玻化微珠陶粒混凝土的正交试验研究.pdf

2 0 1 0年 第 2期 (总 第2 4 4 期 ) Nu mb e r 2 i n 2 Ol 0 ( T o t a l No 2 4 4) 混 凝 土 Co n c r e t e 原材料及辅助物料 M ATE RI AL AND ADM I NI CLE d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 0 0 2 0 2 2 玻化微珠陶粒混凝土的正交试验研究 张泽平 ，安培霞 ，师鹏 ，李珠 ( 太原理工大学 建筑与土木工程学院 ，山西太原 0 3 0 0 2 4 ) 摘要 ： 通过正交试验 分析了陶粒 、 矿物质超细粉 、 钢渣水泥 、 外加剂掺量对玻 化微珠 陶粒混凝土导热系数 、 抗压强度 和表观 密度 的影 响， 验证了在玻化微珠保温混凝土 中掺加陶粒等材料来配制玻化微珠陶粒混凝土 的可行性。 关键词 ： 玻化微珠保温混凝土 ；陶粒 ；正交试验 中图分类号： T U 5 2 8 0 4 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 0 ) 0 2 0 0 7 8 0 3 Or t ho gona l ex pe r i men t o f gl a ze d hol l ow b ea d an d h a ydi t e c onc r e t e ZHANG Ze - pi n g。 AN P e i x i a ， S HI Pe n g， L I Zhu ( C o l l e g e o f A r c h i t e c t u r e a n d C i v i l E n g i n e e r i n g ， T a i y u a n U n i v e r s i ty o f T e c h n o l o g y ， T a i y u a n 0 3 0 0 2 4 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： Ba s e d o n t h e o r t h o g o n a l e x p e r i me n t ， t h e l a w e f f e c t o f m i n xi n g a m o u n t o fh a y d i t e， mi n e r a l p o wd e r ， s t e e l s l a g c e me n t ， a d mi x t u r e o n t h e r ma l c o n d uc t i v i t y， c o mpr e s s i v e s t r e n g t h a n d a pp a r e n t d e n s i t y o fc o n c r e t e h a s b e e n a n a l y z e d a n d t h e f e a s i b i l i ty o fmi x i n g h a y d i t e wi t h t h e r ma l i n s u l a t i o n g l a z e d h o l l o w b e a d c o n c r e t e t o c o mp o s e g l a z e d h o l l o w b e a d a n d h a y d i t e c o n c r e t e h a s b e e n v e r i fie d Key wor d s： t h e r ma l i ns u l a t i o n g l a z e d h o l l o w b e a d c o n c r e t e； h a y d i t e； o r t h o g o n a l e x p e r i me nt 【 ) 引 言 随着全球能源 消耗 量的急剧增加 和环境 污染的进一 步恶 化 ， 节能 和环保成为全人类 面临的新挑战。建筑 节能作 为整个 节能工作 的重要组 成部 分 ， 已成为我国的重大战略 问题 ， 是执 行国家节约能源 、 保护环境基 本国策的重要组成部分 ， 是建立 节约型社会 的重 中之重。多年来 ， 建筑物保 温节能技术大多都 集中在以研究开发 附加 到建筑物结构外表 面或 内表面的保温 建筑材料上 ， 此做法不仅增加建筑施T过程 ， 加大了建造成本 ， 延长了建造周期 ， 而且不利于建筑 物结构受 力和安全。因此从 系统科学的方法与原理 出发 ， 研 究开发一种既具有一般混凝 土 的物理力学性能， 同时又具有保温性能， 符合绿色 、 环保的高效 益生态建筑材料是十分必要的l l _。玻化微珠 陶粒混凝土正是在 此基础上提 出来 的。 随着国 民经济 的发展 ， 燃煤 电厂的数 量不断增加 ， 粉煤灰 的排放量急剧上升， 它已成为当今城市最大粉尘污染物之一 ， 然 而它可作为烧结粉煤灰陶粒的主要原材料。钢渣是炼钢过程中， 伴随产 的一定数量 的T业副产品 ， 被称为冶金工业 的头号废 渣 ， 长期以来， 它被作为废物抛弃、 占用良田、 污染环境， 而利用 其可制成钢渣水泥。粉煤灰陶粒和钢渣水泥都可掺加在混凝土 中， 不仅可减少废物排放 、 节约资源 、 保护环境 ， 而且可显 著改 善混凝 土的性能。 物外 围护结 构构件时 ， 既可 以承受建筑物 荷载 ， 又能解决 建筑 物保温节能问题 ， 同时还可以避免建筑物其他保温措施中难以 解决的热桥 、 冷桥问题 。 玻 化微珠陶粒混凝土是在玻化微珠保 温混凝土的基础上用 陶粒取代全部或部分石子研制而成。 通过 玻 化微 珠 掺量 为 预拌 混 凝土 体 积 6 0 1 3 0 的试 验 ， 表明了玻化微珠掺量是影响混凝土强度和导热系数的重要 因素， 得出了强度和导热系数随玻化微珠掺量的变化规律并 对 导热 系数和玻化 微珠掺 量的关 系曲线进 行 了线性 回归 ； 通 过大量 的正交试 验 ， 得 卅玻 化微珠 掺量 、 砂 子用量 、 水 泥强度 等级 、 玻化 微珠密 度 、 水泥用 量 、 外加剂 类型对玻 化微珠 保温 混凝土强度和导热系数的影响顺序和显著性 ， 见参考文献 3 】 。 针对掺加玻化微珠后混凝土强度 衰减严重 的问题 ， 开发 出 I 、 、 I I I 型三 种系列外 加剂和复合矿物质超细粉来提高混凝 土的强 度 ； 并进 行 了掺加铁矿砂 、 尾砂 和使用 高强水泥和铝酸盐水泥 的试 验丁作 ， 得 出一些重要结 论。通过课题组 的不懈努力 ， 成 功配制出 C 2 5 、 C 3 0 、 C 3 5强度等级的玻化微珠保温混凝土， 导 热系数在 0 2 0 3 W ( m K) ； 并对 C 2 5 、 C 3 0 、 C 3 5强度等级 的 玻化微珠保温混凝土试块进行了单轴受压的试验工作， 得出了 相应 的全 曲线及本构关 系， 见参考文献 6 】 。在此基础上 ， 为进 一 步降低玻化微珠保温混凝土的导热系数 ， 对掺加了不同掺量 的粉煤灰 陶粒及其 他一些原材料 的玻化 微珠 陶粒混凝土进行 了正交试验 1 玻化微珠保温混凝土的研 究概 况 2 试验 用原材料 玻 化微珠保温混凝土是在 普通 混凝土 中加入一种 轻质绝 热保温材料及一些掺合料 和添加剂 ， 使得混凝土在浇筑成建筑 收稿 日期 ：2 0 0 9 - 0 9 2 8 7 8 ( 1 ) 玻化微珠 ： 是一 种无机物玻璃质矿物材料 ， 是 由火 山岩 粉碎成 矿砂 ， 经 过特殊膨化烧法加 工而成 ， 产 品呈不规则球状 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 体颗粒， 内部为空腔结构 ， 表面玻化封闭， 理化性能稳定， 具有 质轻 、 隔热防火 、 耐高低温 、 抗 老化 、 吸水率小等优 良特性。可替 代粉煤 灰漂珠 、 玻璃 漂珠 、 普通膨胀珍珠 岩 、 聚苯颗 粒等诸多传 统轻质骨料在不 同制品 中的应用 ， 是一种环保 型高性 能无机轻 质绝热 材料 。本试验中选用 太原 市思科达科技发展有 限公 司生 产的 s KD l l 产 品， 产品形状 和物理性能 见参考文献 4 。 ( 2 ) 粉 煤灰 陶粒 ： 以粉煤 灰 为主要原 料 ， 掺加 少量 的 黏结 剂和固体燃料， 经加工成粒或成球再经高温快速焙烧膨胀而 成的一种性能较好 的人造轻集料 ， 其内部具有封 闭的微孔结构 ， 表面有一层 致密 的釉 面外壳且极 为坚硬 。 由其 配制的混凝 土 具 有轻 质 高强 ， 隔热 、 防潮 、 保温 、 抗 震 、 耐 火 、 抗 渗 、 抗冻 、 耐 蚀 、 抗 冲击 等优点【 5 】。 本产品采用 汾阳某陶粒生产 厂家 的陶粒 ， 筒 压强度 4 8 MP a ， 堆积密度 7 6 0 k g m ， 1 h的吸水率 为 1 7 ， 最 大粒 径 2 0 m m。 ( 3 ) 水泥 ： 采用太原狮头水泥厂生产的 P 0 4 2 5级水泥。 ( 4) 钢渣水泥 ： 含有和水泥相类似的硅酸三钙 、 硅酸二钙 及 铁铝 酸盐等 活性 矿物质 ， 口 J 提高混凝 土后期强度 ， 改善混凝 土 耐磨性 、 韧性 、 抗 渗性 、 抗 冻性 、 耐海水腐蚀性 ， 提高混凝 土液 相 碱度 。增强钢筋耐腐蚀性。 ( 5 ) 外加剂 ： 采用课 题组研制 的 I 型外 加剂。 ( 6 ) 掺合料： 采用课题组研制的复合矿物超细粉 ， 该物质具 有提高玻化微珠保温混凝土的强度和降低其导热系数的作用。 ( 7 ) 石 子 ： 选 用 山 西史 水 碎石 ， 粒径 5 2 0 m m， 堆 积 密度 1 6 30 kg m 。 ( 8 ) 砂子 ： 选用 山西 太原 砂石场普通河砂 ， 含泥量小于 2 中砂 ， 堆 积密度 1 5 0 0 k g m 。 3正 交试 验 设 计及 过 程 3 1 选择 因素水平 经试验证明， 增加玻化微珠的掺量在降低导热系数的同时 ， 强度 也会 大幅下 降 j ， 所 以在 该次试验 中， 不将 玻化 微珠掺 量 作为 因素考虑 。陶粒具有 轻质 、 高强 和导热 系数低 的特点 ， 是 影响混凝土强度 、 导热系数和表 观密度 的重要 因素 ； I 型外加剂 对水灰比影响较大， 从而影响混凝土的强度； 钢渣水泥具有较 高的 密度 ， 适 量掺加 不仅有利 丁混凝土 成本的降低 ， 而且 有利 于混凝土强度的提高； 课题组自行研制的复合矿物超细粉对混 凝土强度 和导 热系数都有较 大的影响 。因此 ， 选定 陶粒 取代石 子量 、 掺合料取代 水泥量 、 钢渣取 代水泥量 、 I 型外加剂 占水 泥 的密度 4个 冈素进 行研究 ， 每个 因素取 3个水平 ( 见表 1 ) 。以 玻 化 微珠保 温混 凝土 的导 热系 数 、 2 8 d的抗压 强度 和表观 密 度为考核 指标 ， 分析各 因素对考核 指标 的影 响 ， 从 而确定最 佳 试 验方案 。 表 1 因素水平表 3 2试 验 过 程 试验中 ， 用水量依据 陶粒和外加剂的用量做相应的调整 ， 玻 化微珠的j 手 j 量为预拌混凝土体积的 l 3 0 。试验共 分 9 组 ， 每组中 成型 1 5 0 mmx 1 5 0 mm x I 5 0 mm 的试件测抗压强度和表观密度 ， 成 型 3 0 0 mmx 3 0 0 mmx 4 0 mm 的试件测导热系数 。试件采用室内 自 然养护( 室内温度 1 8 2 5 ) ， 存试件成型后用不透水 的薄膜覆盖 表面， 防止水分蒸发， 静置一昼夜后标上编号 、 拆模 ， 拆模后的试件 仍用薄膜覆盖， 在室温下养护 2 8 d ， 并在此期间经常浇水， 保持试 件的湿润 。抗压强度用 WA W一 1 0 0 0 k N微机控制 电液伺服万能试 验机来测试，取同组下3块试件测值的算数平均值作为该配合比 下的 2 8 d抗压强度代表值。 导热系数测定前需把养护好的试件放 在烘干箱中， 在 8 0。 C 下烘干 4 8 h 左有至恒重 ， 取出后在室内静置 2 4 h ， 冷却至室温， 然后采用 天津建仪厂生产的 D R P 一 5 W 导热系数 仪测定导热系数。 表观密度是通过电子称称得试件质量后计算所得。 3 3 正交试验表及试验 结果 根据 试验因素及水平个数并考虑 因素交互作 用影响 ， 结合 试验 规模 ， 选取 L ( 3 ) 正交表来安排试验 ， 如表 2所示 。 其 中 A、 B、 C、 D分别 代表陶粒取代石 子量 、 掺 合料取代水 泥量 、 钢 渣取 代水 泥量 、 I 外加剂 占水泥的密度? 4 试验 结果的分析与讨论 檄差分析结果 见表 3 。 4 1 各因素对导热系数的影响 导热系数 K值与各因素关 系图见冈 1 。 表 2 L 。 ( 3 ) 正 交试验方 案及结果 南表 3 可知 ， 对于混凝土 的导热系数 ， 各 r六 l 素的影响顺序为 ： 陶粒取代石子量 A一掺 合料取 代水泥量 B I 型外 加剂 占水泥 密度 D一钢渣取代水 泥量 C。由图 1可知 ， 随着陶粒取代石子 量 的降低 ， 混凝土 的导热 系数 先减少后 增加 ， 当陶粒取 代石子 量为 4 o H ?， 导热系数最低； 随着掺合料取代量的增加， 导热系 数值下降， 这是由于该掺合料不仅能改善混凝土的孑 L 结构， 而且能 有效保护玻化 微珠 的完整性 ， 能切断混凝 土材 料毛细孔 以及微 裂缝 ， 使 玻化 微珠保 温混凝 土导 热系数 降低 ， 当掺量 为 1 5 时 ， 降低 导热 系数 明显 ； 钢渣水 泥和外加剂 的掺量对导 热系数 的影响不敏感。 4 2 各 因素对抗压强度的影响 各因素对抗压强度的影响抗压强度 K值与各因素关系图 见图 2 。 7 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 3 极差分析结果 图 1 导热 系数 K值与各因素水平关系图 图 2抗压强度 K值与各因素水平关 系图 由表 3 可 知 ， 对于混凝土 2 8 d抗压强度 ， 各因素的影n l J Jl 序为： 陶粒取代石子量 A一掺合料取代水泥量 B I 型外加剂占 水泥的密度 D一钢渣取代水泥量 C。由网2可知， 随着陶粒取 代石子量的降低， 混凝土强度逐渐升高， 当取代量由7 0 降低 到4 0 H ,J， 强度提高明显 ， 这是由于石子的强度远大于陶粒强 度所致 ， 当取代量为 4 0 时， 石子占绝大部分， 能充分发挥石 子强度高的优点。 试验中所用掺合料具有提高混凝土强度的 作用 ， 所 以其取代水泥量 由 5 增 加到 1 O 时 ， 强度增加 明显 ； 而 当取 代量 由 l 0 增加 到 1 5 时 ， 强度 有微 弱 的下 降 ， 这 是 南于 随着 该掺 合料 的增 加 ， 水 灰 比也相应 增 加 ， 而 由掺合 料 掺量增 加带 来强 度 的提高 不 足以弥 补 南水l7 火比增 加导致 的 强度降低。当钢渣取代水 泥量 为 5 ， I 型外加剂的掺量 占水泥 量 3 时 ， 混凝 土的强 度最 高 ， 同时 ， 两因 素的 变化对 强度 的 影 响不敏感 。 4 3 各 因素对表观密度的影响 表观密度 K值与各因素关系 见图 3 。 l o o = 因素A 因素B 冈索C 因素D 图 3 表观密度 K值与各 因素水平关系图 由表 3可知 ， 对于混凝土的密度 ， 各 因素 的影响顺序为 ： 陶 8 0 粒取代石子量 A 一钢渣取代水泥量 c 一外加剂 I 占水泥的密度 D 一掺合料取代水泥量 B 。由图 3可知， 随着陶粒取代石子量的 降低， 昆 凝土的密度增加 ， 这是由于石子的密度远大于陶粒密 度。因素 B、 C、 D对密度的影响不敏感。 4 4最佳 试验 方案 由表 2可以直接看出使混凝土导热系数降低的最佳试验 方 案为 A B ， C 。 D ， 极 差分析结 果得最佳试验 方案为 A2 B 3 C D 。 ； 由表 2可以直接看出使混凝土的2 8 d抗压强度提高的最佳试 验方案为 B C D ， 此结果与用极差分析结果相同； 由表 2可 以直接看出使混凝土密度减小的最佳试验方案为 A B ， C ， D ， 极 差分析结果得最佳试验方案为A B。c D 。经综合分析评价可得 到最佳试验方案为 C ， D ， 即陶粒替代 4 0 的石子 ， 掺合料 取代 1 0 的水泥， 刚渣取代 1 5 的水泥 ， 外加剂掺量占水泥的 密度 为 3 。另外 ， 课题组 以此方案进行了多次实验室复验 ， 试 验结果 良好。 5结论 掺加适量的陶粒及外加剂和掺合料在保证玻化微珠保温 混凝土强度不会大幅衰减的同时可以显著降低其导热系数和 密度 ， 且该次试验 所测得的导热 系数均在 0 2 w ( m K) 以下 ， 最高抗压强度可达 2 7 MP a 。陶粒和钢渣的使用节约了资源， 减 少了其对环境的污染 ， 符合我国可持续发展战略。 参考文献 ： 1 】张泽平， 董彦莉， 李珠玻化微珠保温混凝土试验研究 J J 新型建筑材 料 ， 2 0 0 7 ( 1 1 ) ： 7 3 7 5 2 张泽 平 ， 樊 丽军 ， 李珠 玻化微 珠保 温混凝 土初探 J 】 混 凝土 ， 2 0 0 7 ( 1 1 ) ： 4 6 4 8 3 王亚 杰 玻化微珠保温混凝土试验 及建筑抗震 、 能耗 分析 D 太原 ： 太原理工大学 ， 2 0 0 8 4 】 D B J ( ) 4 2 5 O 一2 0 0 7 ， 玻化微珠保温砂浆应用技术规程【 s 5 范锦忠 粉煤灰陶粒混凝土的主要性能和应用【 J J _ 粉煤灰， 2 0 0 8 ( 2 ) ： 45 - 4 8 【 6 张泽平玻化微珠保温混凝土及其结构的基本性能试验与理论分析 研 究 D 太原 ： 太原理工大学 ， 2 0 0 9 作者简介： 张泽平( 1 9 6 4 一 ) ， 男， 教授， 博士， 从事结构工程专业研究。 单位地址 ： 山西省太原市迎泽西大街 7 9 号 ( 0 3 0 0 2 4 ) 联系电话 ： 1 3 0 7 3 5 3 6 2 6 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m