陶粒保温承重混凝土的力学性能与热工性能研究

刘 欢 姚韦靖

(安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南 232001)

陶粒保温承重混凝土的力学性能与热工性能研究

刘 欢 姚韦靖

(安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南 232001)

通过对陶粒保温承重混凝土力学性能与热工性能实验数据进行分析，得出了各因素对其表观密度、导热系数、抗压、抗拉、抗折强度的影响，并确定了主次顺序，同时通过功效系数法，确定了混凝土综合性能最佳配合比。

陶粒，保温承重构件，导热系数

1 概述

陶粒保温承重混凝土将保温与承重结合起来，是一种抗震、经济、节能型的新的建筑结构体系，这是建筑材料节能方面的一个创新。本文从陶粒保温承重混凝土的组料、配比及其物理力学性能和热工性能开展了试验研究工作[1-8]。

2 材料基本组料试验分析

2.1 陶粒保温承重混凝土材料组成

根据建筑工程材料混凝土结构分析，确定陶粒保温承重混凝土材料的组成见表1。

2.2 主要组料

1)胶凝材料。 选择水泥、粉煤灰作为陶粒保温承重混凝土的胶凝材料,以有效提高材料强度。

实验表明掺入粉煤灰后，混凝土的坍落度减少，自身的粘聚性也提高了，从而有效缓解了陶粒上浮问题，而且混凝土浆体的整体比重减小，这是由于粉煤灰的比重为2.0～2.2，而水泥的比重一般都大于30。

表1 陶粒保温承重混凝土材料组成

2)集料。石子和陶粒为粗骨料，砂石为细骨料，集料在陶粒保温承重混凝土中起承重和隔热作用，由表2可以直观的看出三种集料的导热系数及容重。由此可见，陶粒材料的使用会大大降低混凝土的导热系数。

表2 材料导热系数表

由于陶粒密度小，内部多孔，形态、成分较均一，且具一定强度和坚固性，因而具有质轻，耐腐蚀，抗冻，抗震和良好的隔绝性等多功能特点[9,10]。实验表明掺入适量的陶粒能够有效地提高混凝土的强度和隔热性能。实验选用了以下三种陶粒，其介绍如图1，表3所示。

表3 页岩陶粒技术指标

3)外掺料。为有效地增强混凝土的韧性，有效地控制混凝土的塑性收缩、干缩、温度变化等因素引起的微裂缝，有效地改善混凝土的抗裂抗渗性能，实验中选用聚丙烯纤维作为外掺料，混凝土中掺入聚丙烯纤维后还能增强抗冲击、抗冲磨、抗冻融、抗震能力。

4)外加剂。减水剂是指在保持混凝土和易性及水泥用量不变的前提下，能减少混凝土拌合的用水量、提高混凝土的强度；或在强度不变的前提下，节约水泥使用量的外加剂。

3 实验方案设计

采用正交方法对陶粒保温承重混凝土进行了多种配合比试验，测试了试件的热力性能和力学性能，并对影响陶粒保温承重混凝土的因素进行了极差分析，得出了影响因素的主次顺序。

3.1 陶粒保温承重混凝土配合比设计及测试结果

陶粒保温承重混凝土配合比设计以计算1 m3混凝土中各材料用量为基准，骨料以干燥状态(粗骨料含水率小于0.2%，细骨料含水率小于0.5%)为基准。

确定本次试验初步配合比中，页岩陶粒有Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ三类，其掺量取替代石子的20%，40%，60%三个水平；粉煤灰取替代水泥量为10%，20%，30%三个水平；每立方米混凝土掺0.9 kg聚丙烯纤维；聚羧酸减水剂的掺量为胶凝材料的0.5%，试验因素水平及实验结果如表4所示。

表4 各个配比综合性能数据表

配置出的陶粒隔热承重混凝土表观密度在1 593 g～2 067 g之间，导热系数在0.202 9W/(m·K)～0.325 4W/(m·K)之间，抗压强度在17.8 MPa～44.6 MPa之间，抗拉强度在1.22 MPa～2.83 MPa之间，抗折强度在2.25 MPa～5.03 MPa之间。

3.2 各因素对考核指标的影响

表观密度R值、导热系数R值、抗压强度R值、抗拉强度R值、抗折强度R值与各因素的关系图如图2～图6所示。

通过极差分析得出了各因素对28 d陶粒保温承重混凝土物理性能影响，表观密度、抗压强度和抗拉强度影响顺序一样，为B页岩陶粒掺量>D砂子用量>A页岩陶粒级配>C粉煤灰用量；导热系数为B页岩陶粒掺量>A页岩陶粒级配>C粉煤灰用量>D砂子用量；抗折强度为B页岩陶粒掺量>A页岩陶粒级配>D砂子用量>C粉煤灰用量。混凝土的表面密度、导热系数和强度均主要受陶粒掺量的影响，随着陶粒取代石子量的增加而降低，同时受陶粒种类和砂率的影响，陶粒粒径大的可算作粗骨料，而颗粒较小的，可充做细骨料。当采用陶粒Ⅲ同时掺入少量的砂时，混凝土的砂率就会过小，即水泥用量不变，粗集料用量增大，而细集料的用量相对降低，粗集料之间的空隙未被填充密实，混凝土中存在大量孔隙和气体，导致混凝土表面密度、导热系数和强度均降低。当采用陶粒Ⅰ同时掺入大量的砂时，混凝土的砂率就会过大，即水泥用量不变，细集料的用量增大，而粗集料用量相对降低，就会使砂浆本身密实程度降低，陶粒与碎石之间的界面强化度和机械啮合作用下降，当混凝土破坏时，陶粒本身容易受到破坏，同时界面也会遭到破坏，混凝土强度就会降低，而且过高的砂率很容易产生分层离析和泌水，导致混凝土稳定性降低。

3.3 最佳配合比分析

采用功效系数法对实验数据进行分析，得出最佳配合比。具体分析过程见表5。

表5 正交试验功效系数分析表

从这9次试验中总功效系数d值的大小可以看出，试验编号LC9的d=0.87值最大，相对应的实验条件为A3B3C2D1。

4 结语

1)针对现在建筑工程绿色、节能、环保条件要求，提出一种主动的建筑微气候系统防护结构材料——陶粒，利用自身孔隙率高，传热系数小，滚筒压力大，其混凝土制品同样具有良好的承重隔热效果。

2)实验对陶粒隔热承重混凝土材料性能进行研究，得到各组主要技术指标实验数据以及各因素对表观密度、导热系数、抗压强度、抗拉强度、抗折强度的影响规律。为陶粒保温混凝土结构设计、热工分析以及耐久性研究提供更全面的参考依据。

3)通过功效系数分析，得出陶粒隔热承重混凝土综合性能最佳配合比是试验编号LC9，即采用页岩陶粒Ⅲ用量占粗骨料总量的60%，粉煤灰为胶凝材料总量的20%，砂用量为856 kg/m3。该组混凝土的主要技术指标：表观密度：1 783 g，导热系数：0.228 7 W/(m·K)，抗压强度：36.4 MPa，抗拉强度：2.83 MPa，抗折强度：3.92 MPa。

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Research on ceramsite insulation bearing of the mechanical properties and thermal properties of concrete

Liu Huan Yao Weijing

(CivilandArchitectureSchool,AnhuiUniversityofScienceandTechnology,Huainan232001,China)

Through the experimental data of mechanical properties of concrete load-bearing and thermal performance of ceramisite is analyzed, the factors are obtained on the apparent density, coefficient of thermal conductivity of concrete, compressive strength, tensile strength, bending strength, and determine the primary and secondary order, at the same time, through the efficacy coefficient method, the best comprehensive performance of concrete mixture ratio.

ceramsite, insulation bearing component, coefficient of thermal conductivity

2015-01-18

刘 欢(1989- )，女，在读硕士； 姚韦靖(1990- )，男，在读硕士

1009-6825(2015)09-0097-03

TU528

A