玻化微珠保溫混凝土性能的試驗研究

邱貞發 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，建筑節能已經成為國內外關注的焦點，針對這種情況發達國家早已從建筑節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能標準和法規，采取一系列的節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，是建筑節能的重要組成部分;而玻化微珠混凝土是新型綠色環保混凝土，是在傳統的混凝土中加入輕骨料“玻化微珠”及外加劑而形成的一種既具有傳統混凝土力學性能又具有保溫性能的人造石材。［6－7］由于玻化微珠具有質輕、導熱系數低、防火、耐高低溫、抗老化及理化性能穩定等良好性能，可使摻有玻化微珠的混凝土防火、耐久性、保溫性能等有所提高，因此特別適用于有保溫節能要求的建筑物圍護結構構件。這種新型玻化微珠混凝土是一種真正意義上的綠色環保產品，在創造巨大經濟效益、社會效益的同時，也凈化了環境，具有極佳的環境效益。玻化微珠混凝土的研究還處于初級階段，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保節能做出了貢獻。

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玻化微珠體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 玻化微珠保溫混凝土的配合比設計

1.1 試驗原材料

再生粗骨料及試驗所用材料參數詳見文獻［8］，再生細骨料的主要性能見表1。玻化微珠:粒度0.5～1.5 mm，容重 110 kg/m3，導熱系數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 玻化微珠保溫混凝土配合比設計

參考JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規程》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:

回歸系數根據JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規程》取值為0.46，0.07。

其中，rc為水泥強度等級值的富余系數，可按實際統計資料確定;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。考慮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。

考慮到試驗的玻化微珠保溫混凝土主要用于混凝土小型空心砌塊，該類砌塊是采用半自動或全自動砌塊成型機進行生產的，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。根據生產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，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 玻化微珠保溫混凝土試驗結果分析

玻化微珠保溫混凝土的測試結果詳見表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玻化微珠摻量和導熱系數的關系

圖3 不同細骨料取代率時玻化微珠摻量和密度的關系

圖4 不同細骨料取代率時密度和導熱系數的關系

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，隨玻化微珠體積摻量的增加，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，但在玻化微珠體積摻量為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)隨玻化微珠體積摻量的增加，不同再生細骨料取代率的混凝土導熱系數均降低，表明其保溫性能增加，且玻化微珠摻量為0% ～60%時導熱系數降低的幅度更大;相同的玻化微珠體積摻量時，細骨料取代率越大，相應的導熱系數越低。這與玻化微珠再生混凝土的自保溫機理有關，即自保溫的實現是由于玻化微珠本身是輕質的封閉氣孔，其導熱系數較低，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，以致出現以上試驗現象。

3)隨著玻化微珠體積摻量的增加，混凝土密度均降低，玻化微珠體積摻量在0% ～60%區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玻化微珠體積摻量增大和再生細骨料取代率增加而導致的，而無論是玻化微珠還是再生細骨料，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玻化微珠體積摻量對玻化微珠保溫混凝土性能的影響，試驗結果表明:

隨著玻化微珠體積摻量的增加，不同再生細骨料取代率時的玻化微珠保溫混凝土的密度、導熱系數及28 d抗壓強度均降低;再生混凝土導熱系數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，導熱系數將進一步降低。試驗結果對于玻化微珠混凝土保溫性能的優化設計具參考價值。

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