用于裝配式預制墻板的陶粒混凝土試驗研究

辛轉紅，凱樂，徐亮，李天勇，秦丹，王康，楊再富

（1 重慶建工建材物流有限公司，重慶 401122；2 重慶市建筑材料與制品工程技術研究中心，重慶 400026）

0 引言

近年來，我國輕骨料混凝土得到迅速發展，在圍護結構外墻板，輕骨料混凝土樓板、屋面板、樓梯、軌道吸音板及聲屏障、透水混凝土制品等領域的應用逐漸擴大。同時，隨著我國裝配式建筑的不斷發展，對預制構件材料提出更高要求，普通混凝土預制構件由于自重大，存在吊裝難、施工效率低下等問題，無法滿足目前裝配式建筑產業快速發展的需要。而陶粒混凝土作為一種輕質混凝土，具有重量輕，耐熱性、保溫性、抗滲性、抗裂性、防火性良好等特性，是一種新型綠色建筑材料。將其用于裝配式鋼結構外掛板可減輕構件重量，且表現出良好的保溫隔熱性、高抗裂性和高抗震性，應用優勢十分顯著[1]。

本試驗通過原材料優選、配合比正交設計試驗，以陶粒混凝土的干表觀密度、坍落度和強度為配合比評價考核指標，制備出適合輕量化預制墻板應用的LC20 陶粒混凝土材料，實現減重率＞25%。

1 試驗原材料

選用的原材料包括水泥、粉煤灰、機制砂、陶粒、陶砂、外加劑，外加劑為陶粒混凝土專用外加劑，減水率30%。各種材料基本性能如表1—表5 所示。

表1 水泥性能

表2 粉煤灰性能

表3 機制砂性能

表4 陶粒性能

表5 陶砂性能

2 試驗方法

2.1 配合比設計

參照《輕骨料混凝土應用技術標準》[2]（JGJ/T 12—2019），采用絕對體積法設計配合比，用于裝配式預制墻板的LC20 陶粒混凝土配制強度fcu,0≥28.2MPa。

2.2 性能測試

抗壓強度參照 《混凝土物理力學性能試驗方法標準》[3]（GB 50081—2019）。

表觀密度參照《輕骨料混凝土應用技術標準》附錄B 輕骨料混凝土性能試驗方法。

工作性能參照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》[4]（GB/T 50080—2016）。

2.3 正交設計試驗分析

采用功效系數法對正交試驗結果進行分析。功效系數是測評產品某項性能指標優劣的量值，以量值大者為優，小為劣，分為單項功效系數與多項功效系數。單項功效系數等于本項性能指標各測試值與最大測試值之比或與最大測試值間的梯度差。n項考核指標的功效系數d 等于n 項考核指標各自的功效系數di(i=l，2，……，n) 的幾何平均值，即d=(d1d2……dn)1/n。

3 試驗設計及結果分析

3.1 陶粒混凝土原材料優選試驗

根據《輕骨料混凝土應用技術標準》，結合重慶地區的原材料情況，采用絕對體積法進行LC20 陶粒混凝土配合比設計，如表6所示。

表6 原材料優選配合比

陶粒輕質，一般內部為多孔結構，陶粒混凝土中很容易出現陶粒上浮的現象，造成陶粒混凝土分層離析、成型困難等問題。另外，由于陶粒吸水率較大，特別是前1 h 吸水很快，坍落度難以保持較長時間，對施工影響較大[5]。因此，試驗前應充分用水浸泡陶粒24h，保證其處于飽和面干狀態，其次要嚴格控制陶粒表面明水情況，以便于控制混凝土水膠比，保證配制的陶粒混凝土整體勻質性、抗壓強度、表觀密度等性能滿足要求。同時，陶粒混凝土攪拌時間不應小于3min。

本試驗以陶粒混凝土工作性能、干表觀密度和28d 抗壓強度三項指標確定原材料體系，試驗結果如表7、圖1 所示。

表7 原材料優選試配結果

圖1 原材料優選試驗結果

根據表7、圖1 的試配結果，從試驗編號1～4 得知，隨著陶粒密度等級的提高，陶粒混凝土的干表觀密度增大，同時3d、7d、28d抗壓強度也隨之增大。

試驗1 采用700 級碎石陶粒，可使混凝土的密度等級接近1800 級。相比于普通混凝土，表觀密度降低幅度為22%，28d 抗壓強度達31MPa，滿足LC20 的強度要求。

試驗2、3 分別采用800 級、900 級碎石陶粒制備的陶粒混凝土，28d 強度滿足LC30 要求，干表觀密度達2000 級。相比于普通混凝土，表觀密度減重率只有17.9%，減重優勢不明顯。

試驗4 中采用陶砂代替機制砂后，陶粒混凝土的干表觀密度大幅降低到1370kg/m3，但各齡期抗壓強度也大幅降低，無法滿足LC20 的強度要求。

試驗5 中增加膠凝材料總用量，降低水膠比，并采用少量陶砂與機制砂復配，可降低陶粒混凝土干表觀密度，提升其抗壓強度，28d 強度為23.1MPa，但依然無法滿足LC20 的要求。同時，由于本次選擇的陶砂吸水率較大，表面明水難以控制，容易造成混凝土水膠比不穩定，因此不宜使用陶砂與現有碎石型陶粒復配來制備LC20 陶粒混凝土。

因此，綜合考慮混凝土的干表觀密度和抗壓強度，選擇700級的陶粒較為合理，以P.O 42.5R 水泥、Ⅱ級粉煤灰、碎石型700級陶粒、機制砂及陶粒混凝土專用外加劑為基本材料來配制輕質預制墻板用LC20 陶粒混凝土，以期較普通混凝土墻板實現減重率＞25%。

3.2 陶粒混凝土正交設計試驗及功效系數分析

確定陶粒混凝土的原材料后，固定膠凝材料總用量400kg/m3、用水量140kg/m3，選擇粉煤灰摻量、陶粒體積和外加劑摻量作為正交因素，設計L9(33)LC20 陶粒混凝土正交試驗。因素水平見表8，正交設計試驗見表9。

表8 L9(33)因素水平表

表9 L9(33)正交設計表

根據正交試驗結果，選擇混凝土坍落度、干表觀密度，3d、7d及28d 抗壓強度5 項性能作為配合比優選的考核指標，并采用功效系數法對試驗結果進行分析。正交試驗的分析結果見表10。

表10 中d1、d2、d3、d4、d5分別為9 組正交試驗混凝土的坍落度、干表觀密度，3d、7d 及28d 抗壓強度對應的單項功效系數，d6為技術功效系數。

表10 正交設計功效系數計算結果

每項指標的單項功效系數計算方法為：d1——坍落度功效系數，選擇第8 組試驗165mm 坍落度作為輕質預制外墻板成型時的理想值，設定功效系數為1.000，其他8 組試驗的坍落度與理想值進行比較，每相差10mm，功效系數減0.01；d2——干表觀密度功效系數，干表觀密度越小，陶粒混凝土較普通混凝土減重率越大，越有優勢，選擇第6 組1600kg/m3作為基準，采用1600 除以其他每組干表觀密度得到對應的單項功效系數d2值；d3、d4和d5分別為3d、7d、28d 抗壓強度功效系數，采用每組試驗的抗壓強度值除以對應齡期抗壓強度的最大值得到對應的抗壓強度單項功效系數；d6為d1、d2、d3、d4、d5的幾何平均值，d6 越大，5 項技術綜合性能最優。

表10 中，K1表示因素A、B、C 在水平1 時的技術功效系數d6之和，K2表示因素A、B、C 在水平2 時的技術功效系數之和，K3表示因素A、B、C 在水平3 時的技術功效系數之和，R 表示極差，為K1、K2、K3在各水平下最大值與最小值之差。極差的大小反映因素之間影響的主次順序與顯著程度，某因素某水平技術功效系數的大小反映該因素該水平對應的混凝土技術性能的優劣。

表10 中，9 組試驗的干表觀密度均較普通混凝土減重率＞25%，滿足設定的裝配式陶粒混凝土預制墻板減重要求。如圖2所示，試驗2 的技術功效系數d6最大，說明從坍落度、干表觀密度，3d、7d 和28d 抗壓強度5 項技術指標綜合來看，試驗2 的技術性能最優，與普通混凝土相比，可實現減重率28%，工作性能滿足 《輕骨料混凝土應用技術規程》 規定的振搗棒或平板振動器振實成型預制構件要求。

圖2 正交試驗技術功效系數比對圖

圖3、圖4 分別為各因素K 值、極差R 比對圖。根據表10 計算結果及圖3 分析，因素A、B、C 分別對應的技術功效系數的最大水平為1、1、2，因此，該正交設計試驗最佳的因素水平組合為A1B1C2，即粉煤灰摻量20%，陶粒體積40%，外加劑摻量1.8%。參照 《輕骨料混凝土應用技術規程》，得出理論干表觀密度為1772kg/m3，與普通混凝土相比，可實現減重率26.2%。如圖4 所示，各因素的極差R 比較結果為B>C>A，說明陶粒體積對陶粒混凝土的技術綜合性能影響最大，其次是外加劑摻量，粉煤灰摻量影響最小。

圖3 各因素K值比對圖

圖4 各因素極差R比對圖

4 結論

（1）通過原材料優選試驗得出，用于裝配式預制墻板的LC20陶粒混凝土原材料可選擇P.O 42.5R 水泥、Ⅱ級粉煤灰、碎石型700 級陶粒、機制中砂及陶粒混凝土專用外加劑；由于選擇的陶砂強度太低，吸水率較大，混凝土水膠比難以控制，因此，不宜與現有碎石型陶粒復配制備LC20 陶粒混凝土。

（2）通過對LC20 陶粒混凝土正交試驗功效系數分析，結果表明：在試驗范圍內，最佳配比為粉煤灰摻量20%，陶粒體積40%，外加劑摻量1.8%，與普通混凝土相比，實現減重率26.2%；陶粒體積是影響陶粒混凝土技術性能的首要因素，其次是外加劑摻量，粉煤灰摻量影響最小。

（3）通過試驗發現，因陶粒內部為多孔結構，易吸水及吸附外加劑，因此，建議在制備陶粒混凝土時首先加入1/2 水攪拌1min，再添加外加劑及剩余1/2 水持續攪拌至少2min，保證合計攪拌時間≥3min。同時，陶粒在試驗前應充分泡水至少24h，在保證陶粒筒壓強度的前提下，使陶粒呈現為飽和吸水狀態。此外，根據試驗條件，控制瀝水時間保證陶粒表面明水和混凝土水膠比在可控范圍內，減少混凝土制備過程中的陶粒吸水率，提升陶粒混凝土整體的勻質性和保坍性。