振动加压成型陶粒混凝土砌块配合比研究.pdf

2 0 1 5 年 第 4 期 ( 总 第 3 0 6期 ) Nu mb e r 4 i n 2 0 1 5 ( T o t a l No 3 0 6) 混 凝 土 Co nc r e t e 混凝土制品 C0NCRETE P RODUCTS d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 5 0 4 0 3 5 振动加压成型 陶粒混凝 土砌块配合 比研究 罗永磊， 丁晓燕 ， 项振通，徐明，陈忠范 ( 东南大学 7 昆凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室， 江苏 南京 2 1 0 0 9 6 ) 摘要 ： 振动加压成型陶粒 昆 凝土砌块 ， 本质上为干硬性混凝土经过预压 阶段， 内部结构发生改变 ， 从而使密实度改善、 强度提 高。 然而， 国内外对加压成型轻骨料混凝土的强度并没有系统性研究 ， 配合比也一直处于经验试配阶段。 在规范所提供配合比的 基础上 ， 结合生产工艺的技术条件， 通过设计正交试验研究砂率、 水灰 比与母体材料密度对振动加压成型陶粒混凝土强度 的影 响 ， 优化得到经济合理的配合比， 并通过试块抗压强度试验对陶粒 昆 凝土砌块振动加压成型工艺提出建议 。 关键词 ： 振动加压成型 ； 陶粒混凝土砌块 ； 配合比 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 6 2 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 5 ) 0 4 0 1 3 7 0 4 Ex p e r i me n t a l r e s e a r c h o f m i x t u r e r a t i o a b o u t v i b r a t ion c o m p r e s s i o n mo l d i n g c e r a m i c c o n c r e t e b l o c k s LUO Yo n g l e i，DI NG Xi a o y a n， XI ANG Zh e n t o n g， XU M i n g，CHEN Zh o n g f a n ( Ke y La b o f RC a n d P C S t r u c t u r e s o f Mi n i s t r y o f E d u c a t i o n， S o u t h e a s t Un i v e r s i ty， Na n j i n g 2 1 0 0 9 6， C h i n a ) Abs t r ac t： ： Th e c o mp a c t n e s s a n d c o mp r e s s i v e s e n g th o f v i b r a t i o n p r e s s u r e mo l d i n g c e r a mi c c o n c r e t e b l o c k s a r e bo t h i mp r o v e d d u rin g p r ep r e s s s t a g e， wh e n b l o c ks i n t e r na l s t r uc t ur e c h an g e s Ho wev e r ， n o s ys t e ma t i c s t u d i e s o f p r e s s u r e mo l d i n g c e r a m i c c o n c r e t e b l oc k s i s c a r r i e d o u t i n the do me s ti c o r o v e r s e a s， a nd the mi x t u r e r a tio i s de t e r mi n e d wi t h e x p e r i e n c e Ba s e d o n the mi xt u r e r a t i o p r o v i de d b y s p e c i fic a t i o n a n d t e c h n i c a l c o n d i tio n s of p r o d u c t i o n p r o c e s s ， we s t u d i e d the i n flu e n c e o f s a n d r a tio， wa t e rc e me n t r a t i o a n d the ma t r i x ma t e r i a l d e n s i t y d e g r e e o n t h e c o mp r e s s i o n mo l d e d c e r a mi c c o n c r e t e b y de s i gn i n g o r t h o g o na l e x p e r i me n t The n WC o b t mn e d e c o n o mi c a l a n d r e a s o na b l e mi x tur e r a tio a f t e r o p t i mi z a t i o n， a n d ma d e r e c o mme n d a ti o ns f o r v i b r a t i o n c o mp r e s s i o n mo l d i n g p r o c e s s o f c e r a mi c c o n c r e t e ma s o n r y b y c o mp r e s s i v e s t r e n g t h t e s t o f b l o c ks Ke y wo r d s： v i b r a ti o n c o mp r e s s i o n mo l d i n g； c e r a mi c c o n c r e t e b l o c k； mi x t u r e r a ti o 0 引言 我 国建设资源节约型社会工作的进展逐渐深入 ， 规定 到 2 0 2 0年 ， 北方和沿海经济发 达地 区和特大城市新 建建 筑实现节能6 5 的目标 ， 陶粒混凝土砌块以绿色环保、 节 能低耗 的特性成为节能建筑发展 的热 门。 陶粒混凝土砌块 的成型工艺分为振动成型与振动加压成 型 ， 振 动加压成型 装置采用定 向振 动 ， 加 压成 型 ， 同步脱模 ， 具有 成型 周期 短 、 生产效率高的优势 ， 近几年得 到广泛应用 。 然而 ， 经过 加压成型的混凝土砌块 ， 特别要考虑到配合 比一定要 与生 产装备 、 生产技术 以及生产产 品的特性等相 匹配 。 迄今为 止 ， 其配合 比一 直处 于经验试 配 阶段 。 因此 ， 设计经 济可 行 、 受力合理的陶粒混凝土空 心砌 块配合 比， 具有 经济现 实意义 。 另一方面 ， 混凝土砌块 的母 材强度 ， 是对砌块 以及砌 体进行有限元分析的基础 和根本 ； 也只有对砌 块模 型设 置 合理有效的材料性能， 才能对砌体结构进行精准的力学性 能分析 ， 从而节省试验成本 。 加压成型 陶粒混 凝土砌块 的 母材 ， 与普通 的混凝土不同， 经过预压 阶段 ， 内部结构发生 收稿 日期 ： 2 0 1 4 0 9 2 1 基金项目： 十二五国家科技支撑计划( 2 0 1 1 B A J 0 8 B 0 4 ) 改变 ， 密实度改善。 国内外研究和测试 了谐 波振动密实方 式的实用性 ， 但是对加压成 型轻骨料混凝土的强度并没有 系统性研究 ， 笔者进行 的研究工作包含 以下 内容 。 1 材料基本特性 水 ： 普通 自来水 。 水泥 ： 南京中联水泥公司生产的 P O 4 2 5级水泥 ， 具 体性能参数见表 1 。 表 1 水泥性能参数 石粉 ： 传统 的陶粒混 凝土砌块一般是使 用天然砂 、 石 子等作为细骨料 ， 本研究采用石粉作为主要骨料出于两方 面考虑 ： 一是石粉为石块废料磨碎而成 ， 相对天然砂 、 石子 等骨料更加经济 ， 且废 物重新利用 ， 满足建筑结 构节能 环 保的要求； 二是由于既有砌块生产设备的成型工艺要求所 采用 的骨料中应 含一定 量 的黏土 ， 便 于砌块的静压成 型 ， 1 3 7 由表 3可知 ， 本次正交试 验为三 因素 四水平 ， 根据 因 素水平 ， 正交试验方案取五 因素 四水平 L ( 4 ) 正交试 验 表前三列 ， 共计 1 6种试验方案 。 4 振动加压 成 型 陶粒混 凝 土配合 比正 交试验 分析 4 1 正 交 试 验 严格按照 G B T 5 0 0 8 1 -2 0 0 2 普 通凝 土力学性 能试 验方法标准 混凝土立 方体试件 的抗压 强度试验方 法， 以 极限抗压强度为 目标 函数 ， 可得到振动加压成型 陶粒混凝 土正交试验结果如表 4所示 。 表 4正交试验方案 4 2极差分析 通过 极差分 析正交 试验结 果 ， 可 以得 到在试验 范 围 内， 各 因素对极 限抗压 强度 的影 响从 大到小 的排 列 ， 极差 分析如表 5所示 。 表 5振动加压成型陶粒混凝土抗压强度正交试验极差分析表 因素 水胶 比( A) 砂率( B) 密度 ( C ) 空列( D) I j 5 4 6 7 0 0 3 8 4 3 0 0 2 9 4 8 0 0 41 3 40 0 I I i 38 6 50 0 5 0 1 1 0 0 3 6 4 2 0 0 4 3 8 4 0 0 I I ! j 4 9 6 7 0 0 4 3 5 1 0 0 5 9 3 0 0 0 5 0 4 8 0 0 wj 3 7 0 9 0 0 4 8 0 3 0 0 5 4 8 8 0 0 4 4 4 2 0 0 Ki 4 4 4 4 t j Ki 9 6 6 2 5 9 6 0 7 5 7 3 7 0 0 1 0 3 3 5 0 I I i K； 1 2 4 1 7 5 1 2 5 2 7 5 9 1 0 5 0 1 0 9 6 0 0 I I I j Ki 9 2 7 2 5 1 0 8 7 7 5 1 4 8 2 5 0 1 2 6 2 0 0 I V j Ki 1 3 6 6 7 5 1 2 0 0 7 5 1 3 7 2 0 0 I 1 1 0 5 0 极 差 D j 4 3 9 5 0 2 9 2 7 4 5 5 0 2 2 8 5 0 主次顺序 C A B 最优水平 A B ： C ， 优组合 A B ： C ， 注 ： I j 、 I I j 、 mj 、 I V j 分别表示第J 列因素 1 、 2 、 “ 3 ” 、 “ 4 ” 水平所对应的试验指标的数值之和； K 第 列同一水平出现 的 次数 ， 等于试验的次数 n除以第 列的水平数 ； i j K j 、 I I j ， K j 、 I I I j ， K j 、 I V j Ki分别表示第 列 “ 1 ” 、 “ 2 ” 、 “ 3 ” 、 “ 4 ” 水平所对应 的试验 指标的平均值 ； D j ： ma x I j K j 、 I I j K j 、 I I I j K j 、 I V j K j 一 rai n I j K j 、 W K j 、 mj K j 、 I v j K j 由表 5可求各 因素水平影响趋势图如图 3 所示 。 图 3振动 加压 成型 陶粒 混凝 土极 限抗 压 强度 各因素水平影响趋势图 4 3方差分析 方差分析将数据 的总变异分解成 因素引起 的变异和 误差引起 的变异两部分 ， 构造 F统计量 ， 作 F检验 ， 判断因 素作用是否显著。 该试验 1 6种方案的计算结果总变异由 A因素 、 B因素、 C 因素 、 及误差变异 D 部分组成 ， 各因素 偏差平方和与 自由度的关系为 ： S S T= S S A + B+ S c + S S D 诉 = 矾 +妩 + +讥 ( 1 ) 矫正数 ： C T=( 厶+ ， ， 4 + ， ， ， 4 + ， ) 1 6 ( 2 ) 总的偏差平方 和： S S = 一 C T ( 3 ) 计算第 i 列因素偏差平方和 ： S S ：( 1 i + 。+ I I I i +， ) 4一C T ( 4) 总 自由度 ： 诉 = n l =1 6 1 =1 5 ( 5 ) A、 B、 C因素 自由度 ： 矾 = 虢 = 矾 ： m一1 = 41 = 3 ( 6 ) 误差自由度： = 诉 一 机 一 妩 一 妖 ： 6 ( 7 ) 根据以上计算 ， 进行 显著性检 验 ， 列 出砌块力 学性能 正交试验方差分析表 ， 结果如表 6 所示 。 表 6振动 加压 成型 陶粒 混凝 土抗 压强 度正 交试验 方差 分析 表 4 4 振 动加压 成型 陶粒 混凝 土抗压 强度 正 交试验 结果分析 通过力学性能正交试验 ， 以振动加压成型 陶粒混凝土 试块能承受的极 限抗压强度作为衡量标准 ， 相对系统地研 究了水胶 比、 砂率 以及密度等 因素对抗压 强度的影 响。 通 过正交试验 的极差 分析 、 各 因素影 响趋 势 图以及方 差分 析 ， 可得到 以下结论 ： ( 1 ) 影响振动加压 成 型陶粒 昆 凝 土抗压 强度各 因素 的程度从大到小排列为： CAB， 即加压后密度等级 的影响最大 ， 其次是 水胶 比的影 响， 再次是 砂率 的影 响 。 这与通 常研究振 动加 压成 型 陶粒 混凝 土抗压 强度 时 ， 首 先应对压制的轻骨料混凝土进行密 度等级评定是 相符合 1 3 9 日 d I 苣 酉 的。 虽然水胶 比以及砂率 的极差值相对密度 等级 比较小 ， 但是在 同一 密度 等 级下 ( 如 N 9组 与 N 1 6组 ， 密度 等 级 为 1 7 0 0 k g m ) ， 水胶 比和砂率 不 同， 其抗压 强度之 比为 2 1 3 。 因此 ， 在设计振动加压成型陶粒混凝土砌块 时， 根据 力学要求确定相应 的密度等级 ， 通过考虑水胶 比和砂率因 素的影响以满足热工性能 以及施工工艺要求。 ( 2 ) 此次振动 加压成 型 陶粒 混凝土抗压 强度正交试 验， 能使砌块力学性能达到最优的组合理论上应是 A B ： c ， 即在密度为 1 9 0 0 k g m 的情况下 ， 水胶比为 3 5 ， 砂率为 4 0 。 ( 3 ) 通过对试 验进 行方差检验 ， 9 5 把握可 以判 断因 素 C水平 的改变对试验结果有非常显著的影 响， 而其他两 种因素 A和 B对试验结果影 响不 够显著 ， 和极差 分析结 果相一致 5 振 动加 压成 型 陶粒 混凝 土砌 块 配合 比优 化 建议 通过振动加压成型工艺制作 1 6种不 同配合 比、 砂率 以及密度等级的试块 ， 得到不同抗压强度 。 同时 ， 通过观察 振动加压成型工艺生产试块 ， 得到配合 比设计规 律 ， 为振 动加压成型陶粒混凝土砌块 的生产工艺优化设计 提供建 议如下 ： ( 1 ) 对于水胶 比， 一方面 ， 根据已有的研究理论 ， 普通 干硬性混凝土采用砂浆用量少， 主要依靠粗骨料颗粒相互 接触的骨架作用使混凝土强度 提高。 而加压成型陶粒混凝 土正好相反， 低强度的陶粒通过包裹一层较厚的砂浆层， 依靠硬化砂浆的拱壳作用来增加混凝土的吸度 。 如果水胶 比过低( 如 N1 5组和 N1 6组 ) ， 由于骨料吸水 ， 砂浆得不到 相应的稠度 ， 不仅使 振动压制后块体松散无法 成型 ， 也会 使砂浆不能有效包裹骨料而强度降低。 另一方面 ， 如果 水胶 比过 高 ( 如 N1 1组 和 N1 2组 试 件 ) ， 振动加压时所施加压力使模具 内部严 重泌水 且产生 超净孔隙水压力 ， 不仅脱模不易 ， 而且有效压应力减小 ， 陶 粒混凝土不能有效密实 ， 其极限抗压强度与加压强度之 比 仅为 1 0 2和 1 0 8 。 工厂实际生产根据经 验调试 含水率 ， 在拌料 过程 中， 当用手紧握拌料能够使其不会松散 即可 。 通过试验证 明， 存在最佳含水率使 陶粒混凝土达到最佳密实状态 ， 也能够 达到足够胚体强度而有效脱模 。 在这 里 ， 建议含 水率取为 2 0 3 0 ， 若石粉含量较大 ， 含水率取较大值 。 ( 2 ) 对于砂率 ， 表 征的是细骨料 与陶粒 的相对 含量 。 砂率越大 ， 石粉越多 ， 有效包裹 陶粒的砂浆越多 ， 则形成坚 固厚实 的砂浆骨架 ， 极 限抗压强度提高。 但是 ， 水泥砂浆的 导热系数为 0 9 3 w ( 1T I K) ， 密度达 2 2 5 0 - 2 3 0 0 m ， 黏土陶粒 的导热系数仅为 0 2 3 - 0 5 5 W ( I n K) ， 颗粒 堆 积密度仅为 6 0 0 k g m 左右。 从陶粒混凝土 的密度和热工 性能来讲， 黏土陶粒含量又不宜过少。 就本试验来看， 当砂 率含量为 5 0 6 0 时 ， 砂浆基本完全包裹 陶粒 ， 破坏面显 示能够形成有效 的砂浆硬化的拱壳。 1 4 0 ( 3 ) 对于密度等级， 作为密实性的评价参数， 受材料组 成成分 、 振动方式和加压作用的影响。 在此过程 中， 使混凝 土中各种物料颗粒经历重新排 布、 孔 隙被 充实、 颗粒堆积 得更加密实。 因此 ， 密度等级越大 ， 则极限抗压强度越大 ， 在 J G J 5 1 2 0 0 2 轻骨料混凝土技术规程 中 ， 对混凝土密 度等级和混凝土强度等级建立的对应关系则体现了这一 特性 。 陶粒混凝 土为陶粒和砂浆共 同构成 ， 在加压成型过程 中 ， 为得到高强混凝土 ， 当密度等级过高时 ， 则过 高的加压 强度会使陶粒混凝土 内部 的陶粒破坏 ； 而如果密度等级要 求过低时 ， 则 过低 的加 压强度 使混凝 土组分 不能有 效密 实 ， 坯体 强度 不足 以顺 利 脱模 。 因此 ， 建 议 砂率 为5 0 6 0 的陶粒混凝土密度等级取为 1 7 0 0 2 0 0 0 k g m ， 若砂 率较大， 密度等级取较大值。 ( 4 ) 振动成 型和振动加 压成型对极 限抗压强 度存在 一 定的差距。 许建荣提出在设计配合 比时需考虑成型工 艺的影响系数 D， 自动计量振动加压型的 D值取 1 0 0 ， 振动加压型的 D值取 1 。 1 0 ， 振动不加压型 的 D值取 1 2 0 ， 也就是说振动不 加压 型 的强度 提高 2 0 ， 而振动加 压型 的 D 值仅为 1 0 。 本试验 中 N 1组 和 N 8组 试验 ， 同一密 度等级 ( 1 6 0 0 k g m ) 情况下 ， 由于砂 率不 同 ， 需要 的加压 强度分别为 0 3 7 、 4 0 5 MP a ， N 1组试 块 由于加压 强度过 小 ， 基本可以认为是振 动成 型， 两者极 限抗 压强度相差 约 2 6倍 ， 这种 只通过强度放 大系数 D来描述 生产工 艺对砌 块强度 的影响产生的误差不可忽略。 参考文献 ： 1 G B T 5 0 1 2 9 -2 0 1 1 ， 砌体基本力学性能试验方法标准 s 北 京 ： 中国建筑工业出版社 ， 2 0 1 1 2 3 G B 5 0 0 0 3 -2 0 1 1 ， 砌体结构设计规范 s 北京 ： 中国建筑工业 出版社 ， 2 0 1 1 E 3 1余健生 ， 何蔚 ， 刘淳 轻骨料混凝土小型空心砌块生产 、 性能与 应用E J 厂东建材， 2 0 0 1 ( 8 ) ： 2 5 2 6 4 刘巽伯 ， 王菊芬 ， 马 桂兰 粉煤灰陶 粒混凝土 配合比设计 方 法 J 硅酸盐建筑制品， 1 9 8 7 ( 4 ) ： 1 6 2 1 5 V， P A L Z E R U， 崔玉忠 干硬性混凝土制品 生产工艺与技术的现状 J 建筑砌块与砌块建筑 ， 2 0 1 0 ( 2 ) 9 1 2 1 4 1 5 - 6 3许建荣， 王瑜 混凝土空心砌块配合比设计中参数的优化 J 新型建筑材料 ， 2 0 0 8 ( 7 ) ： 1 41 7 作者简介： 罗永磊( 1 9 9 1一) ， 男 ， 硕士研究生， 研究方向 ： 主要从 事砌体结构抗震研究。 联系地址 ： 南京市玄武 区四牌 楼 2号 东南大学土木工程 学院 ( 2 1 0 0 9 6 ) 联系电话 ： 1 3 4 0 1 9 0 9 1 3 4