納米材料改性粉煤灰輕質節能墻板試驗研究*

楊成梅

( 烏魯木齊職業大學, 新疆烏魯木齊 830002)

2016 年，國務院提出爭取在2026 年實現裝配式建筑建設比例30%的目標，推動綠色建筑產業的轉型升級。在國家政策的支持下，裝配式建筑迎來重大發展機遇。國家住建部于2017 出臺的《建筑業發展“十三五”規劃》更是提出綠色建筑到2020 年達到50%，綠色建材的應用比例要超過40%［1］。其中，墻體材料作為綠色建材的重要部分，具有豐富的種類，如空心磚、建筑砌塊等。但實踐表明，空心磚雖然可減少粘土的量，但容易破損，且整體性差；建筑砌塊雖不使用粘土，但保溫隔熱性能差；建筑板材滿足輕質、保溫和節能的優點，但施工要求高，且無法作為承重墻進行使用。因此，開發新型的復合墻板成為當前思考的重點。為既滿足環保、輕質、節能和保溫，又能夠承重的建筑板材，封雷、劉家欽等研究者提出型鋼混凝土墻板，通過在傳統建筑板材中加入型鋼結構，從而提高板材的承重，同時滿足輕質、保溫等功能；胡志鵬等則從墻板材料本身改性入手，在通風墻板中加入相變材料，以提高墻體材料的保溫性能［2］；陳一全提出在寒冷地區采用預制裝配式保溫結構一體化的墻板［3］。以上學者為新型墻體材料的革新提供了新的思路，但受到施工條件的影響，很多墻板在實際工程運用中存在困難。對此，為滿足裝配式墻體材料的要求，基于封雷等人的研究思路，嘗試用納米材料改性鋼骨架- 粉煤灰陶粒混凝土，從而制備一種新型的墻板材料。

1 材料與方法

1.1 主要材料與設備

本試驗所用材料與設備見表1、表2。

表1 主要材料Table 1 Main test materials

表2 主要設備名稱Table 2 Main test equipment

本試驗用鋼骨架結構如圖2 所示。其中，橫撐鋼材強度等級Q235B，斜撐鋼材強度等級為HRB335，節點采用E43 焊條手工電弧焊接。

1.2 試驗過程

1.2.1 陶粒粉煤灰混凝土配合比設計

為得到EPS 顆粒改性粉煤灰陶粒混凝土的最佳配合比，本研究基準配合比的計算基于松散體積法，強度和密度分別為C25 和1750kg/m3。以粉煤灰摻量、EPS 顆粒摻量、聚羧酸高效減水劑摻量和水灰比作為考察因素，設計四因素三水平的正交試驗表。

參考《粉煤灰混凝土應用技術規程》中的相關規定［4］，選擇10%、15%、20% 的粉煤灰取代水泥率進行試驗，超量系數為1.5。因為EPS 顆粒摻量能夠直接影響陶粒粉煤灰混凝土的抗壓強度及表干密度，且本試驗目的是納米改性制備粉煤灰輕質節能墻板，所以EPS 顆粒的體積摻量需符合《嚴寒和寒冷地區居住建筑節能設計標準》中的相關換算關系。EPS 顆粒納米材料摻量計算采用公式(1) 進行計算：

式(1) 中， ρmaxtrix表示水泥漿密度，本研究取值為2000kg/m3; ρconcrete表示粉煤灰陶粒混凝土密度，本研究取值為1600～1800 kg/m3； ρEPS為EPS 的密度，本研究取值為30kg/m3； EVEPS為EPS 的體積摻量。

根據以上分析，可得0.101～0.203 為EPS 顆粒最佳體積摻量，因此選擇10%、15%、20% 的EPS 顆粒取代砂率進行正交試驗。具體正交試驗因素水平表和粉煤灰陶粒混凝土用量配合比見表3 和表4。

表3 正交試驗因素水平表Table 3 Orthogonal test factor level table

表4 粉煤灰陶粒混凝土材料用量配合比(單位：kg/m3)Table 4 Mix proportion of fly ash ceramsite concrete

1.2.2 EPS 顆粒改性陶粒粉煤灰混凝土制備

EPS 顆粒改性粉煤灰陶粒混凝土的制備流程如圖1所示。考慮到EPS 的親油性，在制備前對EPS 顆粒進行浸泡預濕1h，然后按照以下步驟進行制備：

（1）將粗骨料（EPS 顆粒、粉煤灰陶粒）、細骨料（砂子）、摻合料（粉煤灰）用人工搗鼓的方式進行攪拌。攪拌均勻后，加入水泥拌合0.5min。

（2）加入一定量的外加劑和水，繼續攪拌2.5min，得到拌和物。

（3）將拌和物澆筑成型，制備成所需的試件。在澆筑成型的過程中，對振搗時間加以控制，避免出現輕骨料上浮現象。在混凝土初凝前，再次進行收漿，以避免粉煤灰陶粒混凝土成型中因浮粒造成試件強度值與設計值產生較大差異。

圖1 粉煤灰陶粒混凝土制備流程Fig.1 Preparation process of fly ash ceramsite concrete

試件制備數量見表5。

表5 試件數量與尺寸Table 5 Specimen conditions

1.2.3 鋼骨架- 粉煤灰陶粒混凝土復合墻板制備

（1）鋼骨架準備。圖2 為本試驗用鋼骨架圖。每個鋼骨架包含4 根槽鋼立柱。骨架變柱分別為柱A 和柱C，中柱B、C 腹板焊接在一起，整體結構呈現為工字型鋼。試驗前，在圖2 的黑點處粘貼應變片，沿高度方向每個應變片間隔距離為250mm；在上下導軌方向應變片間距150mm。

圖2 鋼骨架及應變片布置圖Fig. 2 Layout steel frame and strain gauge

（2）墻板模具提前刷油，用混凝土澆筑在模具底層。將貼好應變片及包裹保護的鋼骨架放置在混凝土上，再用混凝土澆筑在頂層。

（3）養護成型后脫模，在圖3 所示墻體表面位置粘貼應變片。

圖3 混凝土表面應變片布置Fig. 3 Arrangement of strain gauges on concrete surface

1.3 性能測試

性能測試分為兩部分：一是對納米改性粉煤灰陶粒混凝土性能進行測試，二是對鋼骨架- 粉煤灰陶粒混凝土性能進行測試。

1.3.1 粉煤灰陶粒混凝土性能測試

(1) 抗壓強度試驗

參考《普通混凝土力學性能試驗方法標準》的要求［5］，制備標準尺寸粉煤灰陶粒混凝土試件，養護至指定齡期取出。將試件放置于壓力試驗機中心，以0.3MPa/s 的速率施加壓力，直至試件破壞，記錄試件破壞時的最大荷載。

(2) 劈拉強度試驗

將試件放置在萬能試驗機球座上。放置時幾何對中，劈拉方向與成型時頂面垂直。對試件按照0.03MPa/s 的速率施加荷載，試件破壞后停止加載，記錄破壞時的最大荷載。劈拉強度計算公式為［6-8］：

式(2) 中：Rt表示混凝土的劈拉強度，單位為MPa；P 表示極限荷載，單位為N；A 表示試件的劈裂面面積，單位為mm2；

(3)導熱系數測試

將DZDR-S 瞬態平面熱源法導熱儀探頭放置在制備的試件之間，探頭上電壓變化用惠斯通電橋原理檢測，得到粉煤灰陶粒混凝土的導熱系數。

(4)干表觀密度測試

參照《輕骨料混凝土技術規程》的標準要求［9-10］，采用破碎試件烘干法對粉煤灰陶粒混凝土進行干表觀密度測定。具體方法為：稱取試驗試件、抗壓強度測試破碎試件1kg、將1kg 破碎試件烘干至恒重，對自然含水時粉煤灰陶粒混凝土密度 nρ 及含水率Wc進行測定，然后用公式(3)對干表觀密度進行計算：

式(3) 中，dρ 表示粉煤灰陶粒混凝土干表觀密度，單位為kg/m3；nρ 表示自然含水時粉煤灰陶粒混凝土的表干密度，單位為kg/m3；cW 表示粉煤灰陶粒混凝土的含水量。

1.4 鋼骨架-粉煤灰陶粒混凝土復合墻板力學性能測試

為測試本研究制備的復合墻板的力學性能，采用山東億宸試驗儀器有限公司制備的壓力試驗機分別對復合墻板和單一的粉煤灰陶粒混凝土墻板進行測試試驗。分別按照圖3 和圖4 的位置布置應變片和位移計。將位移計導線根據編號與應變測試分析系統的相應通道進行連接，用全橋連接方式進行連接。用1/4 橋加溫度補償片方法。檢查應變通道應變和位移通道是否保持平衡狀態，確定無誤后用壓力試驗機對試件施加荷載。當荷載達到預估荷載的80% 時，移除位移計，繼續施壓，直至試件破壞。為確定鋼架- 陶瓷粉煤灰混凝土墻板性能，對單一的陶瓷粉煤灰混凝土作為對照組進行軸壓偏壓試驗。

圖4 位移計布置Fig. 4 Displacement gauge arrangement

2 結果與討論

2.1 納米改性粉煤灰-陶粒混凝土的基本性能

表6 為粉煤灰陶粒混凝土基本力學性能測試結果。由表6 可知，隨著粉煤灰陶粒混凝土配比的變化，試件抗壓強度、劈拉強度、干表觀密度、試件導熱系數的整體變化趨勢一致。相同配比的粉煤灰陶粒混凝土抗壓強度是劈拉強度的10～12 倍，且干表觀密度越大對應的導熱系數就越大，最大干表觀密度為1807kg/m3，小于1950kg/m3，滿足相關規范要求。

表6 粉煤灰陶粒混凝土基本性能Table 6 Test results of basic properties

因為抗壓強度和劈拉強度、干表觀密度和導熱系數的變化趨勢一致，所以選取抗壓強度和干表觀密度的正交結果進行分析。其中，表7 為抗壓強度極差分析結果，表8 為干表觀密度極差分析結果。根據以上兩表數據可知，對粉煤灰陶粒混凝土抗壓強度影響最大的為EPS 顆粒，其次為水灰比，然后依次為粉煤灰摻量和減水劑摻量；對粉煤灰陶粒混凝土干表觀密度影響最大為EPS 顆粒，然后依次為減水劑摻量、水灰比和粉煤灰摻量。而伴隨著EPS 顆粒摻入量的增加，抗壓強度和干表觀密度都逐漸減小，在摻量為10% 和15% 時，抗壓強度和干表觀密度幾乎相等。當摻量超過15%，抗壓強度和干表觀密度快速下降。隨水灰比的減小，抗壓強度和干表觀密度變現為先增加后減小，在水灰比為0.36 時，粉煤灰陶粒混凝土的抗壓強度達到最大；隨粉煤灰摻量的增加，干表觀密度和抗壓強度先增加后減小；當粉煤灰摻量為20%，干表觀密度上升，抗壓強度表現為最大值；隨減水劑摻量的增加，粉煤灰陶粒混凝土抗壓強度表現出先減小后增加的趨勢，因此減水劑的最佳摻量為0.5%。

表7 抗壓強度極差分析Table 7 Analysis of compressive strength range

表8 干表觀密度極差分析Table 8 Dry apparent density range analysis

綜上得出，輕質保溫混凝土的最佳配合比為E4 組。

表9 為按照最佳配合比制備試驗試塊基本力學性能測試結果的平均值。

表9 最優配合比試驗數據平均值Table 9 Average value of optimal mix proportion test data

2.2 復合墻板豎向受力性能分析

表10 為兩組復合墻板和未改性粉煤灰陶粒混凝土墻板的軸壓試驗結果。結合極限承載力應- 變曲線，復合墻板的極限承載力為1418.28kN，而單一粉煤灰陶粒混凝土墻板的極限承載力為120.17kN，同時未改性的墻板的極限承載力為1217.58kN，說明EPS 改性鋼結構- 煤灰陶粒混凝土墻板可在一定程度提高墻板的抗壓強度。

表10 復合墻板軸壓墻板力學與極限位移Table 10 Statistics of composite wallboard under axial compression

3 結論

（1）通過四因素三水平的正交試驗，確定了粉煤灰陶粒混凝土的最佳配合比為E4。在最佳配比下制備得到的粉煤灰陶粒混凝土的抗壓強度、劈拉強度、導熱系數和干表觀密度分別為28.4MPa、2.85MPa、0.6285W/m?K 和1775kg/m3。

（2）通過軸壓試驗表明，單一的未改性粉煤灰陶粒混凝土墻板的極限承載力為120.24kN，改性的復合墻板的極限承載力為1418.28kN，同時未改性的鋼結構- 粉煤灰陶粒混凝土墻板的極限承載力為1217.58kN，說明加入一定量的EPS 納米材料改性的復合墻板抗壓強度有一定提升。