朱明，葉武平，，王發(fā)洲，王晶，楚云波

（1.武漢理工大學(xué) 材料學(xué)院，湖北 武漢　430070；2.中國建筑科學(xué)研究院建筑材料研究所，北京　100013；3.北京建工華創(chuàng)科技發(fā)展股份有限公司，北京　100044）

煤矸石陶?；炷恋妮p質(zhì)化及保溫性能研究

朱明1，葉武平1，2，王發(fā)洲1，王晶2，楚云波3

（1.武漢理工大學(xué) 材料學(xué)院，湖北 武漢430070；2.中國建筑科學(xué)研究院建筑材料研究所，北京100013；3.北京建工華創(chuàng)科技發(fā)展股份有限公司，北京100044）

研究了粉煤灰摻量和體積砂率對用煤矸石陶粒和陶砂作為骨料配制的輕骨料混凝土抗壓強(qiáng)度和干表觀密度的影響，測試了不同強(qiáng)度等級下輕骨料混凝土可以達(dá)到的最小干密度及相應(yīng)的熱導(dǎo)系數(shù)。結(jié)果表明：煤矸石陶?；炷恋目箟簭?qiáng)度和干密度均隨著粉煤灰摻量的增加先增大后減小，當(dāng)粉煤灰摻量為20%時抗壓強(qiáng)度和干密度最高；而隨體積砂率減小，抗壓強(qiáng)度和干密度逐漸減小，滿足LC10、LC15和LC20強(qiáng)度等級的最小干密度分別為1145、1220和1297 kg/m3，對應(yīng)的導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.1941、0.2050、0.2341 W/（m·K）。

全輕混凝土；煤矸石；強(qiáng)度；干密度；熱導(dǎo)系數(shù)

0　前言

煤矸石陶粒是將符合燒脹要求的煤矸石經(jīng)過破碎、預(yù)熱、燒脹、冷卻、分級等工藝生產(chǎn)出來的，是人造輕骨料中的一種，堆積密度不大于1200 kg/m3。裝配式住宅由于具備節(jié)能、節(jié)時、節(jié)地、節(jié)材、節(jié)水，建筑垃圾減少90%，施工模板減少85%，人工節(jié)省20%～30%，且施工現(xiàn)場基本無粉塵、無噪聲等諸多功能特點和環(huán)保優(yōu)勢，在節(jié)能環(huán)保建筑的推廣應(yīng)用中得到越來越廣泛的應(yīng)用［1-3］。輕骨料混凝土不僅能保證強(qiáng)度，同時能大大減輕構(gòu)件質(zhì)量，極大減少了吊裝和運(yùn)輸?shù)某杀?，然而，為了進(jìn)一步推廣輕骨料混凝土在裝配式住宅中的應(yīng)用，需要將其做得更輕。目前，對于高強(qiáng)輕骨料混凝土的研究比較多，而對于輕骨料混凝土的輕質(zhì)性關(guān)注的比較少，有學(xué)者用高性能陶粒配制輕骨料混凝土，28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到35.5 MPa，干密度為1380 kg/m3［4］；也有研究者探討了1000～1400級輕骨料混凝土密度和強(qiáng)度的關(guān)系，但線性關(guān)系并不理想［5］。在滿足混凝土強(qiáng)度的前提下，輕骨料混凝土究竟能做到多輕，輕質(zhì)化的極限又是怎樣的，目前還沒有進(jìn)行深入的研究，輕骨料混凝土更優(yōu)良的性能有待挖掘。因此，本研究利用廢棄煤矸石燒制而成的環(huán)保型煤矸石陶粒和陶砂作為骨料對輕骨料混凝土進(jìn)行輕質(zhì)化的研究探討，通過粉煤灰摻量和體積砂率等因素，研究其抗壓強(qiáng)度和干表觀密度的變化關(guān)系以及它們之間的具體關(guān)系，探討不同強(qiáng)度等級下的最小干密度，為輕骨料混凝土在預(yù)制裝配式住宅中的廣泛應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支撐。

1　實　驗

1.1原材料

水泥：北京金隅牌P·O42.5水泥；粉煤灰：北京石景山電力公司生產(chǎn)的Ⅱ級灰。細(xì)骨料：北京建工華創(chuàng)有限公司提供的煤矸石陶砂，粒徑為0.25～1 mm和2～5 mm，編號分別為S1和S2；粗骨料：北京建工華創(chuàng)有限公司提供的圓球形煤矸石陶粒，粒徑為5～10mm，編號為G1，骨料的基本性能如表1所示。減水劑：江蘇博特生產(chǎn)的液態(tài)聚羧酸減水劑，減水率為20%～25%。

表1　骨料的基本性能

1.2實驗方法

試驗中煤矸石陶粒混凝土的抗壓強(qiáng)度采取100 mm×100 mm×100 mm的混凝土試件，用型號為SYE-3000的壓力試驗機(jī)進(jìn)行7 d和28 d的抗壓強(qiáng)度測試；導(dǎo)熱系數(shù)的測試采用JTRG-Ⅲ型建筑熱流計式導(dǎo)熱儀；按照J(rèn)GJ 51—2002《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》中的烘干法測試試件的28 d干表觀密度。為保證輕骨料混凝土良好的工作性能，所使用的煤矸石陶粒均采取預(yù)濕30 min，并參考高性能輕骨料混凝土工作性能評價體系［6］。

煤矸石陶?；炷恋呐浜媳仍O(shè)計采取JGJ 51—2002中的絕對體積法，選取體積砂率和粉煤灰摻量為因素變量，具體配合比參數(shù)如表2所示。

表2　煤矸石陶粒混凝土實驗配合比

2　實驗結(jié)果及討論

2.1粉煤灰摻量對煤矸石陶?；炷列阅艿挠绊?/p>

不同粉煤灰摻量下煤矸石陶粒混凝土的7 d、28 d抗壓強(qiáng)度和干表觀密度如表3所示。

表3　不同粉煤灰摻量煤矸石陶?；炷恋男阅?/p>

由表3可知，在凈水膠比為0.30和0.36時，煤矸石陶?；炷恋目箟簭?qiáng)度均隨粉煤灰摻量的逐漸增加先提高后降低，粉煤灰摻量為20%時抗壓強(qiáng)度最高。煤矸石陶?；炷恋? d抗壓強(qiáng)度均達(dá)到了28 d抗壓強(qiáng)度的80%以上，前期強(qiáng)度發(fā)展很快，說明普通混凝土強(qiáng)度隨齡期增長的規(guī)律不適用于輕骨料混凝土［7］。煤矸石陶?；炷燎捌趶?qiáng)度增長較快，其原因主要是由陶粒的多孔特性所決定的，經(jīng)過預(yù)濕的煤矸石陶粒在水泥漿中具有明顯的吸水和返水特性，當(dāng)水泥水化逐漸消耗水分，水泥漿中的相對濕度小于陶粒中相對濕度時，陶粒中的水會逐漸釋放出來，起到內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用［8-9］，供水泥繼續(xù)水化。

此外，由表3還可知，煤矸石陶?；炷粮杀碛^密度隨粉煤灰摻量的增加先增大后減小，和抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律一致，干表觀密度和抗壓強(qiáng)度有一定的內(nèi)在關(guān)系，相關(guān)的研究也表明，輕骨料混凝土的強(qiáng)度和干密度之間存在良好的正相關(guān)關(guān)系［5］。

2.2體積砂率對煤矸石陶?；炷列阅艿挠绊?/p>

本研究使用的煤矸石陶粒為500級，筒壓強(qiáng)度為3.2 MPa，混凝土配合比中體積砂率為0.35～1.00，凈水膠比為0.3，混凝土配制過程中沒有出現(xiàn)離析和泌水的情況，成型后進(jìn)行7 d、28 d抗壓強(qiáng)度以及28 d干表觀密度的測試，結(jié)果見表4。

表4　不同體積砂率煤矸石陶?；炷恋男阅?/p>

由表4可知，從LS8到LS1，隨著體積砂率的不斷減小，煤矸石陶粒混凝土的28 d干表觀密度和抗壓強(qiáng)度逐漸降低，當(dāng)體積砂率大于0.48時，干表觀密度和抗壓強(qiáng)度減小的趨勢較緩；當(dāng)體積砂率小于0.48時，干密度和抗壓強(qiáng)度減小幅度增大。煤矸石陶粒混凝土干密度和抗壓強(qiáng)度隨體積砂率減小而減小，主要是由于混凝土中的陶砂強(qiáng)度比500級陶粒的強(qiáng)度高、密度比陶粒的大，體積砂率小，混凝土中的陶粒砂所占體積就小，從而干密度和抗壓強(qiáng)度逐漸減小。可見，提高體積砂率可以提高混凝土強(qiáng)度，但輕骨料混凝土的密度也隨之增大［10］。同時也可以看到，不同砂率下煤矸石陶?；炷恋? d 和28 d抗壓強(qiáng)度相近，前期強(qiáng)度發(fā)展較快。

2.3LC10～LC20煤矸石陶?；炷恋妮p質(zhì)化結(jié)果

圖1為滿足LC10～LC20強(qiáng)度等級下的28 d抗壓強(qiáng)度隨28 d干表觀密度的變化規(guī)律。

由圖1可知，LC10～LC20強(qiáng)度等級下的28 d抗壓強(qiáng)度和干表觀密度表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，通過線性擬合得到關(guān)系：

圖1　LC10～LC20強(qiáng)度等級煤矸石陶?；炷?8 d抗壓強(qiáng)度和干密度的關(guān)系

將表3和表4中強(qiáng)度等級為LC10～LC20的煤矸石陶粒混凝土進(jìn)行最小干表觀密度的結(jié)果評價可知：

（1）符合LC10級煤矸石陶?；炷磷钶p的是編號為WF0的配合比，其28 d抗壓強(qiáng)度為18.7 MPa，干表觀密度為1145 kg/m3，密度等級達(dá)到1100級；

（2）符合LC15級煤矸石陶?；炷磷钶p的是編號為LS3的配合比，其28 d抗壓強(qiáng)度為22.1 MPa，干表觀密度為1220 kg/m3，密度等級達(dá)到1200級；

（3）符合LC20級煤矸石陶?；炷磷钶p的是編號為LS7的配合比，其28 d抗壓強(qiáng)度為28.6 MPa，干表觀密度為1297 kg/m3，密度等級達(dá)到1300級。

2.4LC10～LC20煤矸石陶?；炷恋膶?dǎo)熱系數(shù)

得到LC10～LC20煤矸石陶?；炷恋淖钚「擅芏群?，對其導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行測試，結(jié)果如表5所示。

表5　導(dǎo)熱系數(shù)的測試結(jié)果及與標(biāo)準(zhǔn)的對比分析

由表5可知，本研究處于最小干密度的LC10～LC20強(qiáng)度等級下煤矸石陶粒混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.1941、0.2050 和0.2341 W/（m·K），與JGJ 51—2002要求的導(dǎo)熱系數(shù)相比，分別降低了37.39%、43.06%和44.26%，該區(qū)段的結(jié)構(gòu)保溫混凝土的保溫性能得到了較大的提升，這將促進(jìn)結(jié)構(gòu)保溫一體化混凝土的發(fā)展和應(yīng)用。

3　結(jié)語

（1）通過調(diào)節(jié)粉煤灰摻量和體積砂率可以較好地控制輕骨料混凝土的干表觀密度和強(qiáng)度，煤矸石陶粒混凝土強(qiáng)度等級為LC10級的最小干表觀密度為1145 kg/m3，密度等級達(dá)到1100級；強(qiáng)度等級為LC15級的最小干表觀密度為1220kg/m3，密度等級達(dá)到1200級；強(qiáng)度等級為LC20級的最小干表觀密度為1297 kg/m3，密度等級達(dá)到1300級。

（2）隨著粉煤灰摻量的增加，煤矸石陶?；炷恋目箟簭?qiáng)度先提高后降低，最佳摻量為20%；隨著體積砂率的減小，煤矸石陶粒混凝土的抗壓強(qiáng)度和干表觀密度均逐漸減小，當(dāng)體積砂率小于0.48時，干密度和抗壓強(qiáng)度的減小幅度增大。將處于LC10、LC15和LC20強(qiáng)度等級煤矸石陶?；炷恋目箟簭?qiáng)度和干表觀密度進(jìn)行曲線擬合，通過線性擬合得到：y=0.073x-66.63，線性相關(guān)系數(shù)R2=0.82。

（3）用煤矸石陶粒和陶砂配制的LC10～LC20輕骨料混凝土的保溫性能得到了較大的提升，和JGJ 51—2002標(biāo)準(zhǔn)要求相比，導(dǎo)熱系數(shù)分別降低了37.39%、43.06%、44.26%，有利于促進(jìn)結(jié)構(gòu)保溫一體化混凝土的發(fā)展和應(yīng)用。

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Studies on lightweight and thermal properties of coal gangue ceramsite concrete

ZHU Ming1，YE Wuping1，WANG Fazhou1，WANG Jing2，CHU Yunbo3
（1.Institute of Materials，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，Hubei，China；
2.Institute of Building Materials，China Academy of Building Research，Beijing 100013，China；
3.Beijing Jiangong Huachuang Technology Development Co.Ltd.，Beijing 100044，China）

The influence of dosage of fly ash and volume sand ratio to the compressive strength and dry density of lightweight aggregate concrete（LWAC）which was prepared with coal gangue ceramsite and ceramic sand as lightweight aggregate were studied. And the minimum level of density and the corresponding thermal conductivity that LWAC can achieve under different strength grades were explored.The results show that：with the increase of dosage of fly ash，both the compressive strength and the dry apparent density of LWAC increases first and then decreases，and the best dosage of fly ash is 20%；But with the decrease of volume rate of sand，both of them decrease gradually.The minimum dry density grade under strength grade of LC10，LC15 and LC20 is 1145，1220 and 1297 kg/m3respectively.And their thermal conductivity are 0.1941，0.2050 and 0.2341 W/（m·K）.

full-lightweight aggregate concrete，coal gangue，strength，dry apparent density，thermal conductivity

TU528.041

A

1001-702X（2015）10-0054-04

國家科技支撐計劃項目（2012BAC15B04，2014BAL03B01-01）

2015-07-08；

2015-08-19

朱明，男，1960年生，河南鄭州人，博士，副教授，主要研究方向為水泥與混凝土材料性能、結(jié)構(gòu)與相關(guān)技術(shù)。