采用功效系數(shù)法對實驗數(shù)據(jù)進行分析，得出最佳配合比。具體分析過程見表5。

表5 正交試驗功效系數(shù)分析表

從這9次試驗中總功效系數(shù)d值的大小可以看出，試驗編號LC9的d=0.87值最大，相對應(yīng)的實驗條件為A3B3C2D1。

4 結(jié)語

1)針對現(xiàn)在建筑工程綠色、節(jié)能、環(huán)保條件要求，提出一種主動的建筑微氣候系統(tǒng)防護結(jié)構(gòu)材料——陶粒，利用自身孔隙率高，傳熱系數(shù)小，滾筒壓力大，其混凝土制品同樣具有良好的承重隔熱效果。

2)實驗對陶粒隔熱承重混凝土材料性能進行研究，得到各組主要技術(shù)指標實驗數(shù)據(jù)以及各因素對表觀密度、導熱系數(shù)、抗壓強度、抗拉強度、抗折強度的影響規(guī)律。為陶粒保溫混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計、熱工分析以及耐久性研究提供更全面的參考依據(jù)。

3)通過功效系數(shù)分析，得出陶粒隔熱承重混凝土綜合性能最佳配合比是試驗編號LC9，即采用頁巖陶粒Ⅲ用量占粗骨料總量的60%，粉煤灰為膠凝材料總量的20%，砂用量為856 kg/m3。該組混凝土的主要技術(shù)指標：表觀密度：1 783 g，導熱系數(shù)：0.228 7 W/(m·K)，抗壓強度：36.4 MPa，抗拉強度：2.83 MPa，抗折強度：3.92 MPa。

[1] 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.

[2] Gyoung SeokChoi,Jae SikKanga,Young SunJeong,et al.An experimental study on thermal properties of eomposition insulation[J].Thermochimica Acta，2007(455):75-79.

[3] 李 珠，張澤平，劉元珍.建筑節(jié)能的重要性及一項新技術(shù)[J].工程力學，2006(12):143.

[4] 倪 虹,牟 磊.借鑒國外經(jīng)驗,促進建筑節(jié)能[J].節(jié)能,2002(5):27-29.

[5] 湖南大學,天津大學,同濟大學,等.土木工程材料[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2011.

[6] 顧天舒,謝連玉,陳 革.建筑節(jié)能與墻體保溫[J].工程力學,2006(23):141-149.

[7] 雷紅鵬.民用建筑結(jié)構(gòu)節(jié)能原理研究[D].天津：天津大學,2003.

[8] 中國建筑科學研究院混凝土研究所.國外輕骨料混凝土應(yīng)用[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1982.

[9] JGJ 51—2002，輕集料混凝土技術(shù)規(guī)程[S].

[10] 范錦忠.粉煤灰陶?；炷恋闹饕阅芎蛻?yīng)用[J].粉煤灰,2008(2):45-48.

[11] 王立久，張樹忠，趙國藩.輕集料混凝土配合比設(shè)計[J].混凝土與水泥制品,2002(1)：155-159.

Research on ceramsite insulation bearing of the mechanical properties and thermal properties of concrete

Liu Huan Yao Weijing

(CivilandArchitectureSchool,AnhuiUniversityofScienceandTechnology,Huainan232001,China)

Through the experimental data of mechanical properties of concrete load-bearing and thermal performance of ceramisite is analyzed, the factors are obtained on the apparent density, coefficient of thermal conductivity of concrete, compressive strength, tensile strength, bending strength, and determine the primary and secondary order, at the same time, through the efficacy coefficient method, the best comprehensive performance of concrete mixture ratio.

ceramsite, insulation bearing component, coefficient of thermal conductivity

2015-01-18

劉 歡(1989- )，女，在讀碩士； 姚韋靖(1990- )，男，在讀碩士

1009-6825(2015)09-0097-03

TU528

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