一種輕質節能型陶粒混凝土砌塊配合比的研究

吳輝琴 李柱 吳超 王痛快 張騰 淳野楊 解小娟

摘 要：陶粒混凝土砌塊以綠色環保、節能低耗的特性成為節能建筑發展的熱門.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，通過正交試驗研制了一種新型的輕質節能陶粒混凝土砌塊，該砌塊抗壓強度大于5 MPa，抗折強度達到2 MPa，表觀密度≤1 200 kg/m3，導熱系數低于0.7 W/（m·K）～0.8 W/（m·K）.經分析和物理力學性能試驗表明：砌塊配合比設計合理，抗裂性能、隔音效果良好，是適合南方使用的輕質節能型墻體材料.

關鍵詞：輕質節能；陶粒混凝土砌塊；配合比；正交試驗

中圖分類號：TU528.2 文獻標志碼：A

0 引言

發展輕質節能的新型墻體材料，是我國建設資源節約型、環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點已倍受關注，并在研制替代粘土磚的新型墻材中顯現出特別優勢[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骨料，粉煤灰替代部分水泥形成復合膠凝材料，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，而且對地方工業廢料的回收利用、保護環境、節能減排具有較大的意義，并產生一定的經濟效益和社會效益[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，同時添加聚丙烯纖維和外加劑等，通過設計6因素3水平的正交試驗，研制了一種輕質節能混凝土小型砌塊，并通過數學分析方法結合試驗研究結果調整、優化正交試驗結果，保證該種砌塊抗壓強度不低于5 MPa，抗折強度不低于2 MPa，表觀密度不超過1 200 kg/m3，導熱系數在0.7 W/（m·K）～0.8 W/（m·K）間，滿足規范要求和建設部門提出的新型墻體材料的目標.

1 原材料的選擇

1）水泥：廣西魚峰集團生產的P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥.主要性能指標見表1.

2）粉煤灰：廣西來賓電廠出產的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合膠凝材料，調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：根據砌塊性能指標，考慮堆積密度、筒壓強度、導熱系數、吸水率、級配等指標，從4種粒徑陶粒中選擇宜昌寶珠陶粒開發有限責任公司生產的圓球型頁巖陶粒，其實物圖和主要技術指標分別見圖1和表3.

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

5）水：普通自來水.

6）聚丙烯纖維：白色半透明狀，呈網狀結構或單絲結構，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：蘇州弗克技術股份有限公司生產的聚羧酸高效減水劑，減水率為30%.

2 正交試驗設計

本項目研制的輕質節能混凝土砌塊的設計參數包括抗壓強度、抗折強度和表觀密度、導熱系數，根據委托方要求：混凝土砌塊28 d抗壓強度等級不低于5 MPa，抗折強度不低于2 MPa，砌塊的干表觀密度不大于1 200 kg/m3，導熱系數的要求為0.7 W/（m·K）～0.8 W/（m·K）.因此，采用正交試驗方法確定輕質節能陶粒混凝土砌塊的配合比，評價指標為砌塊28 d抗壓強度、抗折強度、表觀密度和導熱系數.

2.1 正交試驗因素和水平的確定

混凝土配合比設計采用松散體積法.根據項目要求，本試驗共有6種原材料，為綜合考慮6種原材料對優化配比的影響，故將6種原材料分別設計為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表示），根據《輕骨料混凝土技術規程》（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，故正交試驗設計成6因素3水平.因素水平表見表6.

2.2 正交試驗方案

設計的正交表，試驗分組見表7.依據規范《輕集料混凝土技術規程》（JGJ51-2002）[10] 取樣、制作標準試件，測定砌塊干表觀密度；依據規范《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081-2016）[11]取樣、制作標準試件，測定砌塊7 d，28 d抗壓強度和抗折強度[12]，計算砌塊強度的折壓比，其中折壓比定義為抗折強度與抗壓強度等級之比；依據規范《非金屬固體材料導熱系數的測定方法熱線法》 （GB 10297-98） [13]，采用非穩態測定材料導熱系數的熱線法，制作標準試件，測定砌塊的導熱系數λ.18組正交試驗結果見表7.

2.3 正交試驗結果與分析

借助數學方法進行數據處理和統計計算，引入參數Ki，ki，R. Ki定義為某影響因素在第i 水平（i=1，2，3）所對應的各項評價指標總和；而ki定義為某個影響因素在第i 水平對應評定指標的平均值，ki= Ki/n，n為該影響因素在第i 水平出現的次數；R代表極差，R=max{k1，k2，k3}-min{k1，k2，k3}.按Ki，ki及R的定義統計試驗數據，計算4個評價指標在6因素3水平下的總值Ki，平均値ki及級差R值[14-15]，計算結果見表8.分析表8級差結果：

1）對砌塊28 d抗壓強度，6種因素影響的大小關系為A>F>C>D>E>B，3種水平的大小關系為：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，抗壓強度配合比設計優選方案為A1F2C1D1E2B3.

2）對砌塊抗折強度，6種因素影響的大小關系為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，抗折強度配合比設計優選方案為F2D3E1C3B3A1.

3）對砌塊表觀密度，6種因素影響的大小關系為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，表觀密度配合比設計的優選方案為A1C1E3F2B3D3.

4）對導熱系數，6種因素影響的大小關系為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，導熱系數配合比設計的優選方案為D1>F1>B1>C3>E1>A3.

3 配合比優化方案確定

將正交配合比設計得到的砌塊抗壓強度fcc優選方案A1F2C1D1E2B3，抗折強度ft優選方案F2D3E1C3B3A1，表觀密度ρ優選方案A1C1E3F2B3D3及導熱系數λ的優選方案D1F1B1C3E1A3集合于表9.以這些單一評價指標的優選方案為基礎，根據項目研制的輕質節能混凝土砌塊的技術考核指標，通過理論分析和進一步試驗研究，確定4個考核指標在配合比設計中的權重分別為40%，10%，30%，20%，由表9所列出的抗壓強度、抗折強度、表觀密度及導熱系數4種單一性能配合比的最優方案，根據每種優化后的指標在配合比設計中所占的權重，分別用每種指標的最優水平乘以其所占的權重累計相加（結果四舍五入）[16]，經過計算，從而設計出綜合4個評價指標后得到的配合比設計最優組合為A1B3C2D2E2F2，即每1 m3各種材料的質量比分別為：水泥∶粉煤灰∶陶粒∶膨脹珍珠巖∶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 結論

按優化后配合比制作混凝土砌塊標準試件，開展表觀密度、抗壓強度、抗折強度、導熱系數研究，實驗結果分別見表10—表13.結果表明：陶粒混凝土砌塊28 d抗壓強度達到6.68 MPa，28 d抗折強度達到3.28 MPa，表觀密度為1 190.9 kg/m3；通過DRX-III型熱線法導熱儀研究砌塊導熱系數，實測陶粒混凝土砌塊在20 ℃，25 ℃，30 ℃時的導熱系數平均值分別為0.238 92 W/（m·K），0.223 33 W/（m·K）和0.216 16 W/（m·K）.因此，抗壓強度、抗折強度、表觀密度及導熱系數指標均達到建設單位標準，同時也滿足輕質節能混凝土砌塊規范要求.

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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

（學科編輯：黎 婭）