玻化微珠再生混凝土保温砌块配合比优化设计.pdf

2 0 1 3 年 第 3 期 (总 第 2 8 1 期 ) Nu mb e r 3 i n 2 0 1 3 ( T o ml No 2 8 1 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 混凝土制品 cONCRET E P R0DUCTS d o i ： 1 0 3 9 6 9 8 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 3 0 3 0 3 0 玻化微珠再生混凝土保温砌块配合比优化设计 朱平华 。田斌 。高艳荣 。封金财 ( 常州大学 土木工程系 ，江苏 常州 2 1 3 1 6 4 ) 摘要： 基于总功效系数法， 采用正交试验原理与方差分析方法， 对掺加玻化微珠的再生混凝土保温砌块的配合比进行优化设计。 结 果表明： 在最佳配合比下 ， 可制备出满足中国标准 G B2 6 5 3 8 -2 0 1 1 烧结保温砖和保温砌块 的 Q G BB( 3 9 0 m mx 2 4 0 m mx l 9 0 m m) 8 0 0 Mu 5 0 0 3 0 优等产品。 为再生混凝土在现代高层建筑中的应用指明了一条途径。 关键词： 再生骨料混凝土；配合比；优化设计 ；总功效系数 ；导热系数 中图分类号： T U5 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 3 ) 0 3 0 1 0 8 0 3 Op t i m i z a t i on d e s i gn o f r e c y c l e d c on c r e t e i n s u l a t i o n bl o c k w it h mo dif i e d e x p a n d e d p e r l i t e ZHUPi n g- hu a， T I AN Bi n， GAO Ya n - r o ng， FENGJ i n c a i ( De p a r t me n t o f Ci v i l E n g i n e e r i n g ， Ch a n g z h o u Un i v e r s i t y ， C h a n g z h o u 2 1 3 1 6 4， C h i n a ) Ab s t r a c t ： Ba s e d o n t h e me tho d o f o v e r a l l e ff e c t i v e n e s s ， the mi x t u r e r a t i o o f r e c y c l e d c o n c r e t e i n s u l a t i o n b l o c k wi th mo d i fi e d e x p a n d e d pe r l i t e wa s o pi mi z e d u s i n g the o r t h o g o n a l e x p e rime n t a l p r i c i pl e a n d v a r i an c e an a l y s i s The r e s ul t s s ho we d tha t t h e i n s ul a t i o n bl o c k f r o m o p t i mu m mi x t u r e r a t i o c o u l d me e t t h e q u a l i ty r e q u i r e m e n t s o f Q G B B ( 3 9 0 mmx 2 4 0 m mx l 9 0 mm) 8 0 0 Mu 5 0 0 3 0 G B 2 6 5 3 8 -2 0 1 1 i n t e r ms o fCh i n e s e s t u a nd a r dA ne w p a th i n mo d e m hi g h ris e b ui l d i ng s f o r r e c y c l e d a g g r e g a t e c o n c r e t e Wa S p ut f o r t h K e ywo r d s ： r e c y c l e da g gre g ate c o n c r e t e ； mi x t u r e r a t i o； o p t i mi z a t i o nd e s i g n ； o v e r a l l e ffic a c y c o e f fi c i e n t ； t h e r ma l c o n d u c t i v i ty 0 引 言 再生骨料混凝i( r e c y c l e d a g g r e g a t e c o n c r e t e ， ) 简 称再生混凝土 ， 是将废弃混凝土块体经破碎 、 清洗 、 筛分等 处理后 ， 按照一定 比例混合形成再生骨料 ， 部 分或全部代 替天然骨料 配制 而成的一种新型混凝土 。 R A C很好 的解 决 了废弃混凝土的运输 、 堆放和处理问题 ， 同时具有 巨大 的社会效益和经济效益 ， 符合人类的可持续发展 ， 具有广 阔的发展前景 1 _ 2 1 。 再生骨料因表面吸附了大量的水泥砂浆 而具有密度轻 、 保温性能好等优势 ， 用再生骨料制备混凝 土保温砌块无疑是废弃混凝 土再生利用的有效途径 。 配合 比优化设计是废弃混凝土制备混凝土保温砌块的 关键技术之一 ， 目前 尚无统一的设计方 法。 在前期研究 的 基础上回 ， 以保温性能 、 抗压强度 、 抗拉强度和抗冻性 能为 考核指标 ， 以中国标准 G B2 6 5 3 8 -2 0 1 l 烧结保温砖和保温 砌块 的 Q G B B ( 3 9 0 m mx 2 4 0 mmx l 9 0 mm) 8 0 0 Mu 5 0 0 3 0 中优等产品为 目标， 用总功效系数法对正交试验结果进行优 化， 得到最优配合比。 1试 验 1 1 原材料 水泥 ： 海螺牌 P S 3 2 5 级水泥 ， 3 9 MP a 。 粉煤灰 ： 常州火力发 电厂生产 的干排粉煤灰 ， 其化学 成分与物理性能分别见表 1 、 2 。 表 1 粉煤灰的化学成分 成分 S i O 2 A1 2 0 3 F e z O 3 Mg O C a O Mn O K 2 0 T i O 2 S O 3 0 9 7 1 7 5 百 分 比 5 2 5 0 2 8 - 3 3 3 6 7 1 1 2 3 8 2 O 2 0 1 6 9 骨料 ： 再生骨料 由常州大学试验室废弃的混凝土试块 经颚式破碎机破碎 、 高温烘烤与筛分后得到。 其中粒径大于 4 7 5 i n i i l 的颗粒作为再生粗骨料 ， 小于 4 7 5 mm的颗粒作为 再生细骨料 。 天然粗 细骨料为碎石与河砂 。 粗细骨料基本 性能分别见表 3 、 4 。 表 3 粗骨料性能 玻化微珠 ： 来 自江苏丹阳 ， 其物理性能见表 5 。 1 2试 验 方 法 抗压强度 、 抗 折强度 按 G B T 5 0 0 8 1 -2 0 0 2 ( 普通混凝 收稿 日期 ：2 0 1 2 - - 0 9 2 7 基金项目：国家 自然科学基金项 目( 5 1 2 7 8 0 7 3 ) ； 江苏省六大人才高峰项 目 1 08 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 4 细骨料性能 土力学性能试验方法标准 进行 ， 抗冻性能以质量损失率评 价 ， 依据 普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准 测试 ， 保温 陛能用导热系数评价 ， 按 G B 1 0 2 9 4 -2 0 0 8 ( 绝热 材料稳态热阻及有关特性的测定防护热板法 测定， 试件尺 寸取 3 0 0 m mx 3 0 0 m mx 3 0 mi ll ， 标准养护 2 8 d后先烘干至 恒重再冷却至室温 ， 然后用双平板导热系数测定仪测试 。 2 配合 比设计 方法 按 照如下 步骤进行 配合 比优化设计 ： 首先 ， 依据 文献 成果嗍 ， 选取水胶 比、 再生粗细骨料掺量 、 玻化微珠 掺量为 影响因素 ， 参 照张亚梅等昀 提出的附加用水量法 ， 进行基准 配合比设计 ， 其主要 目的是挑选影响因素的合理水平。 其次 ， 安排 正交试 验 ， 对 试验结果进行级差与方差分析 ， 找 出不 同考核指标下各 因素的合理匹配关系 。 最后 ，用总功效 系 数法 进行优化 ， 得到整体性能最优 的配合 比， 并通过验证 试验予以验证 。 2 1 基 准配合 比设计 基于 附加 用水量法 ， 得到 强度 、 抗 冻性 、 保温性 能均 满 足 QGB B( 3 9 0 mm 2 4 0 mmx1 9 0 mm) 8 0 0 Mu 5 0 0 3 0 ( G B 2 6 5 3 8 -2 0 1 1 ) 要求的基准配合 比如下 ： 粉煤灰掺量 3 0 ， 砂率 3 5 ， 水胶 比 0 5 ， 玻化微珠掺量 7 0 ， 再生粗骨 料取代率 5 0 ， 再生细骨料取代率 3 0 。 其 中附加用水量 即 再生粗细骨料所吸收的水分采用 3 0 m i n 预吸水量 。 2 2正 交试 验 设 计 根据基准配合 比设计 的试验结果 ， 正交试验设计采用 了 L 9 ( 3 ) ， 因素水平见表 6 。 表 5 玻化微珠物理性能 2 3配 合 比优 化 设 计 在正交试验分析基础上 ， 采用总功效系数法进行优化 ， 简介 如下 ： 设试验总次数为 n ， 共有 7 个考核指标， 各指标 经归一化处理后的功效系数分别 为 d i 。 ， ， ， d ， 则第 i 次 试验 的总功效 系数 可 以表示如下 ： d l x d o ( 1 ) 由2 2 可知试验总数为 9 ， 设第 i 次试验的考核指标抗压 强度、 抗拉强度 、 质量损失率及导热系数归一化处理后， 功效 系数分别为 d i 。 ， 如， 如， ， 则第 i 次试验的总功效系数 为： d 尸 d 1 d ( 2 ) 以总功效系数最大者为最优配合 比。 3试验结果与讨论 正交试验及归一化处理结果见表 7 。 表 7 各考核指标测试结果与归一化处理一览表 3 1 抗压 强度 抗压强度级差与方差分析分别见表 8 、 9 。 由表 8 可见 ， 以抗压强度为考核指标 时 ， 各 因素影 响 程度排序为 ： C ( 水胶 比) A( 再生 粗骨料 取代率 ) D( 玻化 微珠掺量 ) B ( 再生细骨料取代率 ) 。 说 明水胶 比是影 响抗 压强度的主要 因素 ， 水胶 比越大 ， 抗压强度越小。 由表 9可 知 ， 水胶 比对抗压强度 的影 响非 常显著 ， 这是 因为水胶 比 越大 ， 再生混凝 土密实性越差 ， 抗压强度也越低 。 3 2抗折强度 抗折强度级差与方差分析分别见表 1 0 、 1 1 。 1 09 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 8 抗压强度极差分析 注： “ 影响非常显著； “ 影响显著 ： L _ 有一定影响， 以下表同。 表 1 O 抗 折强 度极 差分析 表 1 0 表 明 ， 以抗折强度为考核指标时 ， 各 因素影 响程 度排序为： A ( 再生粗骨料取代率 ) B ( 再生细骨料取代率 ) C ( 水胶 比) D( 玻化微珠掺量 ) 。 再生粗骨料取代率越大 ， 抗折强度越小 。 其主要原因在于再生粗骨料表面吸附了水 泥砂 浆 ， 导致再 生混凝 土刚度 降低 ， 脆性增大 。 由表 1 l 可 知 ， 再生粗骨料取代率对抗折强度的影响非常显著。 3 3 导热 系数 导热系数级差与方差分析分别见表 1 2 、 1 3 。 表 1 2 导热系数极差分析 由表 1 2 可见 ， 以导热系数为考核指标时 ， 各 因素影响 程度排序为 ： D( 玻化微珠掺量 ) A ( 再生粗骨料取代率 ) c 1 1 O ( 水胶 比) B ( 再生细骨料取代率 ) 。 玻化微珠掺量对导热系 数的影响最 大， 玻化微珠掺量越高 ， 导热系数越小 ， 保温效 果越好。 由表 1 3 可知 ， 玻化微珠掺量对导热系数 的影响非 常显著。 3 4 质量损 失率 质量损失率级差与方差分析分别见表 1 4 、 l 5 。 表 1 4 质量损失率极差分析 由表 l 4可见 ， 以质量损失率 为考核指标时 ， 各因素影 响程度排序 ： c ( 水胶 比) D( 玻化微珠 掺量 ) A( 再生粗 骨 料取代率 ) B ( 再生细骨料取代率 ) 。 水胶 比越大 ， 质量损失 率越大 ， 原因是高的水胶 比导致高 的孔隙 比， 从 而降低 混 凝土的抗冻能力 ； 玻化微珠掺量越高 ， 质量损失率越大 ， 主 要在于玻化微珠抗 冻能力较差 。 由表 1 5 可见 ， 水胶 比与玻 化微珠掺量对质量损失率的影响非常显著 。 由表 7可知 ，第 1 组和第 6组的总功效系数较大 ， 而 第 6 组的导热系数更低 ， 而其他指标满足要求 ， 因此 ， 最优 配合 比为第 6 组。 采用最优配合 比进行 了验证试验 ，测得抗压强度 、 抗 折强度 、导热系数和质量 损失率均满足 MU 5 0 承重保温 砌块 的要求 ， 进一步说 明第 6 组为最优配合 比。 4结 论 ( 1 ) 首先 用附加用水量法确定基准配合 比， 然后通过 正交试验 ， 运用 方差分析与级差分析 ， 找出各 因素之 间合 理 的匹配关系 ， 最后采用 总功效系数法进行优化 ， 可得 到 强度 、 保温性能 、 抗冻性能满 足保温砌块要求的再生保温 混凝土。 ( 2 ) 水胶 比是影 响抗压强度 的主要 因素 ， 水胶 比越大 ， 再生混凝土密实性越差 ， 抗压强度也越低。 ( 3 ) 再生粗骨料取代率是影 响抗 折强度的主要 因素 ， 随再生粗骨料取代率增大 ， 抗折强度降低 。 ( 4 ) 玻化微珠掺量是影响导热系数的主要因素 ， 玻化 微珠掺量越大 ， 导热系数越低 。 ( 5 ) 水胶 比和玻化微珠掺量是影响质量损失率的主要 因素 ， 水 胶 比越 大 ， 质量损失率越大 ； 玻化微珠掺量越高 ， 质量损失率越大。 下转第 1 1 8页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 这是过流化现象 ， 过流化现象产生使管桩混凝土工作性能 出现黏性差 、 泌水 和坍落度经 时不损失反而增大 ， 令管桩 生产浇筑混凝土人管模时无法初步定型 ， 影 响了清理合模 工序工作 ， 降低生产 效率和影 响管桩 的质量 。 冬季 出现这 种现象可 以通过调整减水剂 的掺量 和混凝土搅拌工艺来 解决 ， 按净浆流动度大小调整减水剂 的掺量 ， 避免过掺 。 在 冬季 ， 一般情况下要达到同样的水 泥净浆 流动度 ， 聚羧酸 系减水剂掺量 比在温暖季节时要稍低 。 在炎热 的夏季 ， 由于材料的温度高 ， 达到同样的水泥净 浆流动度 ， 水泥对减水剂的吸附量增大 ， 掺量相对增大。 但由 于材料温度升高， 减水剂饱和掺量提前 ， 达到饱和掺量后继 续增大减水剂的用量对流动度增大起不了更大作用。 反映到 混凝土 ， 材料温度高， 在增加减水剂用量到一定程度后 ， 达到 同样的工作性能用水量下降的效果越来越不明显。 此时要使 混凝土达到相 同工作性能 ， 在混凝土强度可控范围内， 可以 稍增大用水量。 另一个有效生产控制方法是降低水温。 3 2 不同温度下对聚羧酸 系减水剂添加工艺的调整 现在管桩生产普遍使用萘 系高效减水剂 ， 萘系减水 剂 对水泥 的分散机理是通过在水泥颗粒上吸附高分子表 面 活性剂后产生的静 电分散作用 。 混凝土的减水剂添加工艺 是用后掺法 ， 它能使减水剂发挥更佳的效果。 萘系减水剂的 后掺法可 以节省减水 剂用量 ， 或保持减水剂用量不变 ， 降 低混凝土 的水胶 比， 从而节省胶凝材料用量。 后掺法对掺用聚羧酸系减水剂的混凝土工作性能与 萘系减水剂 的效果不一致 ， 而且与材料的温度有关 。 相关数 据见表 4 表 4聚羧酸系与萘系减水剂同掺与后掺对 比 表 4显示 ， 温度越低 ， 采用后掺 聚羧酸系减水 剂方式 的水泥净浆流动度下降越低。 在高温时 ， 后掺对流动度的提 升有一定作用 ， 但效果与萘系减水剂相比不明显。 这可以用 聚羧酸系减水剂是通过吸附层产生 的立体空 间位阻作用 使水泥颗粒分散起主导作用来解 释。 聚羧酸系减水 剂与水 越快的与水泥吸附 ， 会更快体现分散效果 。 根 据试验结果 ， 我们在管桩生产时 ， 应按照不 同季节 来调整减水剂掺人的方式。 在低温的冬季 ， 聚羧酸 系减水 剂应采用 同掺工艺 ， 混凝土 的工作性能在水胶 比和搅拌时 间相同的条件下 ， 明显 比后掺效果好 。 在炎热的季节 ， 可采 用后掺 的工艺 ； 而在温暖季节 ， 应该根据材料的变化 和混 凝土的工作性能变化情况适 当地调整减水剂掺入的方式 ， 才能发挥聚羧酸系减水剂在管桩生产应用的的性 能优势 。 4结语 ( 1 ) Q L P C早强型聚羧酸系减水剂 的饱和掺量随着环 境温度变化而改变 ， 随着温度升高 ， 饱 和掺量逐步下降 ； 水 泥净浆初 始流动度也 随温度而变化 ， 呈现出低温时较小 ， 2 0 3 0时上升到最高值然后下降的变化规律。 上接第 1 1 0页 参考文献 ： 1 T o r b e n Ha fl s e n C Re c y c l e A g e g me C o n c r e t e RI L E M T e c h n i c a l C o m m i t t e e 一 3 7 一 D R C 【 J 1 M a t e r i a l a n d S t r u c t u r e ， 1 9 8 6 ， 1 9 ( 5 ) ： 2 0 1 2 4 6 2 2 魏鹏 ， 游劲秋 ， 陈佳琨 再生混凝土的研究现状与应用前景 J 浙 江建筑 ， 2 0 0 8 ， 2 5 ( 1 1 ) ： 5 8 6 1 3 朱平华 ， 陈华建， 郭佳赤大体积混凝土优化设计的四功能准则I J 】 混凝土 ， 2 0 0 4 ( 1 ) ： 4 1 4 5 4 】王雪萍 再生混凝土力学性能试验研究及其配合比优化【 D 武 1 1 8 ( 2 ) 聚羧酸应用于管桩生产 ， 对环境温度很敏感 ， 生产 要按寒冷 、 温暖和炎热不 同季 节来调整生产工艺 ， 才能发 挥其最佳性能 。 调整包括减水剂 的掺量 、 掺人方式等 。 参考文献： 1 】王子明 聚羧酸系高性能减水剂一 制备性能与应用 M _ E 京 ： 中 国建筑业出版社 ， 2 0 0 9 【 2 吴华明 ， 薛永宏 ， 林宗良， 等 聚羧酸系减水剂的温度依赖性 J 1 混凝土与水泥制品， 2 0 1 1 ( 1 O ) f 3 】周栋梁 ， 杨勇 ， 冉干平 ， 等 温度对聚羧酸超塑化剂吸附和分散 能力的影响l J 】 绿色建筑 ， 2 0 1 1 ( 1 ) 作者简介： 黄红建( 1 9 6 5 一 ) ， 男 ， 高级工程师 ， 主要从 事新材料在 混凝土中的应用和研发。 联系地址 ： 广东省江门市外海七西合盘岭连海咯 2 6 0号 江门市 新三联管桩有限公司( 5 2 9 0 8 0 ) 联 系电话 ： 1 3 8 0 2 6 0 6 2 5 9 汉 ： 武汉理工大学土木工程院 ， 2 0 0 8 5 张亚梅， 秦鸿跟， 孙伟 再生混凝土配合比设计初掬 昆凝土与 水泥制品， 2 0 0 2 ( 1 ) ： 7 - 9 作者简介 联 系地 址 联 系电话 ： 朱平华( 1 9 6 6 一 ) ， 男， 教授， 工学博士 ， 主要从事混凝土 结构耐久性与再生混凝土性能研究。 江苏省常州市武进区涌湖路 1 号 常州大学环境与安 全工程学院( 2 1 3 1 6 4 ) 1 5 0 61 9 5 5 2 9 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m