再生混凝土粉保温砂浆正交试验分析

摘 要：通过设计再生混凝土粉保温砂浆的正交试验，探究各组成物料的最优组合。试验中选取再生混凝土粉、玻化微珠、乳胶粉、聚丙烯纤维、羟丙基甲基纤维素5个因素，每种因素下设计4个水平。按照因素水平表生产再生混凝土粉保温砂浆，并制作标准试块。在养护结束后取出试块，使用全自动烘干箱、电子万能试验机分别进行表观密度试验和抗压强度试验。试验数据表明，在A3B2C3D1E4组合下，再生混凝土粉保温砂浆的表观密度最小，保温隔热性能最好；在A1B2C1D3E3组合下，再生混凝土粉保温砂浆的抗压强度最大。在工程实践中，可根据施工需要灵活确定因素水平组合，从而满足施工要求、提高工程质量。

关键词：再生混凝土粉；保温砂浆；玻化微珠；正交试验；表观密度

中图分类号：TQ177.6 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2024）27-0060-05

Abstract： By designing orthogonal experiments of recycled concrete powder insulation mortar， the optimal combination of each component material is explored. Five factors were selected in the experiment， including recycled concrete powder， vitrified microspheres， latex powder， polypropylene fiber， and hydroxypropyl methyl cellulose. Four levels were designed for each factor. The recycled concrete powder thermal insulation mortar is produced according to the factor level table， and the standard test block is made. After curing， the test piece was taken out， and the apparent density test and compressive strength test were carried out by using automatic drying oven and electronic universal testing machine， respectively. The test data show that under the combination of A3B2C3D1E4， the apparent density of recycled concrete powder thermal insulation mortar is the lowest， and the thermal insulation performance of recycled concrete powder is the best; through the combination of A1B2C1D3E3， the compressive strength of recycled concrete powder thermal insulation mortar is the highest. In engineering practice， the horizontal combination of factors can be flexibly determined according to the needs of construction， so as to meet the construction requirements and improve the quality of the project.

Keywords： recycled concrete powder; thermal insulation mortar; vitrified microbeads; orthogonal experiment; apparent density

为了响应节能减排、绿色环保的号召，再生混凝土粉保温砂浆在现代建筑工程中受到了广泛应用。以废弃混凝土块筛选、粉碎、过筛后的粉末代替部分水泥，配合使用玻化微珠、膨化珍珠岩、聚丙烯纤维等材料，按照一定比例混合制作成保温砂浆，既可以降低材料成本，又能实现建筑垃圾的再生利用，兼顾了经济效益和环保效益。在应用再生混凝土粉保温砂浆时，要结合抗压强度、保温隔热性能等工程建设需要，合理确定保温砂浆各类基础材料的掺量与比例，确保性能最优，在此基础上制作保温砂浆并投入使用，才能取得最佳的工程效果。

1 原材料的选择

配制再生混凝土粉保温砂浆的原材料有水泥、轻骨料、聚丙烯纤维、改性添加剂，各材料的选择如下。

水泥，选用P.O42.5普通硅酸盐水泥，SO3含量2.7%，Cl-含量0.03%，烧失量4.1%，物理性能指标见表1。

轻骨料，由玻化微珠与膨胀珍珠岩复合而成。玻化微珠是一种以酸性玻璃矿物质为基材，经表面玻化处理后制得的一种多孔、表面玻璃化封闭的保温材料。由于其内部孔隙率低、吸水率小，因此具有良好的保温性能，将其添加到保温砂浆中还能进一步降低材料成本。本实验所用玻化微珠的物理性能见表2。

膨胀珍珠岩是一种以矿岩为基材，经过高温处理使其体积膨胀后制得的一种保温材料，同时具有良好的防火性能。由于膨胀珍珠岩的孔隙率高、吸水率大，因此在吸水后导热系数升高进而导致其保温隔热变差。将膨胀珍珠岩与玻化微珠结合后能够弥补这一缺陷，使保温砂浆的保温性能最大化。本实验选用的膨胀珍珠岩堆积密度162 kg/m3，导热系数0.050 W/（m·K），质量含水率1.98%，5 mm筛孔筛余量2.07%。

聚丙烯纤维，是一种以聚丙烯为机体，经过聚合、纺制等工艺处理后得到的合成纤维，具有良好的保温、耐磨、耐腐蚀和高强度等特性。将聚丙烯纤维作为再生混凝土粉保温砂浆的原材料，可以利用其三维网状结构和易分散不报团的特性，承受砂浆干缩产生的拉应力，降低干缩裂缝的发生率。本实验选用砂浆专用6 mm聚丙烯纤维，性能指标见表3。

改性添加剂，配制再生混凝土粉保温砂浆使用的改性添加剂主要有2类：其一是乳胶粉，作为一种水溶性、可再分散粉末状物质，添加后可以显著改善保温砂浆的黏结性、隔热性、抗水性，对增强材料的抗折强度也有一定帮助。另外，加入了再生混凝土粉以及轻骨料后，砂浆的和易性变差，这种情况下加入适当比例的乳胶粉有助于增强砂浆的内聚力与和易性，降低了施工难度。本实验所用乳胶粉的平均粒径为80 μm，表观密度540 g/L，最低成膜温度0 ℃。其二是羟丙基甲基纤维素（HPMC），将其作为添加剂应用到保温砂浆中，一方面可以显著提升砂浆保水性能，在养护阶段防止因为水分快速蒸发而开裂；另一方面则提升了黏结性与抗滑移能力，在抹灰时避免保温砂浆在重力作用下滑移脱落的情况。本实验所用的羟丙基甲基纤维素黏度可达2.0×105 Pa·s，干燥失重3.1%，甲氧基含量25.8%，羟丙氧基含量10.5%。

2 确定基准配合比

2.1 骨胶比

保温砂浆中的骨料以玻化微珠、膨胀珍珠岩为主，胶凝材料包括水泥、聚丙烯纤维等。另外，为了使再生混凝土粉保温砂浆的各项性能满足普通保温砂浆的基本要求，还需要掺入少量的保水增稠材料，如乳胶粉等，确保试件能够顺利成型。一般来说，无机轻集料保温砂浆的骨料比在1∶0.8～1∶1.5。基于此，本文设计了1∶0.8、1∶0.9、1∶1.0、1∶1.1、1∶1.2五种骨胶比，使用不同骨胶比下的再生混凝土粉保温砂浆制作标准试件，并验证其成型率，结果见表4。

由表4数据可知，当骨胶比为1∶0.8和1∶0.9时，成型率较差；当骨胶比在1∶1.0、1∶1.1、1∶1.2时成型率均能达到100%。但是对比发现，当骨胶比为1∶1.1和1∶1.2时，试件的表观密度过大，保温性能有所下降，不符合保温砂浆的使用要求，因此本文正交试验中将骨胶比确定为1∶1。

2.2 再生混凝土粉掺量

废弃混凝土块经过筛选、粉碎、过筛后得到再生混凝土粉，在制备保温砂浆时，可以用再生混凝土粉代替一部分水泥，再生混凝土粉的掺量也会对保温砂浆的性能产生影响。已知再生混凝土粉的活性要低于水泥，如果掺入的再生混凝土粉过多，使用保温砂浆制作试块容易出现成型困难、成型率不高的现象；反之，如果掺入的再生混凝土粉偏少，则起不到降低成本、改善性能的效果[1]。综上，将再生混凝土粉的掺量确定为10%～40%，并且在正交试验中选取10%、20%、30%、40% 4个水平，进一步探究不同掺量对保温砂浆性能的影响。

2.3 玻化微珠占骨料比

玻化微珠是一种轻质、多孔的无机玻璃质矿物材料，拥有良好的耐火、绝热、吸引和抗老化等性能，是一种优质的骨料。将玻化微珠掺入到保温砂浆中，将显著改善保温砂浆的流动性、抗压强度以及保温性能[2]。再生混凝土粉保温砂浆的骨料由玻化微珠和膨胀珍珠岩组成，2种材料的粒径差异明显，为了使骨料级配良好，需要合理确定玻化微珠在骨料中的占比。在正交试验中设计了4个水平，即玻化微珠在骨料中的占比分别为40%、60%、80%和100%。通过正交试验确定玻化微珠所占比例后，膨胀珍珠岩的比例也同时确定。

3 再生混凝土粉保温砂浆正交试验

3.1 因素水平的确定

再生混凝土粉保温砂浆的组成材料有7种，分别是再生混凝土粉、玻化微珠、膨胀珍珠岩、乳胶粉、聚丙烯纤维、羟丙基甲基纤维素和水泥。这里选取对保温砂浆性能影响较为明显的5种基本材料作为因素，每种因素下设置4个水平。以再生混凝土粉为例，设置了4个水平的掺量，分别是10%、20%、30%、40%。正交试验因素水平表见表5。

3.2 正交试验表的设计

选取L16（45）表组织试验，这里的“16”表示试验次数，“4”表示水平数，“5”表示因素个数。正交试验表见表6。

3.3 各组材料用量

确定每种组合下再生混凝土粉保温砂浆各物料的用量，见表7，表中A为再生混凝土粉，B为玻化微珠，C为乳胶粉，D为聚丙烯纤维，E为羟甲基丙基纤维素，F为水泥，G为膨胀珍珠岩。同时计算再生混凝土粉、膨胀珍珠岩等7种组成材料的总量，按照总量的1.2倍购买材料，避免试验过程中出现材料不足的情况。

3.4 再生混凝土粉保温砂浆的制备

购买材料后，按照表7使用精密电子秤称取相应质量的基本材料，将其倒入搅拌锅内，本次试验中使用JJ-5型行星式胶砂搅拌机。在不加水的情况下搅拌1 min，然后将称量好的水沿着锅壁缓缓倒入，再继续搅拌3 min，得到均匀无颗粒的保温砂浆。按照GB/T 20473—2021《建筑保温砂浆》中的相关规定制作试块，使用刷子蘸取适量的脱模剂（机油），均匀涂刷在标准试模的内壁，方便脱模。将制备好的保温砂浆倒入标准试模中，选用插入式振捣棒，对标准试模内的砂浆进行充分振捣30次，取出振捣棒后将试模转移到振动台上，继续振动10 s。使用干净的抹布将标准试模表面溅出的材料擦干净。在标准试模的上方封盖一层塑料布，防止水分流失。将标准试模放置于阴凉干燥处静置48 h后编号、拆模[3]。取出试块后立即将其转移到恒温恒湿箱中进行养护，本试验选用SHBY-40B型恒温恒湿养护箱。在养护箱内等间距摆放试块，相邻试块之间的距离不得小于20 mm，将养护箱的温度设定为（20±2）℃，相对湿度设定为90%～95%，养护时间为28 d。

4 再生混凝土粉保温砂浆正交试验结果及分析

4.1 稠度

再生混凝土粉保温砂浆的稠度会对材料的均匀性与稳定性产生直接影响，根据GB/T 20473—2021《建筑保温砂浆》 中的相关规定，保温砂浆的稠度应在（80±10） mm之间。如果稠度太大，保温砂浆的和易性、流动性差，会增加施工难度；相反，如果稠度太小，抹灰时保温砂浆容易出现流挂、滑移的情况，不利于成型。把配制好的再生混凝土粉保温砂浆倒入稠度测定仪的专用容器内，保证砂浆的顶面略低于容器的上口，然后用小型插入式振捣棒插入容器内进行振捣，注意避免振捣棒触碰容器。大约20 s后观察到砂浆表面平整后停止振捣，拔出振捣棒后将容器转移到稠度测定仪的底座上，居中放置。操作仪器使试锥的尖端刚好接触砂浆顶面，此时拧紧螺丝使其固定，再将刻度盘指针调至“0”刻度，防止测量误差。松开自动螺丝，让试锥在重力作用下自然掉落，静置10 s后将螺丝再次拧紧，读取并记录刻度盘上的读数。为了消除误差， 同一次正交实验重复进行3遍，取3组数据的平均值作为保温砂浆的稠度值，结果精确到1 mm。结果表明，16次正交试验中再生混凝土粉保温砂浆的稠度值在71～85 mm波动，该结果符合标准中规定的范围70～90 mm，由此可得本实验中制作的再生混凝土粉保温砂浆OD5IjX1o544wx53RBAEDtdAUmUREGFs/AcGwczJiOrA=在稠度方面符合要求，可以满足工程使用需要。

4.2 表观密度

表观密度对保温砂浆的保温隔热效果有直接影响，一般来说表观密度越大，导热系数越大，相应的保温效果越差。表观密度的测试步骤：将养护28 d的试块取出后，检查尺寸是否标准、外观有无缺陷，如果无问题则将其转移到烘干箱中。本试验中使用DHG-9123C型全自动烘干箱，将温度设定为（105±5） ℃，在试块达到恒重后即可停止烘干，将其取出晾置到常温后，计算其表观密度[4]。计算公式为

式中：？籽为试块的表观密度，单位为kg/m3；G表示试块烘干后的质量，单位为g；V表示试件的体积，单位为m3。为消除误差，每种类型下选取3个试块，分别测得其表观密度后求平均值，结果精确到1 kg/m3。按照上述方法，统计L16（45）正交试验中16个试块的表观密度，结果如图1所示。

由图1可知，16个试块中，第1个试块的表观密度最高，为418 kg/m3；第14个试块的表观密度最低，为370 kg/m3。选取第一个配合比下制作的试块，探究5种因素的最佳组合。首先计算5种因素（A、B、C、D、E）在4个水平（1、2、3、4）下的表观密度之和，然后再求表观密度的平均值。以A因素（再生混凝土粉）为例，在1水平下的表观密度之和为416.94+394.17+400.61= 1 211.72 kg/m3，表观密度的平均值为403.91 kg/m3。同理，可以分别求得在2水平、3水平、4水平下的表观密度平均值，依次为389.34、384.60、393.78 kg/m3。已知表观密度与保温砂浆的保温性能成反比，对比可以发现，A3为因素A的最优水平。按照同样方法，分别求出B、C、D、E 4种因素的最优水平，分别为B2、C3、D1、E4。由此可得，A3B2C3D1E4组合（再生混凝土粉掺量30%、玻化微珠占骨料比例60%、乳胶粉掺量3%、聚丙烯纤维掺量0.2%、羟丙基甲基纤维素掺量0.4%）下再生混凝土粉保温砂浆的保温性能最佳。

4.3 抗压强度

将养护结束的标准立方体试块（规格：70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm）取出后，首先观察试块的外观有无裂缝、缺角等质量问题，以及尺寸是否符合要求，确认无误后再将试块置于SANS300KN型电子万能试验机的载物台上。启动试验机，让上方压力板匀速向下靠近载物台，接触试块的上表面后开始施加压力[5]。观察试块情况，当试块完全破坏时立即停止加压，求出试块的抗压强度。计算公式为

式中：F表示再生混凝土粉保温砂浆试件的抗压强度，单位为MPa；N表示试件的破坏荷载，单位为N；A表示试件的承压面积，单位为mm2。为了消除误差，每种类型下选择5个试块进行试验，分别计算抗压强度后取平均值，精确到0.1 MPa。按照上述方法，统计L16（45）正交试验中16个试块的抗压强度，结果如图2所示。

由图2可知，16种配合比下制作的试块，第1个试块的抗压强度最高，为0.57 MPa；第16个试块的抗压强度最低，为0.31 MPa。选取第一个配合比下制作的试块，探究5种因素的最佳组合，处理方式与上文相同。可以得到再生混凝土粉保温砂浆抗压强度的最优水平组合为A1B2C1D3E3，即再生混凝土粉掺量10%、玻化微珠占骨料比例60%、乳胶粉掺量1%、聚丙烯纤维掺量0.6%、羟丙基甲基纤维素掺量0.3%。

5 结论

再生混凝土粉保温砂浆由于具有良好的保温隔热性能和耐候耐老化性能，以及符合绿色环保要求等优势，在现代建筑工程中得到广泛运用。从材料组成上看，除了再生混凝土粉外，还有聚丙烯纤维、膨胀珍珠岩和玻化微珠等材料。这些材料的不同掺配比例，将会对保温砂浆的性能产生直接影响。因此，在工程实践中，需要设计正交试验并制作试件，探究不同组合下的性能参数，找出最优组合，然后批量化制备再生混凝土粉保温砂浆并投入使用，在满足工程需要的基础上，兼顾环保效益、经济效益，在推广再生混凝土粉保温砂浆的过程中助力我国建筑行业的绿色和可持续发展。

参考文献：

[1] 丁辰，薛凯喜，田兴华.珍珠岩-辉绿岩石粉高性能保温砂浆制备正交试验研究[J].混凝土，2023（2）：136-141.

[2] 李一文，夏明丽，王媛.建筑垃圾保温砂浆基本性能实验研究[J].四川水泥，2019（1）：307-308.

[3] 周朝慧，薛凯喜，齐小宏.掺和辉绿岩石粉制备高性能玻化微珠保温砂浆正交试验研究[J].混凝土，2022（5）：100-102.

[4] 王双超，徐方，阮景新，等.新型珍珠岩保温砂浆力学性能及影响机理研究[J].科学技术与工程，2022（21）：189-194.

[5] 陈晓莉，吕渊.玻化微珠保温砂浆配合比的正交试验研究[J].混凝土与水泥制品，2021（2）：313-215.