煤矸石陶粒混凝土的轻质化及保温性能研究.pdf

全 国中文核心期刊 杆癯 建蟓 撕 中 国 科 技 核 心 期 刊 煤矸石陶粒混凝土昀轻质化及 、 保温性链研究 朱明 ， 叶武平 “ ， 王发洲 ， 王晶 ， 楚 云波 ( 1 武汉理工大 学 材料学 院， 湖 北 武汉4 3 0 0 7 0 ； 2 中国建筑科学研究 院建筑材料研 究所 ， 北京1 0 0 0 1 3 ； 3 北京建工华创科技发展股份有 限公司， 北京 1 0 0 0 4 4 ) 摘要 ： 研究了粉煤灰掺量和体积砂率对用煤矸石陶粒和陶砂作为骨料配制的轻骨料混凝土抗压强度和干表观密度的影响， 测 试 了不同强度等级下轻骨料混凝土可以达到的最小干密度及 相应的热导系数 。结果表 明： 煤矸石 陶粒 混凝土的抗压强度和 干密度 均随着粉煤灰掺量的增加先增大后减小， 当粉煤灰掺量为 2 0 时抗压强度和干密度最高； 而随体积砂率减小， 抗压强度和干密度逐 渐减小 ， 满足 L C I O 、 L C 1 5和 L C 2 0强度等级 的最 小干密度分别 为 1 1 4 5 、 1 2 2 0和 1 2 9 7 k g m 3 ， 对 应 的导 热系数分别 为 O 1 9 4 1 、 0 2 0 5 0 、 023 41 W ( m K) 。 关键词： 全轻混凝土； 煤矸石； 强度； 干密度； 热导系数 中图分类号： T U 5 2 8 0 4 1 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 1 7 0 2 X( 2 0 1 5 ) 1 0 0 0 5 4 04 S t u d i e s o n H g h t we i g h t a n d t h e r ma l p r o p e r t i e s o f c o al g a n g u e c e r a m s i t e c o n c r e t e ZHU M i n g1 ， YE wu pi n r ， WANG Fa z ho u ， WANG ， CHU Yu nb o ( 1 I n s t i t ut e o f Ma t e r i a l s ， Wu h a n Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y， Wu h a n 4 3 0 0 7 0， Hu b e i ， C hi n a ： 2 I n s t i t u t e o f B u i l d i n g Ma t e r i a l s ， C h i n a Ac a d e my o f B u i l d i n g R e s e a r c h ， B e i j i n g 1 0 0 0 1 3 ， C h i n a ： 3 B e i j i n g J i a n g o n g H u a c h u a n g T e c h n o l o gy D e v e l o p me n t C o L t d ， B e ij i n g 1 0 0 0 4 4 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e i n fl u e n c e o f d o s a g e o f fl y a s h a n d v o l u me s a n d r a t i o t o t h e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h a n d d r y d e n s i t y o f l i g h t w e i g h t a g g r e g a t e c o n c r e t e( L WAC) wh i c h wa s p r e p are d wi t h c o a l g a ng u e c e r a ms i t e and c e r a mi c s and a s l i g h t we i g h t a g g r e g a t e we r e s t u di e d An d t h e mi n i mu m l e v e l o f d e n s i t y a n d t h e c o r r e s p o n d i n g t h e r mal c o n d u c t i v i t y t h a t LWAC c a n a c h i e v e u n d e r d i f f e r e n t s t r e n gth gra d e s we r e e x p l o r e dT h e r e s u l t s s h o w t h a t ： wi t h t h e i nc r e a s e o f d o s a g e o f fl y ash， b o t h t h e c o mp r e s s i v e s t r e n gth an d t h e d ry印一 p ar e n t d e n s i t y o f LW AC i n c r e a s e s fi r s t an d t h e n de c r e a s e s ， a n d t h e b e s t d o s a g e o f fl y ash i s 2 0 ： Bu t wi t h t h e d e c r e a s e o f v o l u me r a t e o f s a n d ， b o t h o f t h e m d e c r e a s e gra d ua l l yT h e mi n i mu m d ry d e n s i t y gra d e un d e r s t r e n gth g r a d e o f L C1 0， L C1 5 a n d LC 2 0 i s 1 1 4 5 ， 1 2 2 0 a n d 1 2 9 7 k g C m r e s p e c t i v e l y An d t h e i r t h e r m a l c o n d u c t i v i t y a r e 0 1 9 4 1 ， 0 2 0 5 0 a n d 0 2 3 4 1 W ( m。 K ) Ke y wor ds ： f u l l l i g h t we i g h t a g gre g a t e c o n c r e t e ， c o a l g ang u e ， s t r e n gth ， dry a p p a r e n t d e n s i t y， t h e r ma l c o nd u c t i v i t y 0 前言 煤矸石陶粒是将符合烧胀要求的煤矸石经过破碎、 预热、 烧胀、 冷却、 分级等工艺生产出来的， 是人造轻骨料中的一种， 基金项 目： 国家科技支撑计划项目( 2 0 1 2 B A C1 5 B 0 4 ， 2 0 1 4 B A L 0 3 B 0 1 - 0 1 ) 收稿 日期： 2 0 1 5 0 7 0 8 ； 修订 日期： 2 0 1 5 0 8 1 9 作者简介 ： 朱 明， 男 ， 1 9 6 0年生， 河南郑州人 ， 博士， 副教授 ， 主要研究 方 向为水泥与混凝土材料性 能、 结构与相关技术 。E m a i l ： mi n g z 9 9 1 6 3 c o m。通讯作者： 王发洲， E m a i l ： f z h w ang w h u t e d u c n 。 5 4 新型建筑材料 2 0 1 5 1 0 堆积密度不大于 1 2 0 0 k g m 。装配式住宅由于具备节能、 节 时、 节地、 节材、 节水， 建筑垃圾减少 9 0 ， 施工模板减少 8 5 ， 人工节省2 0 3 0 ， 且施工现场基本无粉尘、 无噪声等 诸多功能特点和环保优势，在节能环保建筑的推广应用中得 到越来越广泛的应用l l- 3 1 。轻骨料混凝土不仅能保证强度， 同 时能大大减轻构件质量， 极大减少了吊装和运输的成本， 然 而， 为了进一步推广轻骨料混凝土在装配式住宅中的应用， 需 要将其做得更轻。目 前， 对于高强轻骨料混凝土的研究比较 多， 而对于轻骨料混凝土的轻质性关注的比较少， 有学者用高 性能陶粒配制轻骨料混凝土， 2 8 d 抗压强度达到3 5 5 M P a ， 干 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 朱明， 等： 煤矸石陶粒混凝土的轻质化及保温性 能研究 密度为 1 3 8 0 k g m ； 也有研究者探讨了1 0 0 0 1 4 0 0级轻骨料 混凝土密度和强度的关系， 但线性关系并不理想圈 。在满足混 凝土强度的前提下， 轻骨料混凝土究竟能做到多轻， 轻质化 的极限又是怎样的， 目前还没有进行深入的研究， 轻骨料混 凝土更优良的性能有待挖掘。因此， 本研究利用废弃煤矸石 烧制而成的环保型煤矸石陶粒和陶砂作为骨料对轻骨料混 凝土进行轻质化的研究探讨，通过粉煤灰掺量和体积砂率 等因素，研究其抗压强度和干表观密度的变化关系以及它 们之间的具体关系，探讨不同强度等级下的最小干密度， 为 轻骨料混凝土在预制装配式住宅中的广泛应用提供理论基础 和数据支撑。 1 实验 1 1 原材料 水泥： 北京金隅牌 P 0 4 2 5 水泥； 粉煤灰： 北京石景山电 力公司生产的级灰。 细骨料： 北京建工华创有限公司提供的 煤矸石陶砂， 粒径为0 2 5 1 m m和2 5 m m ， 编号分别为S 1 和 S 2 ； 粗骨料： 北京建工华创有限公司提供的圆球形煤矸石陶粒， 粒径为5 1 0 m m， 编号为G 1 ， 骨料的基本性能如表 1 所示。减 水剂： 江苏博特生产的液态聚羧酸减水剂， 减水率为2 0 一 2 5 。 表 1 骨料的基本性能 1 2实验方法 试验中煤矸石陶粒混凝土的抗压强度采取 1 0 0 m m x l 0 0 m m x l 0 0 m m的混凝土试件， 用型号为S Y E 一 3 0 0 0的压力试验 机进行 7 d 和 2 8 d的抗压强度测试； 导热系数的测试采用 J T R G 一 型建筑热流计式导热仪； 按照J G J 5 1 2 o 0 2 轻骨 料混凝土技术规程 中的烘干法测试试件的2 8 d 干表观密 度。 为保证轻骨料混凝土良 好的工作性能， 所使用的煤矸石陶 粒均采取预湿3 0 m in ，并参 考高 性能 轻骨料混凝土工作性能 评价体系嘲 。 煤矸石陶粒混凝土的配合比设计采取J G J 5 1 2 0 0 2中 的绝对体积法， 选取体积砂率和粉煤灰掺量为因素变量， 具体 配合比参数如表2 所示。 表 2 煤矸石陶粒混凝土实验配合比 2 实验结果及讨论 2 1 粉煤灰掺量对煤矸石陶粒混凝土性能的影响 不同粉煤灰掺量下煤矸石陶粒混凝土的7 d 、 2 8 d 抗压强 度和干表观密度如表3 所示。 表 3 不同粉煤灰掺量煤矸石陶粒混凝土的性能 由表 3 可知， 在净水胶比为0 3 0 和0 3 6时， 煤矸石陶粒 混凝土的抗压强度均随粉煤灰掺量的逐渐增加先提高后降 低， 粉煤灰掺量为2 0 时抗压强度最高。煤矸石陶粒混凝土 的7 d 抗压强度均达到了2 8 d 抗压强度的8 o P2上， 前期强 度发展很快，说明普通混凝土强度随龄期增长的规律不适用 于轻骨料混凝土f 7】 。煤矸石陶粒混凝土前期强度增长较快， 其 原因主要是由陶粒的多孔特性所决定的，经过预湿的煤矸石 NE W BUf L Df NG MAT E Rl AL S 5 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 朱明， 等： 煤矸石陶粒混凝土的轻质化及保温性能研究 陶粒在水泥浆中具有明显的吸水和返水特性，当水泥水化逐 渐消耗水分， 水泥浆中的相对湿度小于陶粒中相对湿度时， 陶 粒中的水会逐渐释放出来， 起到内养护作用8 - 9 ， 供水泥继续 水化。 此外， 由表3 还可知， 煤矸石陶粒混凝土干表观密度随粉 煤灰掺量的增加先增大后减小， 和抗压强度的变化规律一致， 干表观密度和抗压强度有一定的内在关系，相关的研究也表 明，轻骨料混凝土的强度和干密度之间存在良 好的正相关关 系15 。 2 2 体积砂率对煤矸石陶粒混凝土性能的影响 本研究使用的煤矸石陶粒为5 0 0 级， 筒压强度为3 2 M P a ， 混凝土配合比中体积砂率为0 3 5 1 o 0 ， 净水胶比为0 - 3 ， 混凝 土配制过程中没有出现离析和泌水的情况，成型后进行7 d 、 2 8 d 抗压强度以及 2 8 d 干表观密度的测试， 结果见表4 。 表 4 不同体积砂率煤矸石陶粒混凝土的性能 由表4 可知， 从L S 8到L S 1 ， 随着体积砂率的不断减小， 煤矸石陶粒混凝土的2 8 d 干表观密度和抗压强度逐渐降低， 当体积砂率大于0 4 8时， 干表观密度和抗压强度减小的趋势 较缓； 当体积砂率小于0 4 8 时， 干密度和抗压强度减小幅度 增大。煤矸石陶粒混凝土干密度和抗压强度随体积砂率减小 而减小，主要是由于混凝土中的陶砂强度比5 0 0 级陶粒的强 度高、 密度比陶粒的大， 体积砂率小， 混凝土中的陶粒砂所占 体积就小， 从而干密度和抗压强度逐渐减小。可见， 提高体积 砂率可以提高混凝土强度，但轻骨料混凝土的密度也随之增 大 。同时也可以看到， 不同砂率下煤矸石陶粒混凝土的7 d 和2 8 d 抗压强度相近， 前期强度发展较快。 2 3 L C 1 0 一 L C 2 0煤矸石陶粒混凝土的轻质化结果 图 1 为满足L C 1 0 L C 2 0强度等级下的2 8 d 抗压强度随 2 8 d 干表观密度的变化规律。 由图1 可知， L C 1 0 一 L C 2 0 强度等级下的2 8 d 抗压强度和 干表观密度表现出良 好的线性关系， 通过线性拟合得到关系： y = 0 0 7 3 x 一 6 6 6 3 ， R2 = 0 8 2 。 5 6 新型建筑材料 2 0 5 1 O 图 1 L C I O L C 2 0强度等级 煤矸石陶粒混凝土 2 8 d抗压强度和干密度的关系 将表3和表4中强度等级为L C 1 0 L C 2 0 的煤矸石陶粒 混凝土进行最小干表观密度的结果评价可知： ( 1 ) 符合L C 1 0 级煤矸石陶粒混凝土最轻的是编号为WF 0 的配合比， 其2 8 d 抗压强度为1 8 7 M P a ， 干表观密度为 1 1 4 5 k g m ， 密度等级达到1 1 0 0 级； ( 2 ) 符合L C 1 5 级煤矸石陶粒混凝土最轻的是编号为 L S 3 的配合比， 其2 8 d 抗压强度为2 2 1 M P a ， 干表观密度为 1 2 2 0 k g m ， 密度等级达到1 2 0 0 级； ( 3 ) 符合L C 2 0 级煤矸石陶粒混凝土最轻的是编号为 L S 7 的配合比， 其2 8 d 抗压强度为2 8 6 M P a ， 干表观密度为 1 2 9 7 k g m 。 ， 密度等级达到1 3 0 0 级。 2 4 L C 1 0 L C 2 0煤矸石陶粒混凝土的导热系数 得到L C 1 0 L C 2 0 煤矸石陶粒混凝土的最小干密度后， 对 其导热系数进行测试， 结果如表5 所示。 表 5 导热系数的测试结果及与标准的对 比分析 由表5 可知， 本研究处于最小干密度的L C 1 0 一 L C 2 0强度 等级下煤矸石陶粒混凝土的导热系数分别为0 1 9 4 1 、 0 2 0 5 0 和 0 2 3 4 1 W ( m K ) ， 与J G J 5 1 2 0 0 2 要求的导热系数相比， 分别降低了3 7 3 9 、 4 3 o 6 i 4 4 2 6 ， 该区段的结构保温混 凝土的保温性能得到了较大的提升，这将促进结构保温一体 化混凝土的发展和应用。 3 结语 ( 1 ) 通过调节粉煤灰掺量和体积砂率可以较好地控制轻 骨料混凝土的干表观密度和强度，煤矸石陶粒混凝土强度等 级为L C 1 0级的最小干表观密度为1 1 4 5 k g m ， 密度等级达到 1 1 0 0级； 强度等级为L C 1 5 级的最小干表观密度为1 2 2 0 k m ， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 朱明， 等： 煤矸石 陶粒混凝土的轻质化及保温性能研究 密度等级达到 1 2 0 0 级； 强度等级为L C 2 0 级的最小干表观密 度为1 2 9 7 k g m ， 密度等级达到 1 3 0 0级。 ( 2 ) 随着粉煤灰掺量的增加， 煤矸石陶粒混凝土的抗压强 度先提高后降低， 最佳掺量为 2 0 ； 随着体积砂率的减小， 煤矸石陶粒混凝土的抗压强度和干表观密度均逐渐减小， 当体积砂率小于0 4 8时，干密度和抗压强度的减小幅度增 大。 将处于L C 1 0 、 L C 1 5 和 L C 2 0 强度等级煤矸石陶粒混凝土 的抗压强度和干表观密度进行曲线拟合，通过线性拟合得 到： y = 0 0 7 3 x 一 6 6 6 3 ， 线性相关系数R 2 = 0 8 2 。 ( 3 ) 用煤矸石陶粒和陶砂配制的L C 1 0 L C 2 0 轻骨料混凝 土的保温性能得到了较大的提升， 和J G J 5 1 2 0 0 2 标准要求 相比， 导热系数分别降低了3 7 3 9 、 4 3 0 6 、 4 4 2 6 ， 有利于 促进结构保温一体化混凝土的发展和应用。 参考文献 ： 1 刘 东卫， 薛磊 建国六十年我 国住宅工业化 与技术发展 J 住宅产 业 ， 2 0 0 9 ( 1 O ) ： 1 0 1 3 【 2 1 蒋勤俭 国内外装配式混凝土建筑发展综述叨 建筑技术 ， 2 0 1 0 ， 4 1 ( 1 2 )： 1 0 7 4 -1 0 7 7 【 3 】 纪振鹏 装配式住宅在绿色建筑 中的应用 实例分 析 J 】 _ 住宅产业 ， 2 01 4( 5 )： 4 9 5 4 4 郭玉顺 高强高耐久性轻骨料混凝土 的性能叨 混凝土， 2 0 0 0( 1 0 ) ： 8 -1 3 【 5 】 段军， 丁建彤， 郭玉顺 1 0 0 0 - 1 4 0 0级轻骨料混凝土 的密度 与强度 及保温性 能的关系 J 】 砌筑材料 ， 2 0 0 5 ( 1 1 ) ： 4 4 4 7 【 6 王发洲 高性能轻 集料混凝土 研究与应 用 D 武汉 ： 武 汉理工 大 学， 2 0 0 3 【 7 杨建辉， 陈静， 张鹏 全轻页岩陶粒混凝土的强度影响因素f J 】 _ 河 南理工大 学学报 ： 自然科学版 ， 2 0 1 4 ， 3 3 ( 5 ) ： 6 6 4 6 7 0 8 】 Z H AN G B S ， KO N G L J ， G E Y I n fl u e n c e o f l i g h t w e i g h t a g g r e g a t e o n d u r a b i l i t y o f h i gh p e r f o r ma n c e c o n c r e t e M Ul t r a Hi gh P u m p abi l i t y a n d H i gh P e rf o r m anc e C o n c r e t e T e c h n o l o g y ， 2 0 0 9 ： 1 9 7 2 0 3 9 】 郑秀华 ， 张宝 生 页岩陶粒预湿处理对轻集料混凝土 的强度和 抗 冻性的影 响J 1 硅酸盐学报， 2 0 0 5 ， 3 3( 6 ) ： 7 5 8 7 6 2 1 O 曾三海 ， 王 光辉 ， 笔杆旭光 轻骨料混凝土配合 比设计 的实验 研 究 J 】 _ 新型建筑材料 ， 2 0 1 3 ( 1 O ) ： 5 5 5 7 A ( 上接第 4页) 程中得到较广泛的应用。通过在涂料中添加功能性颜填料， 可使建筑反射隔热涂料具有较高的太阳光反射比、近红外 反射比和半球发射率，应用于建筑外墙或屋面作为饰面材 料， 可以有效减少通过围护结构向建筑物内的传热， 节约建 筑能耗。 ( 2 ) 随着J G J T 3 5 9 -2 0 1 5 的即将实施， 将进一步规范建 筑反射隔热涂料的工程应用，促进建筑热反射隔热涂料行业 的健康发展。 参考文献： 1 1 张雪芹， 韩国民， 周根全 建筑保温隔热涂料及其复合技术研究 J 新 型建筑材料 ， 2 0 0 8( 1 0 ) ： 4 6 4 9 【 2 】 张雪芹， 张伟平建筑反射隔热涂料制备技术及研究进展叨 新型 建筑材料 ， 2 0 1 2 ( 2 ) ： 4 6 4 9 【 3 】 李婵 娟 功能填料 的特性 及其对建筑 隔热涂 料性能 的影 响【 D 】 重 庆： 重庆大学 ， 2 0 0 9 4 】 赵石林建筑外墙节 能隔热涂料 的制备和 应用 J J 上海涂料 ， 2 0 1 4 ( 9 )： 2 4 2 7 5 张雪芹， 曲生华 ， 苏 蓉芳 ， 等 建筑 反射隔热涂料隔热性能影响 因 素及应用技术要点f J I _ 新型建筑材料 ， 2 0 1 2 ( 1 1 ) ： 1 6 2 1 ， 2 8 【 6 刘成楼 ， 刘昊 天 外墙纳 米保温 隔热涂 装一 体化系 统 J 上海涂 料 ， 2 0 1 4 ， 5 2 ( 9 ) ： 1 9 2 3 【 7 】 孙仕梅 ， 于清章 ， 闰秀英 纳米水性太 阳能热反射涂料 的研究【 J J 中国涂料 ， 2 0 1 3 ， 2 8 ( 7 ) ： 3 1 3 4 8 】 余丽蓉， 陆春华， 赵石林 ， 等 弹性 薄层 反辐 射隔热涂料的研究【 J J 材料科学与工程学报 ， 2 0 0 7 ( 2 ) ： 2 6 5 2 6 7 9 】 邹南智 ， 朱又迈 ， 赵广福 关于红外 半球全发 射率与温度 关系 的 讨论 J 红外技术 ， 1 9 9 7 ( 3 ) ： 2 - 5 1 0 】 王晓 ， 侯佩 民， 徐元浩 ， 等 水性热 反射多彩 涂料 的制 备和性 能 研究 J 化工新材料， 2 0 1 5( 4 ) ： 5 8 6 0 【 1 1 】 张雪芹 ， 应 晓猛 ， 包 东风， 等 彩色 建筑反射 隔热涂料 的研制 与 应用阴 新型建筑材料， 2 0 1 4( 1 O ) ： 1 - 6 ， 2 1 A NE W BUI L DI NG MATE RI AL S 5 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m