钢结构装配式住宅用陶粒混凝土轻质板和力学性能研究.pdf

2 0 1 5 年 第 1期 ( 总 第 3 0 3 期 ) Nu mb e r 1 i n 2 0 1 5( T o t a l No 3 0 3 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 混凝土制品 C0NCRE TE P RODU( r S d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 5 0 1 0 3 4 钢结构装 配式住 宅用陶粒混凝 土轻质板材 力学性能研究 张付奇。李刚。 马玉薇 。 姜曙光。邢海峰， 李恒山，牛永鹏 。 邱军陆 ( 石河子大学 水利建筑工程学院， 新疆 石河子 8 3 2 0 0 3 ) 摘要： 针对钢结构装配式住宅使用的陶粒混凝土轻质板材存在开裂， 抗折强度偏低的问题， 采用正交试验设计方法研究了水 胶比、 陶粒、 粉煤灰和聚炳烯纤维四个不同的因素对陶粒混凝土板材力学性能的影响。 试验结果表明， 纤维的掺量是影响陶粒混 凝土板材力学性能的最主要 因素 ， 纤维掺入后有效的提高了陶粒混凝土板材的抗折强度和抗压强度 ， 陶粒混凝土板材的最优试 验方案为水胶比为 0 3 5 ， 粉煤灰掺量为 3 0 ， 陶粒和聚丙烯纤维掺量分别为5 3 0 k g m 和 O 5 k g ， m ， 满足了工程要求 。 关键词： 正交试验 ； 陶粒 ； 聚炳烯纤维； 抗压强度 ； 抗折强度 中圈分类号： T U 5 2 8 7 2 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 5 ) 0 1 0 1 3 6 0 4 Re s e a h on me c h a n i c a l p r op e r t l e s o f l i g h t we i g h t c e r a ms i t e c on c r e t e p l a t e u s e d i n f a b r i c a t e d s t e e l h ou s e Z H u G F u q j ， L J G a n g， MA Y u w e i ， J I AN G S h u g u a n g， H a i f e n g， L J H e n g s h an ， N I U Y o n g p e n g， Q i uJ u r d u ( C o l l e g e o f Wa t e r C o n s e r v a n c y and A r c h i t e c t u r e ， S h i h e z i U n i v e r s i t y ， S h i h e z i 8 3 2 0 0 3 ， C h i n a ) Abs t r ac t： Fo r ng h t we i g h t c e r a ms i t e c o n c r e te p l a t e， wh i c h i s u s e d i n f a br i c a t e d s t e e l ho us e， c r a z e s i n t he p r o c e s s o f u s i n g a n d h a s l o w fle x u r a l s t r e n gth， wa t e r c e me n t r a t i o， c e r a r n s i t e， fl y a s h an d p o l y pr o p y l e n e f I b e r f o u r d i ffe r e n t f a c t o r s t h a t a ffe c t the me c h a n i c a l p r o p e r t i e s of c e r a ms i t e c o nc rete p l a t e we r e s t u d i e d b y o r t h o go n al e x pe r i me n t d e s i g n me tho d Re s u l t s sho w t h a t t h e mi x i n g a mo u n t o f fib e r i s t h e l e a d i n g f a c t o r i n t h e me c hani c al p r o p e r t i e s o f the c e r a ms i te c o n c r e t e pl a t e， an d t he fle x ural and c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f c e r a ms i t e c o n c r e t e p l a t e h as e ffe c ti v e i mp mv e me m ， wh e n the fib e r i s mi x e d t h e o p timal e x p e r i me n t s c h e me f o r c e r a ms i te c o nc r e te p l a t e i s t h at the wa ter c e me m r a ti o i s 0 3 5， the d o s a g e o f fly a s h i s 3 0， t he mi x i n g a mo u n t of c e r am s i t e i s 5 3 0 k g m ， an d p o l y p r o p y l e n e fib e r i s 0 5 k g ， w h i c h s a t i the e n g i n e e ri n g r e q u i r e me n t K e y wo r d s： o r t h o g o n al e x p e r i me n t ； c e r a ms i te； p o l y p r o p y l e n e f i b e r ； c o mp r e s s i v e s t r e n g t h； fl e x ural s t r e n g th 0 引 言 新疆北部气候寒冷而漫长 ， 建筑露天施 工时 间短 ， 只 有6 7 个月。 新疆北部位于亚欧大陆板块 ， 地质活动频繁， 是地震多发 区域 ， 小城镇建设中住宅 的耐久性和抗震能力 较差 ， 7 0 的墙体使用黏土砖 ， 大量挖土毁 田消耗了不可再 生的资源 ， 同气候 条件下 ， 墙材 的能耗是发 达国家 的 3 4 倍 ， 墙体保温隔热效果很差 ， 抗震节能新 型结构体 系应用 也相对滞后 ， 墙体材料的工厂化程度不高 ， 施工效率低 。 但 是村镇建设用地较城市宽裕， 所以在村镇非常适合建设低 层 的轻钢结构装配式住宅。 可装配型的陶粒混凝土轻质板 材与普通混凝土相 比， 在承载力相同的条件下质量可减轻 2 0 - 4 0 ， 从而可以减轻结构所受的地震作用， 墙材使用 的陶粒是一种多孔性材料 ， 热工性能好 ， 可提高墙体保温 、 隔热 、 隔音性能 ， 节 约能源 。 与普通混凝土 剪力墙 相 比， 陶 粒混凝土板材制作 的剪力墙 具有 自重轻 、 抗震性 能好、 保 温隔热性能 良好等优点 ， 是一种低碳环保的承重墙体 。 目前， 新疆正在大力推行钢结构装配式住宅体系， 但 是使用的陶粒混凝土轻质板材在装配过程中存在易开裂、 抗折强度偏低 的问题 。 如果在混凝土 中掺入纤维之后 由于 纤维以单位体积内较大的数量呈现三维均匀乱向分布于 混凝土 内部 ， 会直接抑制混 凝土开裂 的进程 ， 提 高混凝土 的断裂韧性 ， 可 以对混凝土的抗折强度增强起 到很大 的作 用 ， 而且聚丙烯纤维相 比于其他纤维 ， 具有轻 质、 廉价等优 点 ， 因此针对陶粒混凝 土轻质板材 易开裂 、 抗 折强度 偏低 的问题 ， 采用在陶粒混凝土 中加入聚丙烯 纤维 的方法 来提高其抗压和抗折强度。 试验主要是在陶粒混凝土中掺 杂聚丙烯纤维 ， 利用 正交设计 的试验方法 ， 对 陶粒混凝土 轻质板材的配合 比进行试验， 研究影响板材抗压、 抗折强 度及表观密度等物理力学性能指标的主次要因素， 给出适 合钢结构装配式住宅体系使用的轻质板材最佳配合比。 1 试验原材料 试验用水泥采用新疆石河子南 山水泥厂 P C 3 2 5水 收稿 日期： 2 0 1 4 - 0 7 - 2 1 基金 项 目 ： 国家科技支撑计划课题( 2 0 1 3 B A J 1 2 肋5 ) ； 大学生创新计 J ( 2 0 1 3 1 0 7 5 9 0 4 3 ) 1 36 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 泥 ； 陶粒采用沙湾陶粒厂生产 的页岩陶粒 ， 粒径 5 2 0 m E； 细骨料 为 5 l r l r l l 以下的陶砂 ； 粉煤灰为石河子南热 电厂的 I I 级粉煤灰 ； 试验用水为试验室的 自来水。 2试验 方案 的设计 在陶粒混凝土配合 比中 ， 水胶 比是影响混凝土强度的 因素， 且水胶比对混凝土的抗折强度和抗压强度都有明显 的影响 I 4 ； 粉煤灰属于固体废弃物 ， 加入陶粒混凝土之 后可以对水泥颗粒起到分散作用， 使水泥水化更加充分， 粉煤灰颗粒粒度较小 ， 还 可 以提高 陶粒混 凝土 的密 实度 ， 降低了内泌水， 进而增强了界面过渡区强度， 火山灰效应 及粉煤灰颗粒 的二次水化作用 ， 还可 以使 陶粒混凝土后期 强度得到增长 ， 减少水 泥用量 ； 在 陶粒混凝 土 中掺入 纤 维后， 与未掺纤维相比， 由于表层材料中存在纤维， 一方面 增加了水泥浆体混合物中固相的内表面积， 使泌水率减 少， 相应降低了毛细孔张力， 减少了裂缝及其宽度； 另一方 面， 低弹性模量的聚丙烯纤维相对于塑性浆体成为了高弹 性模量材料 ， 依靠纤维与水泥浆体间的界面吸附黏结力、 机械齿合力等， 会增加材料抵抗开裂的塑性抗拉强度 ； 粗骨料在混凝土 中起 到骨架 的作用 ， 且所 占比例最 大 ， 对 混凝土的抗压 、 抗拉强度都有很大 的影响 。 综上所述 ， 以 水胶比( A ) 、 粉煤灰( B) 、 陶粒( c ) 、 聚丙烯纤维( D) 为四 个 主要因素 ， 每个因素取三个水平对 陶粒混凝土轻质板材 配合 比进行研究 。 试验采用 四因素三水平 的正交试验表 ( L 。 ( 3 ) ) 设计 试验方案 。 考虑到试 验的条件 ， 本试验用抗压 和抗折标准 试件取代板状试件。 按正交试验方案制备抗压和抗折标准 试件 ， 以样品 2 8 d的抗压强度 、 抗折强度和表观密度作 为 主要的考核指标 。 因素水平表见表 1 ， 正交试验方案见表 2 。 表 1 因素水平表 本试验 中抗压强度 和抗折强 度在万能试验机上进行 测试。 其中， 抗折强度采用三分点加荷的方式测试。 3 试验结果分析 采用正交设计的试验方法， 陶粒混凝土轻质板材的抗 压强度 、 抗折强度测试 结果如表 3所示 ， 图 4是对正交试 验数据进行分析所得的极差分析结果。 表 3 陶粒混凝土轻质板材的抗压强度和抗折强度及表观密度 考核指标 水胶比 A 粉 B ，笳 ) ， ) 3 1 抗压强度影响因素分析 通过表 4的极差分析结果可 以看 出， 对 陶粒混凝土板 材抗压强度而言 ， 各 因素 的极差 大小关系为 ： DCA B， 即： 纤维对板材 的抗压强度影 响最 大 ， 而陶粒作为板材 中的粗骨料 ， 在板材 中起 到骨架作用 ， 对板材 的抗压强度 影响也 比较 大 ， 粉煤 灰 的掺量对 板材 的抗压 强度影 响最 小 ， 最优的试验方案是 A B ， C ： D 。 。 3 2 抗折强度的影响因素分析 由表 4极差数据可 以看出 ， 在试验 因素水平变化范围 内， 各因素的极差大小关系为： D C AB， 即纤维的极 差的最大 ， 说明纤 维对 混凝土抗折强度 的影响最大 ， 这 主 要是由于纤维的加入起到了增韧作用， 而粉煤灰、 陶粒、 水 胶 比对板材的抗折强度的影响相差不 大， 最优 的试验方案 是 A1 B 2 C 1 D 1 。 3 3 表观密度的影响因素分析 由表 4极 差分析 可知 ， 粉 煤灰对板 材密度 的影 响最 大 ， 在试验 因素水平变化范 围内 ， 各 因素的极差大 小关系 为 ： B C D A， 说 明陶粒的影响 因素次之 ， 且最优方案 是 A 2 B 3 C 2 D 2 。 从以上 的分析可知 ， 对于 陶粒混凝 土轻质板材的抗压 强度 、 抗折强度两个 主要指 标的最优方案并 不完全相 同， 为了便于综合分析， 图 1 给出了各因素的水平变化对抗压 强度、 抗折强度和表观密度的影响， 其中横坐标为各因素 的水平， 纵坐标表示因素在各个水平所在的试验中所对应 的强度 的平均值 。 从 图 1 中可以看出 ： 】 37 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 妄 尊 柱 诿 兽 龆 镤 陶粒掺量 ( k g m ) ( c ) 陶粒掺量 ( k g m 。 ) ( g ) 岳 尊 柱 镁 纤维 掺量 ( k g m 1 ( d ) 纤 维掺 量 ( k g m ) ( h ) 粉煤灰掺量， 陶粒掺量 ( k g m ) 纤维掺量 ( k g m ) U ) ( k ) ( 1 ) 图 1 各因素的水平变化对指标影响的图示 ( 1 ) 当水 胶 比处 于 0 3 5时 ， 抗 压 和 抗折 分 别 有最 高的强度 4 6 2 、 1 1 8 MP a ， 当水 胶 比处 于 0 4 2时， 抗压强 度处于 最低 值 3 9 2 MP a ； 当水胶 比增 加 到 0 5 0时， 抗 压强度有所 回升 ， 而抗 折强度 处于 最低值 1 0 5 MP a 。 说 明水胶 比增大之后， 总体而言陶粒混凝土 的强度会 出 现降低的趋势， 而且水胶 比过大也不利于陶粒混凝土板 材 的成型。 当水 胶 比处 于 0 4 2时 ， 板 材 有 最 低 的 表 观 密度。 ( 2 ) 对于粉煤灰来说 ， 掺人量为 2 5 时 ， 抗压强度的值 最低 ， 为 4 0 5 MP a ； 掺入量 为 3 0 时 ， 抗折 强度有最 高值 1 1 6 MP a ； 掺人量为 3 5 时， 抗 压和抗折强 度分别有最 高 值 4 4 5 MP a 和最低值 1 0 0 MP a 。 因此， 当粉煤灰掺量为 3 0 时 ， 较好的填充了陶粒混凝 土的孔 隙又出现了二次水 化 ， 提高 了混凝土的抗折强度 。 ( 3 ) 对 于 陶粒 而 言 ， 当掺 量 为 5 3 0 k g时， 抗 折强 度 有最大值 1 1 6 MP a ， 抗 压 强度 处于 中 间值 4 4 0 MP a ； 当 用量为 5 9 0 k g时 ， 抗压 强度有 最大值 4 5 8 a ， 抗 折强 度处于 中间值 1 1 3 MP a ； 当掺量继续 增 大到 6 4 7 k g时 ， 抗压和抗折强度都处于最低值 3 6 9 、 1 0 1 1 V I P a 。 总体而 言 ， 随陶粒用 量增 多 ， 抗 压 强度 呈 现 当增 加后 下 降 的趋 势 ， 抗折强度出现下降趋势。 根据宋开伟的研究 ， 在混 1 3 8 凝土 中存在着最 佳集 料体 积率 ， 且 集料体 积率对 混凝 土 抗压 和抗 折 强 度 的影 响是 不 同 的， 因此 本试 验 中 陶粒 用量为 5 9 0 k g 可 能是 混凝 土 抗 压强 度 的最佳 集 料 体 积 率 ， 而陶粒用量为 5 3 0 k g可 能是抗折 强度 的最佳集料 体 积率 。 ( 4 ) 对于纤维掺入量来说 ， 当掺入量为 0 5 ， m 时， 抗压和抗折都有最高的强度 ， 分别为 4 7 5 、 1 2 4 MP a ； 当掺 人量为 1 0 k g m 时， 抗压和抗折强度都处于最低值 ， 分别 为 3 6 4 、 0 9 5 MP a ； 当掺入增加 至 1 5 k g m 时 ， 抗压和抗 折强度 的值又有所 回升 ， 分别为 4 2 7 、 1 1 1 MP a 。 所 以， 当 掺入量为 0 5 m 时 ， 混凝土拥有最 小的抗 折和抗压变 形 ， 为最佳掺入量 。 根据 图 1 所描述 ， 再结合 表 3和表 4 ， 可 以看 出 ， 当水 胶 比为 0 3 5时 ， 均有相对 较高的抗 压和抗折强 度 ； 当粉 煤 灰的掺量为 3 0 、 陶粒的掺量为5 3 0 k g m 时， 有较好的抗 折强度； 而聚丙烯纤维的最佳掺量为 0 5 m ， 此时板材 有最大的抗压和抗折强度 。 综 匕 所述， 陶粒混凝土板材的最优试验方案为A 1 B ： C D ， 即水胶 比为 0 3 5 ， 粉煤 灰掺量为 3 0 ， 陶粒和聚丙烯纤 维 掺量分别为 5 3 0 、 0 5 ， m 。 日 龟 霞 辖 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 结论 通过在 陶粒混凝土中掺杂聚丙烯纤维 的方式 ， 利用正 交设计 的试验方法 ， 分析 了影 响陶粒混凝 土板材抗压 、 抗 折强度的主次要因素， 试验结果表 明聚丙烯纤维对板材的 抗压强度和抗折强度起最主要作用。 考虑到主要作为板材 作为隔墙板来使用， 最佳的试验配合比为水胶比0 3 5 ， 粉煤 灰掺量 3 0 ， 陶粒和聚丙烯纤维掺量分别为 5 3 0 、 0 5 m 。 且从 图 1中可知， 板材的干表观密度均末超过1 0 0 0 k g m 。 因此板材 的抗压强度抗折 强度和表观密度 方面均能完全 满足 轻骨料混凝土隔墙板施工技术规程 的要求， 满足了 工程的要求 。 参考文献 ： 1 孙艳秋 钢纤维轻骨料混凝土基本力学性能的试验研究 D 泉州 ： 厦 门华侨大学 ， 2 0 0 6 上接第 1 3 5页 3 曾余瑶， 张秉坚， 梁晓林 传统建筑泥灰类加固材料的性能研 究与机理探讨 J 文物保护与考古科学， 2 0 0 8 ， 2 0 ( 2 ) ： 1 7 4 明宋应星 天工开物 M 上海： 商务印书馆 ， 1 9 5 8 ： 1 9 7 5 李世禄 1 彦防琐志 M 北京： 中国水利工程学会印行， 1 9 3 7 6 欧阳平凯， 姜岷， 李振江， 等 生物基高分子材料 G 北京： 化 学工业出版社 ， 2 0 1 2 7 E L I A S S O N A n n C h a r l o t t e 食品淀粉的结构、 功能及应用 z 中国轻工业 出版社 ， 2 0 0 9 8 T E S T E R R F ， K A R K A L A S J ， Q I X S t a r c hc o mp o s i ti o n ， fi n e s t r u c t u r e a n d a r c h i t e c t u r e J J o u rnal o f C e r e a l S c i e n c e ， 2 0 0 4 ， 3 9 ( 2 ) ： 1 5 1 1 6 5 9 张莉娜， 陈国强， 蔡杰， 等 基于生物质的环境友好材料 M 北 京 ： 化学工业出版社， 2 0 1 1 1 0 莫紫梅 糯米淀粉分子结构及其物化性质的研究 D 武汉： 华 中农业大学， 2 0 1 0 1 1 赵思明， 俞兰苓， 熊善柏， 等 稻米支链淀粉的流变学特性 J 农业机械学报， 2 0 0 3 ( 2 ) ： 5 8 6 0 1 2 许永亮， 程科， 邱承光， 等 不同品种大米淀粉的流变学特性研 究 J 中国粮油学报 ， 2 0 0 6 ( 4 ) ： 1 6 2 0 1 3 L I U H S ， X I E F W， Y u L， e t a 1 T h e r ma l p r o c e s s i n g o f s t ar c h b a s e d p o l y me r s J P r o g r e s s i n P o l y me r S c e e n c e ， 2 0 0 9 ， 3 4 ( 1 2 ) ： 1 3 481 3 68 1 4 Y U L， C H A R I S T I E G Mi c r o s t r u c t u r e a n d m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f o r i e n t a t e d t h e r mo p l a s ti c s t a r c h e s J J o u rna l o f Ma t e ri al s S c e i e n c e ， 2 0 0 5 ， 4 0 ( 1 ) ： 1 1 1 1 1 6 1 5 席勒 E ， 贝伦丝 L w 石灰 M 北京： 中国建筑工业出版社， 1 9 81 1 6 袁润章 胶凝材料学 M 武汉： 武汉工业大学出版社， 1 9 9 6 1 7 韦异， 粟晖， 张英， 等 蔗糖的衍生化加工 J 化学世界， 2 0 0 0 ( 1 1 ) ： 5 6 3 5 6 6 1 8 杨华山， 方坤河， 刘冬梅， 等 模糊分形及其在级配骨料研究中 的虚用 J 模糊系统与数学， 2 0 0 7 ， 2 1 ( 5 ) ： 1 3 9 1 4 3 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l o f F r a c t u r e ， 2 0 0 4 ， 1 2 9 ( 2 ) ： 1 3 1 1 3 9 2 1 E R S A H I N S ， G U N A L H， K U T L U T ， e t a 1 E s ti m a ti n g s p e c i f i c s u r f a c e are a an d c a ti on e x c h an g e c a p a c i t y i n s o i l s us i n g f r a c t a l d i m e n s i o n o f p a r t i c l e s i z e dis t r i b u ti o n J G e o d e rma ， 2 0 0 6 ， 1 3 6 ( 3 4 ) ： 5 8 8 5 9 7 2 2 C A R P I NT E R I A， P U G N O N A m u l t i f r a c t al c o mm i n u ti o n a p p r o a c h f o r d r i l l i n g s c a l i n g l a w s J P o w d e r T e c h n o l o g y ， 2 0 0 3 ， 1 3 1 ( 1 ) ： 9 3 9 8 2 3 杨华山 ， 涂胜金 ， 高飞 混凝土界面级配模型的研究 M 北京 ： 中国建筑工业出版社 ， 2 0 1 2 2 4 李秀华， 袁启明， 杨正方 贝壳结构及陶瓷的仿生研究 J 硅酸 盐通报 ， 2 0 0 3 ( 2 ) ： 5 3 5 6 2 5 K U H N S P E A R I N G L T ， K E S S L E R H， C H A T E A U E， e t a1 F r a c t ur e me c h a n i s ms o f the S t r o mb us g i ga s c o n c h s h e l l ： i mp fi c a t i o n s f o r th e d e s i g n o f b r i t t l e l a m i n a t e s J J o u rnal o f Ma t e r i al s S c i e n c e ， 1 9 9 6 ， 3 1 ( 2 4 ) ： 6 5 8 3 6 5 9 4 2 6 李恒德， 王立铎， 孙文珍， 等 仿生材料的研究现状 J 材料工 程 ， 1 9 9 6 ( 2 ) ： 3 5 2 7 1J 强， 张秉坚 石质文物表面生物矿1 匕 1 料的仿生制备 J 化 学学报 ， 2 0 0 6 ， 6 4 ( 1 5 ) ： 1 6 0 1 1 6 0 5 2 8 杨富巍 ， 张秉坚 ， 曾余瑶 ， 等 传统糯米灰浆科学原理及其现代 应用的探索性研究 J 故宫博物院院刊， 2 0 o 8 ( 5 ) ： 1 0 5 1 1 4 作者简介： 杨华山( 1 9 7 6 一) ， 男， 博士， 主要研究方向： 建筑材料。 联 系地址： 武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室( 4 3 0 0 7 2 ) 联 系电话： 1 5 3 4 2 3 4 0 9 3 5 l 39 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m