新型復合保溫混凝土砌塊配比設計研究

霍 福 翠

(山陰縣熱力公司，山西 朔州 036999)

0 引言

近年來，隨著科技的發展，建設資源節約型社會工作的不斷深入，傳統的小砌塊建筑逐漸向節能建筑過渡。新型復合保溫砌塊逐漸取代了傳統型黏土磚，是近年來出現的新型環保建筑材料之一，這類砌塊是集保溫、承重、裝飾等于一體的混凝土空心砌塊[1]。新型復合保溫混凝土砌塊實質是混凝土，新型復合保溫混凝土砌塊的承重性能與其組成材料的配合比密切相關。對該材料的配合比設計實質上是對組成該材料的混凝土進行配比研究，但與傳統的混凝土空心砌塊有所區別。新型復合保溫混凝土砌塊是由主體砌塊和保溫芯料組成，主體砌塊屬于輕骨料混凝土砌塊，其集料主要包括陶粒、煤矸石、礦渣等，并具有一定的孔洞率[2]。由于孔洞的存在，所以組成其混凝土的強度與砌塊本身的強度不等同，同時加壓成型工藝的影響，即使配比設計一樣，砌塊強度仍然受振動方式的影響而不同。

隨著新型復合保溫混凝土砌塊的廣泛應用，由于各種原因導致其力學性能沒有足夠保障，根據文獻[1][2]得出的結論可知，影響砌塊強度的因素主要包括其組成材料強度、成型工藝、空心率以及養護條件等，其母材強度為首要因素，而母材混凝土強度實質因素是其配合比設計，在設計砌塊配合比時充分考慮其成型工藝及物理特性，在統一其他因素下研究其材料配比對其強度的影響[1,2]。

1 材料與試驗

1.1 試驗材料

本次試驗制作的混凝土砌塊母材有水、水泥、砂子、陶粒。

水：普通生活用水。

水泥：選用山西山水水泥有限公司生產的普通硅酸鹽水泥，等級為P.O42.5級，其主要力學性能參數見表1。

表1 水泥性能參數

砂子：文獻[2][3]中制作的陶粒混凝土細骨料選為石粉，但砂子在本地應用更廣，是施工中常選用的建筑材料，故本文制作傳統的陶粒混凝土砌塊，選用山西山水水泥有限公司生產預制混凝土砌塊時的天然砂子作為細骨料。陶粒：是一種人造輕骨料，試驗選用陶粒為南京星凱新型建材有限公司生產，其性能參數見表2。

表2 陶粒性能參數

1.2 試驗設計

1.2.1試驗設計總體思路

在設計試驗時需先解決以下三個問題：

1)衡量砌塊最優配比的指標。砌塊的混凝土的配比即為母材的配比，以其母材制作標準混凝土試塊進行強度試驗，用其試驗值反映砌塊的強度。故本次試驗以母材混凝土試塊強度指標來探討砌塊的最優材料配比。

2)混凝土試塊成型工藝。在母材一定情況下，砌塊的成型工藝對強度影響較大[2]，因此在進行試驗設計前，需保證試塊振動加壓工藝按照砌塊成型工藝進行，本次試驗采用文獻[4]中對加壓預制構件的試驗方法進行。

3)配比設計參數。雖然本次試驗母材種類不多，但根據實際施工經驗，不同施工地點不同母材含水量對配比影響較大。本次試驗選用水灰比、砂率及混凝土密度三個參數值來確定配比值。

由此本次試驗總體設計分兩步進行：第一步：正交試驗設計方案。參照JGJ 51—2002輕骨料混凝土技術規程，可對混凝土配比中的水灰比、砂率以及混凝土密度確定一合理范圍，根據長期實際施工經驗，在各個因素范圍內選取不同水平值，根據因素水平選取合適的正交表得到正交試驗方案。第二步：抗壓強度試驗。按照GB/T 50081—2002普通混凝土力學性能試驗方法標準中混凝土立方體試件的抗壓強度試驗法，對正交試驗的每組方案制作三個尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的立方體試塊，在相同條件下進行養護，采用試驗壓力機進行抗壓試驗，并記錄數據，每組試驗抗壓強度值取三個試塊數據平均值。

1.2.2正交試驗設計方案

根據JGJ 51—2002輕骨料混凝土技術規程中的設計參數選擇，輕骨料混凝土宜采用松散體積法進行配合比計算。根據經驗要求，混凝土試配強度選15 MPa～20 MPa，陶粒為600 kg/m3等級密度對應的水泥用量為300 kg/m3～400 kg/m3；本次試驗預制試塊是振動加壓成型的，凈用水量為45 kg/m3～140 kg/m3，維勃稠度為10 s～20 s；采用普通砂情況下，砂率可確定為30%～40%；作為輕粗骨料的陶粒屬于圓球型，粗細骨料總體積為1.1 m3～1.40 m3，本次試驗擬定每立方混凝土的粗細骨料松散狀態下總體積為1.2 m3；主要用于承重構件或構筑物的結構輕骨料混凝土密度等級范圍為1 400 kg/m3～1 900 kg/m3。通過計算及根據實際經驗，分別選取砂率30%,40%,50%,60%進行試驗，水灰比分別選取0.20,0.25,0.30,0.35進行試驗，混凝土密度等級分別選取1 400 kg/m3,1 500 kg/m3,1 700 kg/m3,1 900 kg/m3進行試驗。

通過上述分析，建立配比設計參數以水灰比、砂率以及密度等級為代表的正交因素水平表，見表3。

表3 配比設計參數的正交試驗因素水平表

根據正交試驗方案設計準則，表3中的三因素四水平的正交試驗方案按四因素四水平表L16(44)進行，其中一因素為空列，共計16種試驗方案[8]，具體方案排列見表4。

表4 正交試驗設計方案及試驗結果

1.2.3抗壓強度試驗

根據表4所示的正交試驗方案，對每組設計配比方案制作三個尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的立方體試塊，在制作時采用Proctor試驗法，結合成型工藝規范要求，以人工振搗、壓力機壓制成型，同時可記錄壓力大小[4]。由于試驗標準試塊的體積是固定的，根據每組配比設計方案對應的密度等級可計算出模具中填充料的總重量。試塊成型后脫模，進行養護，養護參照文獻[8]，等效養護齡期取日平均溫度逐日累計達到600 ℃時對應的齡期。分別對每個試塊進行抗壓強度試驗，當壓力值逐漸上升過程中突然出現陡降拐點時，表明試塊已受壓破壞，該處壓力值為試塊最大承受壓力，記錄數據。

2 試驗結果與分析

2.1 正交試驗設計方案及抗壓試驗結果

正交試驗設計方案及試驗結果見表4。

2.2 抗壓強度試驗現象分析

本次試驗進行16組，每組分別進行3次試驗共計48個試塊。通過對不同配比下試塊48次抗壓試驗觀察可知：當壓力值出現陡降時，試塊開裂破壞，破壞現象主要為破角、外皮脫落或裂紋、沿壓力方向的細微貫穿裂縫等，但整體外觀基本完好。破壞現象與配比設計無明顯規律。根據文獻對陶粒混凝土破壞試驗，本次試驗符合其破壞特點：裂而不散、無明顯爆裂。由此表明新型復合保溫混凝土(陶粒類)受壓破壞無明顯脆性。這點與文獻得出結論一致。

將部分破壞試塊沿細微貫穿裂縫打開，發現大部分試塊破壞界面是沿陶粒顆粒處形成，少部分破壞界面是在砂漿體與陶粒結合處形成。主要原因為陶粒作為輕骨料，雖然其強度隨水泥漿體的強度升高而增大，但其強度也有上限，當試塊達到一定強度后陶粒強度增幅不明顯，最終是陶粒處裂開。對于其他少部分的破壞界面，是因為漿體與陶粒粘結強度不夠造成薄弱位置，其強度明顯低于陶粒的強度值，從而形成砂漿體與陶粒結合處的破壞界面。

2.3 極差分析

對正交試驗的抗壓強度結果進行極差分析，并繪制試驗因素水平與指標的關系趨勢圖[9]，如圖1所示，并根據不同配比參數對抗壓強度影響的程度進行排序，得出最優組合配比，見表5。

表5 抗壓強度正交試驗極差分析表

水平因素水灰比(A)砂率(B)密度等級(C)空列(D)總和∑均值K154.0847.3830.6848.17K242.4939.8737.7144.52K348.8947.9956.6149.36K441.5351.7561.9944.94K113.5211.857.6712.04K210.629.979.4311.13K312.221214.1512.34K410.3812.9415.511.24極差值R3.643.477.831.21主次排序C>A>B最優水平A1B4C4最優配比組合A1B4C4

2.4 方差分析

試塊試驗時，其抗壓強度值總變異是由水灰比(A)、砂率(B)、密度等級(C)引起的變異和誤差變異(D)組成。通過對各因素及誤差進行方差分析并作F檢驗，可判斷各個因素對抗壓強度值引起的變異是否顯著。由表4可知，總自由度df=16-1=15，A,B,C各因素自由度dfA=dfB=dfC=3，誤差的自由度為dfD=df-dfA-dfB-dfC=6。由此對其進行方差分析并進行F檢驗，具體分析結果見方差分析表6。

表6 試塊抗壓強度正交試驗方差分析表

2.5 試驗結果分析

通過設計正交試驗方案對試塊進行抗壓強度試驗，系統研究了配合比設計中的參數水灰比、砂率、密度等級對試塊抗壓強度指標的影響，進而對試驗結果進行了極差分析、方差分析可知：

1)從表4可知，本次正交抗壓強度試驗中，能使抗壓強度最大的最優配比組合是A1B4C4，即水灰比為0.20，砂率為60%，密度等級為1 900 kg/m3。

2)從圖1分析可知，試塊抗壓強度與配合比設計參數中的水灰比、砂率無明顯規律，而密度等級在1 400 kg/m3～1 900 kg/m3范圍內，抗壓強度隨密度等級升高而增大。結合極差分析表5分析，對試塊抗壓強度的影響程度大小排序為密度等級>水灰比>砂率，其中密度等級極差值最大，而水灰比和砂率的極差值接近，表明密度等級對抗壓強度影響最大，而水灰比和砂率的影響相對較小。如表4中的第4組和第7組試驗相比，密度等級一定，砂率和水灰比不同，第4組的抗壓強度值是第7組的近1.5倍。因此，在進行設計新型復合保溫混凝土砌塊前先根據砌塊力學性能確定密度等級，然后再考慮水灰比和砂率來滿足其他功能及施工工藝要求。這與通常研究輕骨料混凝土抗壓強度時要對密度等級進行評定是一致的。

3)從表6的方差分析中可知，因素A，B的水平變化對試驗結果影響不顯著，因素C的水平變化對試驗結果影響顯著，表明密度等級對抗壓強度的影響顯著，砂率和水灰比對抗壓強度的影響不顯著，與極差分析的結果一致。

4)綜合分析可知，最優配比組合A1B4C4在文中成型工藝下，可以使復合保溫混凝土砌塊抗壓強度達到最大，即復合保溫混凝土砌塊的承重性能最優。

3 結論

為研究新型復合保溫混凝土配合比，選擇以陶粒作為輕骨料制作混凝土試塊。通過以試塊抗壓強度為目標，研究配合比設計參數水灰比、砂率、密度等級對抗壓強度的影響，結合振動加壓成型工藝制作16組48個立方塊。通過對抗壓強度正交試驗的極差分析、方差分析可得出以下結論：

1)陶粒混凝土中低強度的陶粒通過包裹一層較厚的水泥漿層，依靠硬化水泥漿增加混凝土的強度，配合比設計參數水灰比、砂率、密度等級對抗壓強度的影響程度為密度等級>水灰比>砂率。

2)以陶粒作為輕骨料的新型保溫混凝土的最優配合比組合為A1B4C4：水灰比取0.2，砂率60%，密度等級為1 900 kg/m3。在該配比組合下，新型復合保溫混凝土砌塊的承重性能最優。

綜上所述，針對復合保溫混凝土砌塊的承重性能，考慮加壓成型工藝不同，結合陶粒混凝土強度機理，對配合比建議靈活取用。水灰比取0.2～0.4，砂率取40%～60%時基本能被水泥漿體完全包裹，該砂率取值下的密度等級取為1 400 kg/m3～1 900 kg/m3。