玻化微珠再生保温混凝土配合比优化设计.pdf

2 0 1 4年第 4期 4月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C0NCRETE AND CEMENT PR0DUCTS 2 01 4 No 4 Ap r i l 玻化微珠再生保温混凝土配合 比优化设计 陈春红 ， 朱平 华 ， 田 斌 ( 常州大学土木工程系， 2 1 3 1 6 4 ) 摘要 ： 考虑再生混凝 土综合 性能 ， 选取再 生粗、 细骨料取 代率 、 水胶 比和破化微殊掺 量作 为关键 影响 因素， 以 抗 压 强 度 、 抗 折 强度 、 保 温 性 能 和 抗 冻 性 能 作 为 评 价 指 标 ， 设 计 了再 生混 凝 土 配合 比正 交试 验 ， 并运 用功 效 系数 法进 行 了分析 。结果表 明 ， 水胶 比对再 生混凝土的抗压强度和抗冻性能影响最大 ； 随着再 生粗 、 细骨料取代率增大 ， 混凝 土的力学强度 下降 ； 玻化微珠掺量 的增加会 降低再生混凝土的力学强度 ， 但 对其保 温性 能具有 明显 的改善作 用。通 过验 证试验发现 ， 只要合理 配置 ， 可以配制 2 8 d抗压强度 达到 2 0 MP a 、 导热 系数为 O 3 4 W ( m K) 的玻化微殊再 生保 温混凝土墙体材料。 关键词 ： 再生混凝土 ； 配合 比； 优化 设计 ； 功效 系数法 ； 导 热系数 Ab s t r a c t ：C o n s i d e r i n g t h e p e r f o r ma n c e o f 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 c o mp r e h e n s i v e l y ，f o u r f a c t o r s i n c l u d i n g r e p l a c e me n t r a t e s o f r e c y c l e d c o a r s e a n d fi n e a g g r e g a t e ， wa t e r c e me n t r a t i o a n d g l a z e d h o l l o w b e a d c o n t e n t a r e s e l e c t e d a s k e y f a c t o r s ， a n d t h e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h ， fl e x u r a l s t r e n g t h ， t h e r ma l c o n d u c t i v i t y a n d f r o s t r e s i s t a n c e a r e t o o k a s e v a l u a t i o n i n d i c e s Ort h o g o n a l t e s t s a r e d e s i g n e d t o g e t t h e o p t i ma l mi x p r o p o r t i o n ， a n d e ffi c a c y c o e f fi c i e n t me t h o d i s u s e d t o a n a l y z e t h e t e s t r e s u l t s Th e a n a l y s i s r e s u l t s s h o w t h a t c o mp r e s s i v e s t r e n g t h a n d fr o s t r e s i s t a n c e o f t h e c o n c r e t e a r e mo s t a f f e c t e d b y w a t e r c e me n t r a t i o Me c h a n i c a l s t r e n g t h o f t h e c o n c r e t e i s d e t e r i o r a t e d w i t h i n c r e a s i n g t h e c o n t e n t s o f r e c y c l e d a g g r e g a t e a n d g l a z e d h o l l o w b e a d ， b u t t h e r ma l i n s u l a t i o n p r o p e r t y o f t h e c o n c r e t e i s s i g n i f i c a n t l y i mp r o v e d I n a d d i t i o n ， t h e v e il- fi c a t i o n t e s t r e s u l t s s h o w t h a t 2 8 d c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f t h e g l a z e d h o l l o w b e a d r e c y c l e d i n s u l a t i o n c o n c r e t e c a n r e a c h 2 0 MP a ， a n d i t s i n s u l a t i o n r e s i s t a n c e c a n a c h i e v e 0 3 4 W ( m K ) i f i t S d e s i g n e d p r o p e r y Ke y wo r d：Re c y c l e d a g g r e g a t e c o n c r e t e ； Mi x p r o p o r t i o n ；Op t i mi z a t i o n d e s i g n ；E ffi c a c y c o e ffi c i e n t me t h o d ；T h e rm a l c o nd uc t i v i t y 中图分类号 ： T U 5 2 8 文献标 识码 ： A 文 章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 4) 0 4 6 7 0 4 0前 言 再生骨料混凝土是指废弃混凝土经过解体 、 破 碎 、 筛分等再加工过程 ， 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 。再生 骨 料 混凝土能够解 决我国每年产生 的大量混凝土 固 体废弃物的堆放和处理问题 ， 不仅有利于保护天然 骨料 资源免于枯竭 ， 也能减轻对环境 的破坏 ， 具有 巨大 的环保效应和潜在的经济效应 ， 其研究及应用 日益受到重视【 - 2 。建筑节能作为整个节能工程的重 要组 成 部 分 ， 已成 为我 国 的重 大 战 略 问题 。而普 通 混凝土保温性能较差， 导热系数高达 1 7 4 W f m K 1 ， 不能满足建筑物保 温节能的要求 ， 这就使得具有保 温节 能要求的混凝 土建筑物必须使用其它保温材 料来达到保温效果 这不但增加建造成本， 且不利 于建筑物结构受力和安全。因此 ， 研究开发 同时兼 具物理力学性能和保温性能的混凝 土， 符合绿色 、 环保的高效益生态建筑材料的发展趋势。玻化微珠 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 支撑计划项 目( C E 2 0 1 3 5 0 4 3 ) 。 是一种环保型高性能无机轻质绝热材料 ，安定性 好 ， 防火 ， 耐候耐老化性强 ， 可用于建 筑节 能 、 耐火 材料和防火吸音等行业3 。因此 ， 试验中采用玻化微 珠来改善再生骨料 昆 凝土的保温性能。 配合比优化设计与混凝 土的性能密切相关 ， 是 制备再生保温混凝土的关键技术之一。试验选定再 生粗 、 细骨料的取代率 、 水胶比 、 玻化微珠掺量 四个 影响因素， 以混凝土的抗压强度 、 抗折强度 、 保温性 能和抗 冻性能为考核指标， 设计正交试验， 运用功 效系数法对配合 比进行优化 ， 寻求最优方案 。 1 试 验 1 1 试验 材料 水 泥 ： 海螺牌 3 2 5复合硅酸盐水泥 ， 其物理力 学性能指标见表 1 ； 天然粗骨料 ： 粒径 5 - 2 0 r n m， 吸水 率 l I 1 ， 表观密度 2 6 8 8 k g m 。 ， 堆积密度 1 6 1 2 k g m ， 压碎指标 5 2 8 ： 天然细骨料 ： 普通河砂 ， 表观密度 2 5 2 5 k g m 堆 积密度 1 5 4 0 k g m ， 振 实密 度 1 7 5 4 k g i n ， 吸水率 1 5 _ 3 ， 细度模数 2 3 。 再生粗骨料为常州 大学结构实验室废弃 混凝土采用 颚式破碎机二次 一 6 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4年第 4期 混凝土与水泥制品 总第 2 1 6期 破碎 ， 高温烘烤 和筛分后得到 ， 基本性能见表 2 ； 采 用常州电厂干排粉煤灰 ， 级 ， 细度 1 6 7 ， 烧失量 表 1 水泥的物理力学性能 4 3 ， 需 水量 比 1 0 2 ， 含水率 0 3 8 ； 玻化微珠 的 性能见表 3 。 表 2 再 生 骨料 的基 本 性 能 表 3 玻 化微珠 的物理性能 1 2试 验设 计 首先进行混凝土的基准配合比设计 ， 挑选影响 因素的合理水平 ； 其次设计正交实验 ， 用总功效 系 数法进行分析 ， 得 到整体性能最优 的配合 比， 并分 析各因素的影响显著性和因素水平趋势 ， 寻求理论 最优 配 合 比 ； 最后 ， 通过 验证 试验 予 以验证 。 基 于 附加 用水 量 法 ， 得 到 强度 、 抗 冻 性 、 保 温 性 能 均 满 足 G B 2 6 5 3 8 - 2 0 1 1 烧 结 保 温 砖 和 保 温 砌 块 要求 的基 准配合 比【 7 J ： 粉煤灰 掺 量 3 0 ， 砂 率 0 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 。根据基准配合 比设计试验结果。 正交试验设计采用了I- o ( 3 3 ， 因素 水平见表 4 ，其 中粉煤灰掺量和砂率与基准配合 比 相 同 表 4因素水平表 混凝 土的强度 、抗冻性 能和保 温性 能分别按 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 、 G B T 5 0 0 8 2 -2 0 0 9 普通混凝土长期性能和 耐久性能试验方法标准 、 G B 1 0 2 9 4 -2 0 0 8 4 绝热材 料稳态热阻及有关特性的测定防护热板法 测定。 2 试 验分 析 2 I 功效 系数 法 在功效系数法的评价指标 中，指标数值越大 、 单项功效系数越高 的变量为极大型变量 ： 指标数值 越小 、 单项功效系数越高的变量为极小型变量。进 行单项功效 系数计算 ， 即对试验数据进行指标归一 化。 设试验的评价指标有 m个 i 指标相对应的测试 值中最大值为 ， 最小值为 ， 第 组试验 i 指标 一 6 8一 数据归一化数值为 d 指标测试值越大越好型的归一化计算 ： ， 1 = ( 1 ) L 指标测试值越小越好型的归一化计算 ： ，、 = 虹 ( 2 ) 乙l J l 根据 评价 指标 的单 项功 效 系数 ，计 算 组试 验 总功 效系 数 ： D j =、 ： a I ， 。 ( 3 ) 试验 中。 抗压强度 、 抗折强度按照式( 1 ) 进行归 一 化计算 ， 表征混凝土保温性能 的导热系数和表征 混凝土抗冻性能的质量损失率按照式 ( 2 ) 进行归一 化 计算f 8 I 。 2 2 配合 比优化 表 5为正交试验得到的抗压强度 、抗折强度 、 导热系数和质量损失率 ， 并对各评价指标进行了归 一 化处理。由表 5分析可知 ， 在 9组试验 中， 总功效 系数最大的为第 1 组 ， 即第 l 组玻化微珠再生保温 混凝土的综合性能最好 ，即配合 比A B C D 的综合 性 能最 好 表 6和 表 7为 试 验 结 果 归 一 化 后 的 极 差 和 方 差分 析 。 表 6中 ， 是各因素同一水平总功效系数之和 ， R是各因素每一水平下的 3的极差。 由表 6和表 7可知 ， 水胶比对抗压强度的影响最大 ； 再生粗骨料 取代率对抗折强度影响最大 ； 玻化微珠 的掺量对导 热 系数影响非常显著 ， 再生粗骨料其次 ； 玻化微珠 对抗冻性能的影响非常显著。基于总功效系数分析 可知 ， 各因素影响程度为 ： 水胶 L L 再生粗骨料取代 率 玻化微珠掺量 再生细骨料取代率 ， 其 中， 水胶 比 的水 平 变 化对 再生 混 凝 土 的综 合性 能 影 响最 大 ； 从 总功效 系 数 的极 差分 析 可得 ， 再 生粗 骨 料取 代 率 为 5 0 、 再生细骨料取代率为 3 0 、 水胶 比为 0 4和 玻化微珠掺量为 5 0 得到的再 生混凝土综合性 能 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 陈春红 ， 朱平华 ， 田 斌 玻化微珠再生保温混凝土配合 比优化设计 表 6 考核指标极差分析 优于其他水平 的混凝 土综合性能 ， 即 A B C a D 是理 论最优配合 比。 2 3 因 素水平 趋 势 图 图 1为四个影响因素对混凝土抗压强度 、 抗折 强度 、 导热系数和抗冻性影响的趋势图。横坐标为 各影响因素的水平 ， 纵坐标为影响因素某一水平下 评价指标的平均值。由图 1 可知， 再生粗 、 细骨料取 代率的提高会 降低混凝 土的力学性能 ， 这是 因为再 生粗骨料在解体 、破损等加工过程 中容易受 到损 伤 ， 使骨料 内部 产生大量的微 细裂纹 ， 其力学性 能 劣于天然粗骨料 的力学性能 。在试验 中还发现 ， 由 于再生混凝 土的吸水率大 水 胶 比小时 ， 混凝 土的 离散性大 ， 不能很好地胶凝在一起 ， 当水胶 比为 0 6 表 7 考核指标方差分析 注 ： “ 影响非常显著 ； “ 影 响显著 ； “ 一 ” 有一 定影 响。 。 厂 厂 - - - 3 0 5 0 7 0 2 0 3 0 4 0 0 4 0 5 0 6 5 0 7 0 1 0 0 A B ， C D 图 1 因素水平趋势图 一 6 9 5 O 5 6 5 4 3 5 5 5 9 1 3 5 5 、 一 吕 一 、 渗j 日 罟 、 日 W 蟠辍 番蹄 隈 毯吾 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4年第 4期 混凝 土与 水泥制 品 第 2 1 6期 时， 混凝土的和易性好 ， 抗压强度较大 。水胶 比的增 大会降低混凝土的抗折强度。四个影响因素取值的 增大都会降低导热系数 即增强再生混凝土的保温 性能 ， 随着玻化微珠掺量 的提高 ， 导热 系数降低得 非 常明 显 ， 当掺量 为 1 0 0 时 ， 其导 热 系数 为 0 3 3 W m K) ， 具有很好的保温性能 ， 而再生粗骨料相 比天 然骨料具有较大的孑 L 隙率 ， 其掺量的提高有助于增 强混凝土的保温性 能。再生粗 、细骨料取代率为 5 O 和 3 0 时 ， 质量损失率小 ， 抗冻性能较好 ， 水胶 比越大其 抗冻性 能越差 ， 有关资料表明 在混凝土 中硬 化 水 泥 石 的孔 结 构 取 决 于 混 凝 土 的水 胶 比和 水泥的水化程度l9 _ 。 一般情况下 ， 水胶比越小 ， 水泥 石 中的孔体积越小 ，孔中存 留的可结冰的水越少 ， 则混凝土的抗冻性能越好。在再生混凝土 中也符合 这一 规律 由图 1 可 得 ， 配 合 比为 A B b C D 混凝 土 可 以 得 到 较好 的抗 压 强 度 、 抗 折 强度 和抗 冻 性 能 ， 但 是 保 温性 能较 差 。总 功效 系数法 采用 了 四个 性能评 价指 标 ， 并取平均权重进行计算 。随着节能环保建筑理 念的提倡 ， 再生混凝土用于墙体材料 时， 保温性 能 指标权重将会逐渐增大 ， 因此 ， A B C D 也可能是最 优配合比。 2 4验 证试 验 对 A JB C D 和 A B h C a D 两 种 配 合 比进 行 验 证 试验 ， 试验方法同上所述 ， 并与配合 比 A ld C a I ) 的试 验 结果 进行 比较 ， 见 表 8 。 表 8 验证试验结果 由表 8可知 ， 配合 比 A B C D 中玻化微珠掺量 比 A b B b C D 提高了 2 0 ，其 总功效系数 比 A B b C D 低 ，抗压强度和抗折强度分别降低 了 6 和 9 ， 但 保温性能提高了 3 0 。配合比 A ld B a C D 的总功效系 数虽然最高 。 但是再生骨料取代率低 ， 这不利于废 弃混凝土 的大规模利用 ， 且导热系数是 A B C D 的 2倍 。从墙体材料的节能环保发展趋势考虑 ，推荐 A b B C D b 为最优配合比方案。 3结论 ( 1 ) 再生粗 、 细骨料取代率 的提高会 降低 混凝 土的力学性能 ，但同时会提高混凝土 的保温性能 ； 水胶 比增大会降低其抗折强度 ： 玻化微珠掺量的提 高能显著地提高保温性能 ： 再生粗 、 细骨料取代率 越低 ， 质量损失率小 ， 抗冻性能越好 ， 水胶 比越大其 抗冻性能越差。 ( 2 ) 根据极差和方差分析对配合 比进行优化设 计 ， 分析得 出 2种较优的配合 比， 再通过验证试验 得 出 ， 再 生 粗 骨料 的取 代 率 5 0 、 再 生 细 骨 料 的取 代率 3 0 、水胶 比0 4和玻化微珠掺量 7 0 的配合 比为最优配合比 ( 3 ) 只要配合 比适 当 玻化微珠再生保温混凝 土的抗 压强度可 以达到 2 0 MP a 导热系数可达到 0 3 3 W ( m K) ， 可以作为非承重保温墙体材料使用。 参考文献 ： 【 1 朱平 华， 王欣， 周军， 等 再 生骨料混 凝 土研究 主要进展 与 一 7 0一 发展趋势f J 1 混凝土， 2 0 0 9 ( 5 ) ：9 0 9 2 ， 9 4 2 邓寿吕， 张学兵， 罗迎社 废弃混凝 土再 生利用 的现状 分析 与研究展望f J I一 昆 凝 土， 2 0 0 6 ( 1 1 ) ： 2 0 2 4 3 】 张泽平 玻 化微珠保 温混凝土及 其结构 的基木性 能试验 与理论分析研究 D 1 山西： 太原理 _丁大学， 2 0 0 9 4 缪正坤， 刘伟， 林 丽娟， 等 建筑 垃圾 作骨料生产保温砌块 的 研究I J 1 新型建筑材料， 2 0 1 0 ( 3 ) ： 2 6 4 2 6 7 【 5 1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f J 建筑结构， 2 0 1 2 ( 1 2 ) ： 2 6 2 9 6 李九苏， 肖汉宁， 龚建清 再生 骨料 水泥混凝土的级配优化 试验研 究l J 1 建筑材料学报， 2 0 0 8 ， 1 1 ( 1 ) ： 1 0 5 1 1 0 【 7 】T a m， V wY， T a m， C M， Wa n g Y O p t i mi z a t i o n o n p r o p o r t i o n r r e c y c l e d a g g r e ga t e 1 F l c o n c r e t e us i n g t wo s t a g e mi x i ng a p pr oa c h J 1 C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g Ma t e r i a l s ， 2 0 0 7 ， 2 I ( 1 0 ) ： 1 9 2 8 1 9 3 9 【 8 朱平华， 陈华 建， 郭佳赤， 等 大体积混凝土优化设计 的四功 能准则 J 1 混凝土， 2 0 0 4 ( 1 ) ： 4 1 4 5 f 9 1 张金喜， 张建华， 邬长森 冉 生混凝土性 能和孔结构 的研究 I J 建筑材料学报， 2 0 0 6 ， 9 ( 2 ) ： 1 4 2 1 4 7 1 0 】 S a m i W T a b s h ， A k m a l S A b d e l f a t a h I n fl u e n c e o f r e c y c l e d c o n c r e t e a g g r e g a t e s o n s t r e n g t h p r o p e rt i e s o f c o n c r e t e J C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g M a t e r i a l s 2 0 0 9 ( 2 3 ) ： 1 1 6 3 1 】 6 7 收稿 日期 ： 2 0 1 4 0 2 2 4 作者简介 ： 陈春红( 1 9 8 3 一 ) ， 女 ， T学硕士 、 讲 师。 通讯地址 ： 常州市武进区涌湖路 l号 联 系 电 话 ： 1 3 7 7 5 1 9 8 2 7 2 E ma i l ： c h e n c h 0 3 2 31 6 3c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m