再生混凝土保温砌块力学性能与热工性能研究.pdf

2 0 1 5 年 第 9期 (总 第 3 1 1期 ) N u mb e r 9 i n 2 0 1 5 ( T o t a l No 3 1 1 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 混凝土制品 CONCRE TE P R0DUCTS 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 9 0 3 4 再生混凝 土保温砌块 力学性 能与热工性能研究 张海镇 ，陈春红 ，朱平华 ( 1 西安建筑科技大学 土木工程学院， 陕西 西安 7 1 0 0 5 5 ； 2 常州大学 土木工程系， 江苏 常州 2 1 3 0 0 0 ) 摘要： 现阶段我国实行 6 5 的建筑节能目标 ， 这对砌块的热工性能提 出更高要求。 通过 四因素三水平的正交试验与对照试验 研究了煤渣 、 再生细骨料、 胶凝材料以及玻化微珠等因素对砌块热工性能与力学性能的影响规律。 结果表明： 试验中通过合理的 配合比可以制备出了满足承重要求的砌块 ， 且热工性能也满足要求。 其中， 玻化微珠对于力学性能与热工性能的影响最大。 煤渣 的掺入对于砌块的力学性能有不利影响， 但可以改善热工性能。 关键词： 再生混凝土保温砌块 ； 煤渣 ； 玻化微珠 ； 导热系数 中图分类号： T U 5 2 8 7 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 5 ) 0 9 0 1 2 2 0 4 S t u d y on me c h a n i c a l p r o p e r t i e s a n d t h e r m a l p e r f o r ma n c e o f t h e r e c y c l e d c o n c r e t e i n s u l a t ion b l o c k ZHAN G Ha i z h e n ， CHEN Ch u n h o n g ， ZHU P i n g hu a ( 1 C o l l e g e o f Ci v i l En g i n e e ri n g， Xi a n Un i v e r s i t y o f Ar c h i t e c t u r e a n d T e c h n o l o g y ， Xi ra n 7 1 0 0 5 5 ， Ch i n a ； 2 De p a r t me n t o f C i v i l E n g i n e e ri 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 0 0 0， C h i n a ) Ab st r a ct ： At t h e p r e s e n t s t a ge， o u r c o u n t r y i s pr o mo t i n g t h e t a r g e t o f b u i l d i n g e ne r g ys a v i n g 6 5， the the r ma l p e r f o rm a n c e o f b l o c k i s m a d e th e h i g h e r r e q u e s t Th r o u g h the o a o go n a l t e s t wi th f o ur f a c t o r s a n d t h r e e l e v e l s a n d c o n t r a s t t e s t ， th e s t u d y h a s r es e ar c h e d the i n flu e n c i n g r u l e s o f f a c t o r s i n c l u d i ng c o a l c i n d e r ， r e c y c l e d fin e a g g r e ga t e， g e l l e d ma t e ria l ， g l a z e d h o l l o w b e a d on the the r ma l p e r f o rm a n c e a n d m e c h a n i c a l p r o p e rti e s of b l o c k The r e s u l t s s h o w tha t t h e b l o c k m a d e t h r o u g h the r e a s o n a b l e mi x t ur e r a t i o c a n me e t th e r e qu i r e me nt o f b e a r i n g a n d the r e q u i r e me n t s o f the rm a l p e rfo r ma n c e Amo n g the m ， the i n f l u e n c e o f g l aze d ho l l o w be a d o n me c h an i c al p r o p e r t i e s a n d t he r ma l p e rfo r m a n c e i s m a xi mu m Ci nd e r h a s a n e g a t i v e e f f e c t o n the m e c h a n i c a l p e rfo rm a n c e o f b l oc k， b u t C an i mp r o v e the r ma l p e r f o r ma n c e K e y wo r d s ： 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 ； c i n d e r ； g l a z e d h o l l o w b e a d ； th e rmc o n d u c ti v i t y 0 引 言 现阶段我国实行 6 5 的建筑节能 目标 ， 对围护结构 的 保温性能提出来更高的要求 ， 外墙砌体材料性能的提高对 改善围护结构性能的至关重要 。 再生混凝土保温砌块是 使用混凝土废渣加工成 的粗 、 细骨料 以及玻化微珠 等材料 制备而成 ， 具有较好 的保 温性能和力学性 能 ， 为建筑垃圾 的回收利用提供 了新的途径 ， 也为生产符合保温性 能要求 的砌块提供了新 的方法 。 。 本次研究 的砌块 中加 入工业 废料煤渣 ， 研究 了主要 原材料配合 比对保 温砌块 的强度 、 导热系数的影响， 研究再 生混凝土保温砌 块的研制方式 ， 为保 温砌块的研究积累了数据。 1 再 生混凝土砌块原材料 本 次再生混凝土保温砌块使用材料如下 ： ( 1 ) 再生粗骨料 ： 通过对废 旧混凝土进行破碎 、 筛分 、 清洗 、 烘干制得 。 ( 2 ) 煤渣 ： 工厂锅炉燃烧后产生 的废弃煤渣。 ( 3 ) 再生细骨料 ： 试验室破碎 的再 生细骨料 ， 经破碎 、 筛分 、 烘干所得。 ( 4 ) 天然细骨料 ： 市售天然河砂 。 ( 5 ) 胶凝材料 ： 包括水泥 、 粉煤灰 和矿渣 ， 其 中粉煤灰 采用常州火力发电厂的干排粉煤 灰 ， 等级为 I I 级 ； 水泥采 用 P O 4 2 5级水 泥； 矿渣粉选用 中天钢铁 预拌 混凝土生 产站 的矿渣粉 。 ( 6 ) 玻化微珠 ： 市售普通 玻化微珠 ， 产地河南 ， 等 级 I I 级。 玻化微珠是一种新型 的无机绝热材料 ， 具有 优异的绝 热、防火 、吸音性能 ， 适合诸多领域中作轻质填充骨料和 绝热、防火、保温材料。 本次试验使用的骨料主要性能指 标如表 1 所示 。 从表 1中可 以看 出， 再生骨 料和煤渣 的吸 水率较大 ， 这是因为再生骨料与煤渣表面粗糙 ， 多棱角 ， 再 生骨料表面有砂浆 附着 ， 在骨料和煤渣的破碎过程 中会使 再生骨料和煤渣存在大量的微裂纹。 再生骨料里面所含 的 旧的砂浆块 降低的了再生骨料 的表观密度。 玻化微珠 的主 要性能指标如表 2 所示 。 收稿 日期 ： 2 0 1 4 1 1 2 5 基金 项 目 ： 国家 自然科学基金项 目( 5 1 2 7 8 0 7 3 ) ； 常州市科技支撑计划 ( C E 2 0 1 3 5 0 4 3 ) 1 2 2 表 1 骨料主要性能指标 粒度 m m 密度 ( k g m ) 导热系数 ( w ( i n K) ) 成球率， 吸水率 m 1 MP a 压力的体积损， 9 6 0 02 8 4- 005 4 2 0 -5 O 3 8 4 8 2 再生混凝土保 温砌块材料力学性能试验及 分析 骨料掺量 、 胶凝材料用 量及玻化微珠 用量。 采用 四因素 三 水平 的正交试验方法 。 正交试验 因素水平表如表 3所示。 正交试验表如表 4中 1 - 9组所示 。 2 1 试验方案 此外， 为了与正交试验对比， 探讨玻化微珠和煤渣对 本次研究考虑 了四个影 响因素 ， 即煤渣 掺量 、 再生 细 于砌块 性能的影 响 ， 设置 了4 组对照试验 ， 其试验方 案与 表 3 正交试验因素水平表 试验结果如表 4中 1 0 1 3组所示 。 本次试验每组配合 比制作 3个 1 5 0 m m 1 5 0 n 2 r n 1 5 0 mm 的立方体 标准试 块 、 3个 3 1 0 0 m m X 1 0 0 r n lT l 5 1 5 m m 的抗折试块以及 3 个测量导热系数 的试块 。 其中 ， 再生混 凝 土保 温砌 块 力 学性 能 按 照 G B T 5 0 0 8 1 _2 0 0 2 普通混凝土力学性能试验方法标准 进行， 抗压强度采用 T Y W-2 0 0 0型微机控制 电液式压力试 验机 ， 加荷 速度取 0 3 - 0 5 MP a s 。 抗折强度采用 T Z A 3 0 0型电液式抗折抗 压试验机。 本次试验测量再生混凝土保温砌块基材导热 系 数使用 F D T C I I 导热系数测定仪。 2 2 试验 结果分析 2 2 1 抗压强度 抗压强度极差分析与 因素影响趋 势如表 5和图 1 所 示 。 由表 5可知 ， 各 因素影响大小排序如下 ： D( 玻化微珠 ) A( 煤渣 ) B( 再生细骨料 ) C( 胶凝材料 ) 。 由图 3可 知 ， 煤渣掺量越大 ， 抗 压强度越低 ， 由于煤渣密度 低 ， 内部 微、 宏观孔 隙均较多 ， 抗压强度小 ； 再生 细骨料掺量越 大 ， 抗压强度越低 ， 因为再生细骨料是混凝土破碎 中产生的细 颗粒 ， 包含了大量 的孔隙率大 、 吸水率 高的原 混凝土砂浆 粉末 ， 其掺入不利于胶凝材料 的水化作 用 ， 使 水化作用不 够充分 ， 从 而使试块的 内部结构不紧密， 在试块加载时 ， 内 部微裂缝会成为试块的薄弱环节 ， 降低试块 的强度； 玻化微 珠掺量越大抗压强度越低 ， 因为玻化微珠强度非常低 ， 且体 积大、 孔隙率高 、 密度小 ， 玻化微珠分散在混凝土中， 造成了 混凝土骨料之间的连接弱化 ， 形成薄弱区 ， 在薄弱 区易形成 微裂缝 ， 导致加载时砌块 的裂缝发展较快 ， 造成强度降低。 表 5抗压强度为考核指标的极差分析表 1 23 28 砖 24 塞 2 2 2 0 詈 1 8 1 6 l 4 1 2 图 1 各因素对抗压强度的影响趋势 一 一 _I = ： = 毳 s l 十抗 折 强 度 l ” 30 5 0 煤渣， 。 图2对照组煤渣掺量对各性能的影响 嘿 辖 4 0 3 5 3 0 嘣 2 5 2 O 1 5 正交组 中第 2 、 6 、 7组与对照组 的配合比相 比， 除了玻 化微珠 的掺量不同 ， 其他 因素 的掺量基本相 同 ， 具有较高 的可 比性 。 从 图 2可以看 出煤 渣掺量越大抗压强度越低 ， 图 3 表 明了玻化微珠的掺人极大地降低 了抗压强度 ， 与正 交组试验结果一致。 2 2 2 抗折强度 抗压强度极差分析如表 6所示 ， 可知各 因素影响大小 排序如下 ： D( 玻化微 珠 ) B( 再生 细骨料 )C( 胶 凝材 料) A( 煤渣) 。 玻化微珠 、 再生细骨料和煤渣 的掺人都对 抗 折强度 有不 利影 响 。 由图2 、 图3 可知 玻化微 珠 与煤渣 图3对照组与正交组砌块各性能对 比 的掺人降低 了抗折强度 ， 与正交组试验结果一致 。 表 6抗折强度为考核指标的极差分析表 3 再 生混凝土砌块规格设计与热工性 能 3 1砌 块规 格 设 计 研究表明 ， 砌块孔洞排数和孔洞排列对导热系数有重 要的影响 。 综合考虑各 种因素 ， 本试验 采用的砌块规格 为 3 9 0 n u n 2 4 0 mm x 1 9 0 m m， 四排孔 ， 孔洞率为 4 4 。 如 图4所示。 文献 7 指出， 根据大量试验数据， 通过数理统 计方法得到砌块与试块强度 可用式( 1 ) 转换 ： ， - 0 9 5 7 71 1 2 9 k ( 1 ) l 式 中： 尺 砌块强度 ， MP a ； 尺 混凝土配制强度 ， MP a ， 应在计算结 果的基础 上提高 1 5 ； 七 空心率 。 1 2 4 由式 ( 1 ) 可知 ， 承重与 自承重砌块基 材强度要求分 别 为 1 6 3 、 1 0 8 MP a ， 第 1 、 6组配合 比满足承重砌块强度要 求； 1 9组配合比可以满足 自承重砌块强度要求。 ( a ) 四 排孔 砌 块 ( b ) 孔洞示 意 图 图4 再生混凝土保温砌块的规格 3 2 热 工理论计算 本研究按照夏热冬冷地 区的建筑节能 6 5 的 目标 ， 外 墙的平均传热系数 0 8 w ( m K ) ， 采用倒推法推 算保温砌块 的基材导热系数要求。 基本模型取一块砌体及 上下 、 左右各一半 的砂浆厚度 ， 并假定每块 砌块及相 同厚 度灰缝的热阻是相 同的 ， 且每两皮砌块 的水平灰缝砂浆中 间形成一个热流对称面 ， 认为在对称 面两侧无热 流交换 ， 如 加 0 O O O 0 0 O O 曼 、 、 籁 燕蹄 是绝热边界条件 。 同理 ， 在两块砌块之 间的竖 向灰缝也 认为是一个对称面 。 因此墙体传热模型可以简化成一个六 面体 ， 在墙体里 的四个 面为 5 mm 厚的砂浆 层 ， 水平 与竖 向灰缝均以1 0 i n i n 计。 该砌块由于上下孑 L 洞大小不同， 为 ( a ) 上 层 孔道 划 分 了简化计算 ， 将砌块分为上下两层 ， 上层厚度取 2 1 5 mm， 下层厚度取 2 3 m m。 简化模 型及传热通 道划分如 图 5所 示。 其 中上层通道 的空气层厚度取 3 0 n l r n ， 下层通道的空 气层厚度取 1 8 mm。 图5 保温砌块孔道划分示意图 先 假 设 再 生 混凝 土 保 温砌 块 的导 热 系数 为 0 2 0 4 w ( m K ) ， 砌筑砂浆的导热 系数为 0 8 7 W ( m K) ， 保温砂浆的导热 系数为 0 2 5 w ( m K) 。 内外 粉刷 采用 2 0 mm 保温砂浆。 由砌块 导热系数理论计算式可 以得到砌 块基材取不同导热 系数 时， 墙体 的传 热系数 。 结果如表 7所示。 表 7筑墙体平均热阻计算值 由表 7可知 ， 为达到节 能 6 5 的 目标 ， 混凝 土保温砌 块基材 的导热系数 0 2 5 W ( m K) 时 ， 墙体 的平均传 热系数将达到规定要求。 3 3 导热 系数 导热系数极差 分析与 因素影 响趋势如 表 8和 图 6所 ： 暑 曲 邑 兰 杂 曲 示 。 由表 8 可知 ， 各 因素影响大小排序如下 ： D( 玻化微珠 ) B ( 再生细骨料 ) A( 煤渣 ) C( 胶凝材 料) 。 由表 4可 知 ， 除了第 1 组 以外 皆可满足导热系数 O 2 5 W ( m K) 的要求。 从图 6可以看 出玻化微珠能够很大地降低试块的 导热系数 ， 玻化微珠具有轻质 、 绝热等特点 ， 玻化微珠散布 在试块内部， 显著隔断了试块内部热流原有的传导路径， 使导热系数降低 ； 由于煤渣具有较大 的孔 隙率 ， 因此 煤渣 掺量增大导热系数降低 ； 再生细骨料掺量增加 时试块 的导 热 系数随之下降 ， 但是掺入较少时对于导热系数的影 响不 大， 大掺量才能有效的改善 内部结构 ， 提高热流传导距离 ， 降低导热系数。 表 8导热系数为考核指标的极差分析表 宣 籁 1j 5 旗 曲 图6各因素对导热系数的影响趋势 从图 1 、 2可见 ， 煤渣掺量增加 ， 砌块 的导热 系数减小 ， 对保温性能具有一定 的改善作用 。 在 同样 的煤 渣掺量下 ， 正交组 由于掺入了玻化微珠导热 系数 明显减小 ， 可见玻化 微珠的掺入能够明显的改善砌块 的保温性能 ， 这与正交组 的试验结果一致 。 4结 论 ( 1 ) 通过合理的配合 比设计 ， 再生混凝土保 温砌 块 的 导热系数可以满足节能 6 5 时保温砌块的热工性能要求， 基本力学性能也可满足要求 。 ( 2 ) 玻化微珠是保温砌块力学性能与热工性能的最主 要影响 因素 ； 煤渣和再生细骨料对保温砌块 的力学性能与 置 蕞 噼 热工性能也有 比较显著 的影 响； 在本研究 的胶凝材料用量 变化范围内， 胶凝材料 的影响较小。 ( 3 ) 玻化微珠对保温砌块 的力学性能有显著的不利影 响 ， 但也可以显著地提 高砌块 的保温性能 ； 煤渣掺量 的增 加抗压强度降低 ， 导热 系数有一定的降低 ； 再生细骨 料掺 量的增加抗折强度与抗压强度都会降低 ， 掺量较大时对于 砌块导热系数的降低有显著效果。 参考文献： 1 熊文利 居住建筑外围护结构节能6 5 研究初探 J 城市建 筑 ， 2 0 0 6 ( 1 1 ) ： 2 6 2 9 下转第 1 2 9页 l 2 5 n f r 刻叫 l 6 O 1 2 O 8 0 4 0 。 一4 0 8 0 一 l 2 O 0 4 8 1 2 1 6 2 0 2 4 2 8 龄期， d ( a ) 混凝土温度变化 0 4 8 l 2 1 6 2 0 2 4 2 8 龄 期， d ( c ) 混凝土应变变化 3 2 2 8 24 趟 赠 2 0 l 6 I 2 0 ： ； 兰6 0 謇 5 。0 1 0 0 4 8 1 2 1 6 2 0 2 4 2 8 时间， d ( b ) 钢管表面温度变化 0 4 8 1 2 1 6 2 0 2 4 2 8 时问， d ( d ) 钢 管表 面应变变 化 图4试验试件温度及应变变化曲线 表7 考虑温度影响下紧箍力计算结果 4 结 语 本研究采用 A B A Q U S软件建立的钢管混凝土力学性 能模型进行常温下核心混凝土升温膨胀模拟 。 通过温度加 载 ， 得到钢管及核心混凝土的应力分布状况。 然后为验证模 拟结果进行了现场试验 ， 通过测取钢管表面及核心混凝土的 应变及温度变化 ， 采用圆筒在 内压及温度作用下的拉梅计算 式及应变能计算式， 分析计算 了钢管应力及混凝土 自应力 。 经过软件试算结果与现场试验数据对比发现试验计算值与 软件模拟值吻合较好。 证 明本研 究非线性有 限元理论模型 可用于进一步研究钢管混凝土构件的工作机理分析。 参 考文 献 ： 1 周茗如， 魏晓军， 郭中宇 大管径钢管膨胀混凝土 自应力试验 上接第 1 2 5页 2 周维 再生混凝土及再生砌块在绿色建筑中的应用分析 J 绿 色建筑 ， 2 0 1 2 ( 5 ) ： 6 1 6 2 3 谢静静， 朱平华， 李美娟 再生混凝土保温砌块性能研究 J 混 凝土与水泥制品 ， 2 0 1 3 ( 1 1 ) ： 5 5 5 8 - 4 3 白国良， 张锋剑 ， 安昱峄， 等 再生混凝土砌块抗压强度和配合 比试验研究 J 建筑结构， 2 0 1 0 ， 1 2 ： 1 2 8 1 3 0 ， 1 3 4 5 安昱峄， 张锋剑， 李晓文， 等 再生混凝土砌块抗折强度影响因 素分析 J 砖瓦 ， 2 0 0 9 ( 5 ) ： 2 6 2 9 6 刘建龙， 张海平 自保温多孔砌块在夏热冬冷地区的热工性能 研究 J 新型建筑材料， 2 0 1 2 ( 1 2 ) ： 4 7 7 李厌繁 从一小砌块混凝土配制强度经验计算式谈起应 正确区分普通混凝土小砌块和普通混凝土的强度等级 J 砖 研究 J 施工技术， 2 0 1 4 ， 8 ( 1 5 ) ： 5 0 5 3 2 蔡绍怀 现代钢管混凝土结构( 修订版) M 北京 ： 人 民交通 出版社， 2 0 0 7 ： 3 4 ， 3 5 3 6 3 韩林海 钢管混凝土结构一理论与实践 M 北京： 科学出版 社 ， 2 0 0 7 ： 6 6 6 8 4 王秀丽， 韩雯 微膨胀钢管混凝土膨胀性能与极限承载力试验 研究 J 兰州理工大学学报， 2 0 0 9 ， 3 0 ( 1 ) ： 1 O一1 6 5 杨有福 ， 韩林海 混凝土密实度对矩形钢管混凝土短柱力学I性 能影响研究 J 工业建筑， 2 0 0 4 ， 3 3 ( 1 ) ： 9 1 5 6 魏晓军 大管径钢管膨胀混凝土塔柱力学性能研究 D 兰州： 兰州理工大学 ， 2 0 1 3 7 胡曙光， 丁庆军 钢管混凝土 M 北京： 人民交通出版社， 2 0 0 7： 4 65 0 8 沈聚敏， 王传志， 江见鲸 钢管混凝土有限元与板壳极限分析 M 北京 ： 清华大学出版社 ， 1 9 9 3 第一作者： 联系地址 ： 联系电话 ： 王腾( 1 9 8 6一) ， 男， 博士 ， 研究方 向： 主要从事建筑材 料及建筑结构的研究。 兰州市七里河区兰州理工大学校本部( 7 3 0 0 5 0 ) 1 8 91 9 0 7 5 0 4 6 瓦 ， 2 0 1 2 ( 1 0 ) ： 4 0 4 6 8 中国建筑科学研究院 J G J 1 3 4 2 O 1 0 ， 夏热冬冷地区居住建筑 节能设计标准 s 北京： 中国建筑工业出版社， 2 0 1 1 9 3陈利群， 杨伟军 多排孔混凝土空心砌块热工参数计算方法研 究 J 砖瓦， 2 O L O ( 3 ) ： 2 1 2 4 第一作者 ： 张海镇( 1 9 9 2一) ， 男 ， 硕士研究生 ， 研究方向 ： 工程材 料和工程结构。 联 系地址： 西安市碑林区雁塔路 1 3号 西安建筑科技大学土木工 程学院( 7 1 0 0 5 5 ) 联 系电话 ： 1 8 7 0 2 9 7 1 1 0 9 1 29 O 6 2 8 4 O 6 2 8 、 。