尾礦砂制備裝配式預(yù)制保溫墻體性能分析

劉衛(wèi)東, 湯士海, 劉 佳, 歐陽瑞,, 陳 寧, 方乙涵

(1.上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院,上海 200093; 2.上海市建筑研究科學(xué)院,上海 201108)

尾礦砂制備裝配式預(yù)制保溫墻體性能分析

劉衛(wèi)東1, 湯士海1, 劉 佳1, 歐陽瑞1,2, 陳 寧2, 方乙涵1

(1.上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院,上海 200093; 2.上海市建筑研究科學(xué)院,上海 201108)

針對(duì)我國目前尾礦的環(huán)境污染問題,利用尾礦砂作為主要原料制備加氣混凝土,通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)(L9(34)),運(yùn)用權(quán)矩陣分析不同配比條件下加氣砌塊的干密度和力學(xué)性能.結(jié)果表明:水泥用量為150 g,石灰用量為96 g,尾礦砂用量為420 g,水料質(zhì)量比為0.55時(shí),加氣混凝土的性能最優(yōu).采用自主研發(fā)的穩(wěn)態(tài)平板導(dǎo)熱儀測(cè)量砌塊導(dǎo)熱系數(shù),實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明砌塊保溫性能較好,可用于制備裝配式預(yù)制保溫墻體.最后,對(duì)儀器的實(shí)用性、創(chuàng)新性以及熱電偶標(biāo)定技術(shù)的精確性進(jìn)行了驗(yàn)證.

尾礦砂; 權(quán)矩陣; 裝配式預(yù)制保溫墻體; 穩(wěn)態(tài)平板法; 導(dǎo)熱系數(shù)

我國礦產(chǎn)資源豐富,是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱.隨著礦產(chǎn)資源的不斷開采,尾礦數(shù)量也不斷增加.據(jù)統(tǒng)計(jì),每開采1 t金屬礦就會(huì)產(chǎn)生0.92 t尾礦,尾礦的隨意堆砌對(duì)土壤和水體造成嚴(yán)重污染[1].由于尾礦富含二氧化硅,故可作為加氣混凝土的硅質(zhì)原材料而有效利用,從而解決尾礦的環(huán)境污染問題[2-5].本文以浙江某尾礦為例制備蒸壓加氣混凝土砌塊,利用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì),運(yùn)用矩陣分析法以及自主研發(fā)的儀器對(duì)試驗(yàn)砌塊進(jìn)行熱工性能的研究,從而得出生產(chǎn)加氣混凝土的最優(yōu)配合比[6-7].

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

水泥:萬安P.O42.5,物理及力學(xué)性能指標(biāo)見表1;尾礦砂:技術(shù)指標(biāo)見表2;石灰:中速消化石灰,上海建研建材有限公司,主要化學(xué)性能見表3;石膏:主要化學(xué)指標(biāo)見表4;鋁粉:80 μm,篩余2%,山東興源金屬顏料有限公司;水:試塊制備選用自來水,蒸壓釜用水為蒸餾水.

表1 水泥物理及力學(xué)性能Tab.1 Physical and mechanical properties of cement

表2 尾礦主要化學(xué)成分Tab.2 Main chemical composition of tail sand %

表3 石灰主要化學(xué)成分Tab.3 Main chemical composition of lime %

表4 石膏主要化學(xué)成分Tab.4 Main chemical composition of gypsum %

1.2 試驗(yàn)流程及試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)流程參照上海大來新型建筑材料有限公司生產(chǎn)工藝,具體試驗(yàn)流程[8-9]如圖1所示.

試驗(yàn)參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB 11969—2008 《蒸壓加氣混凝土試驗(yàn)方法》[10]進(jìn)行,測(cè)試制品的干密度及抗壓強(qiáng)度.經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)表明,石膏與石灰的質(zhì)量比為4∶1,本試驗(yàn)石膏產(chǎn)量隨石灰變化,按4∶1比例選用.同時(shí)試驗(yàn)按照L9(34)正交試驗(yàn)表設(shè)計(jì)試驗(yàn),考慮的因素包括水泥摻量、尾礦砂摻量、石灰摻量和水料比,每個(gè)因素取3個(gè)水平,各因素水平見表5.本試驗(yàn)以B06加氣砌塊為參考,鋁粉質(zhì)量摻量為1‰,試驗(yàn)配合比見表6.砌塊的抗壓強(qiáng)度以及干密度為參考依據(jù),進(jìn)而確定最優(yōu)基準(zhǔn)配合比.

圖1 試驗(yàn)的工藝流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental process表5 正交試驗(yàn)因素及水平設(shè)計(jì)Tab.5 Orthogonal test factors and level designs

kg/m3

表6 試驗(yàn)配合比Tab.6 Test mixing ratios kg/m3

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得加氣砌塊的干密度及抗壓強(qiáng)度如表7所示.

表7 加氣砌塊的干密度及抗壓強(qiáng)度值Tab.7 Dry density and compressive strength of aerated blocks

試驗(yàn)中,抗壓強(qiáng)度指標(biāo)越大性能越好,干密度指標(biāo)越小性能越好.下述采用矩陣分析法,計(jì)算影響試驗(yàn)結(jié)果的各因素水平權(quán)重,根據(jù)權(quán)重大小,得出每個(gè)因素對(duì)應(yīng)的水平對(duì)結(jié)果的影響權(quán)重,并最終得出最優(yōu)配合比.影響試驗(yàn)指標(biāo)值的權(quán)矩陣見式(1).

K=MTS

(1)

第一個(gè)考察指標(biāo)為加氣塊的抗壓強(qiáng)度,權(quán)矩陣計(jì)算如下:

本試驗(yàn)第二個(gè)考查的指標(biāo)為干密度,顯然干密度指標(biāo)越低,加氣塊的質(zhì)量越好,同理其權(quán)矩陣計(jì)算如下:

本正交試驗(yàn)考查指標(biāo)的總權(quán)矩陣為兩個(gè)指標(biāo)值的權(quán)矩陣的平均值,計(jì)算如下:

由以上計(jì)算可知,A因素的3個(gè)水平對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果影響的權(quán)重分別為:A1=0.145 0,A2=0.156 7,A3=0.157 3,A3占的權(quán)重最大;同理B因素中B1占的權(quán)重最大,C因素中C1占的權(quán)重最大;D因素中D2占的權(quán)重最大;因此本試驗(yàn)最優(yōu)方案為A3B1C1D2,即水泥用量為150g,石灰用量為96g,尾礦砂用量為420g,水料比為0.55.由總權(quán)矩陣可知,各因素對(duì)正交試驗(yàn)的抗壓強(qiáng)度指標(biāo)以及干密度指標(biāo)影響的順序?yàn)?A>C>D>B,即水泥>尾礦砂>水料比>石灰.

3 熱工性能分析

由于上述試驗(yàn)已得出,水泥對(duì)加氣混凝土砌塊影響最大,故本實(shí)驗(yàn)選取水泥用量相同的第7,8,9號(hào)配合比試塊進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量.

3.1 試驗(yàn)儀器簡(jiǎn)介

采用上海理工大學(xué)課題組專門設(shè)計(jì)的平板導(dǎo)熱儀,核心方法是穩(wěn)態(tài)平板法,是一種應(yīng)用一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程的基本原理來測(cè)定材料導(dǎo)熱系數(shù)的方法[11],適用于測(cè)定均質(zhì)板材的導(dǎo)熱系數(shù).其原理是:加熱板被加熱時(shí),熱量由內(nèi)向外傳遞,由于加熱板兩邊的條件對(duì)稱,故兩側(cè)傳遞的熱量均為板加熱量的一半[12].

本儀器低電壓、小功率,保證了使用的安全性;在儀表選擇、試件制作、箱體設(shè)計(jì)和制造方面注意了可靠性、耐用性和組裝的便捷性;熱電偶標(biāo)定時(shí)直接使用本機(jī)儀表,保證了測(cè)試的精度.用于放置試塊的保溫材料為鋅銅,隔熱效果很好,并且采用三元乙丙進(jìn)行密封,最大限度地降低不必要的散熱.能同時(shí)測(cè)量?jī)蓧K試塊,大大提高了試驗(yàn)效率,解決了穩(wěn)態(tài)法測(cè)量周期較長的這個(gè)問題,很好地克服了穩(wěn)態(tài)法的缺點(diǎn),目前該儀器已經(jīng)申請(qǐng)發(fā)明專利.試驗(yàn)裝置示意圖如圖2所示.

圖2 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of the experimental installation

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

由銅-康銅熱電偶分度表可對(duì)應(yīng)得出試塊表面實(shí)際溫度,從而得出導(dǎo)熱系數(shù)[9].

(2)

式中:φ為板的總加熱量(電功率),W;δ為單塊試樣的厚度,m;t1,t2分別為試材的內(nèi)表面溫度和試材的外表面溫度,℃,按試材內(nèi)側(cè)的熱電偶和試材外側(cè)熱電偶所測(cè)溫度分別取其算術(shù)平均值;a為試材截面積,為0.2×0.12=0.024 m2.

以上數(shù)據(jù)可知,通過矩陣得出的最優(yōu)配合比導(dǎo)熱系數(shù)較小,并且三者均相差不大,即說明加氣砌塊保溫性能較好,可作為裝配式預(yù)制保溫墻體.同時(shí),該自主研發(fā)的儀器在試驗(yàn)中體現(xiàn)出使用方便、易操作,在干燥恒溫環(huán)境便可使用等優(yōu)點(diǎn),故該儀器使用的穩(wěn)態(tài)平板導(dǎo)熱法是測(cè)定固體導(dǎo)熱系數(shù)的優(yōu)選方法.試驗(yàn)中測(cè)得的三組礦砂保溫墻體材料導(dǎo)熱系數(shù)值如表8所示.

表8 尾礦砂保溫墻體材料導(dǎo)熱系數(shù)值Tab.8 Thermal conductivity value of tail sand insulation wall material

4 結(jié) 論

a. 在強(qiáng)度權(quán)矩陣和干密度矩陣中,水泥的權(quán)重均為最大,分別為0.54和0.37,說明水泥對(duì)加氣砌塊的強(qiáng)度以及干密度影響最大,其用量直接影響料漿稠度,影響鋁粉發(fā)起過程中料漿的粘滯阻力.

b. 綜合強(qiáng)度和干密度兩方面,各因素的影響順序?yàn)樗唷⑽驳V砂、水料比、石灰.最優(yōu)配合比為:水泥用量為150 g,石灰用量為96 g,石膏用量24 g,尾礦砂用量為420 g,水料比為0.55.本試驗(yàn)的試驗(yàn)分析可為各地尾礦砂用于加氣砌塊的生產(chǎn)提供一定的指導(dǎo)作用.

c. 通過對(duì)尾礦砂保溫墻體材料導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行測(cè)量,發(fā)現(xiàn)其熱工性能較好,且最優(yōu)配合比下的砌塊保溫性能較好,可作為裝配式預(yù)制保溫墻體,同時(shí)也對(duì)自主研發(fā)儀器的實(shí)用性以及創(chuàng)新性進(jìn)行了驗(yàn)證,熱電偶標(biāo)定技術(shù)更體現(xiàn)了該儀器的精確性.

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(編輯:丁紅藝)

Performance Analysis of Prefabricated Insulating Walls Made by Tail Sand Blocks

LIU Weidong1, TANG Shihai1, LIU Jia1, OUYANG Rui1,2, CHEN Ning2, FANG Yihan1

(1.SchoolofEnvironmentandArchitecture,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China;2.ShanghaiInstituteofConstructionScience,Shanghai201108,China)

In order to solve the problem of environmental pollution in tail sand by China,the aerated concrete was prepared by using tail sand as the main raw material.The orthogonal test design (L9(34)) was used to analyze the dry density,mechanical properties and thermal insulation properties of aerated blocks under different matching conditions.The results show that when the cementing capacity is 150 g,the amount of lime is 96 g,the tail sand is 420 g and the ratio of water to material is 0.55,the performance of the aerated concrete is the best.Its thermal conductivity was measured by the steady plate method for practical engineering reference.The experimental results show that the heat preservation performance of aerated blocks is good and can be used to prepare prefabricated walls.The instrument’s practicality,innovativeness and the accuracy of the thermocouple calibration technology were verified.

tailsand;weightmatrix;prefabricatedinsulatingwall;steadyplatemethod;thermalconductivity

1007-6735(2017)03-0289-06

10.13255/j.cnki.jusst.2017.03.014

2017-03-14

劉衛(wèi)東(1961-)，男，教授.研究方向：無機(jī)非金屬建筑材料.E-mail:wdliu2010@126.com

TU 528.04

A