新型節(jié)能復(fù)合自保溫承重砌塊的研究★

白 玲 方光秀

(延邊大學(xué)工學(xué)院，吉林 延吉 133002)

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新型節(jié)能復(fù)合自保溫承重砌塊的研究★

白 玲 方光秀*

(延邊大學(xué)工學(xué)院，吉林 延吉 133002)

研制了一種100%再生骨料的新型節(jié)能復(fù)合自保溫承重砌塊，并在現(xiàn)有國內(nèi)混凝土砌塊試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，優(yōu)化了內(nèi)填保溫材料的配合比，通過ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析，指出該砌塊符合現(xiàn)行自保溫承重砌塊技術(shù)規(guī)程與東北寒冷地區(qū)節(jié)能保溫要求。

再生泡沫混凝土，自保溫承重砌塊，配合比，有限元

0 引言

隨著我國建筑事業(yè)的迅速發(fā)展，與之俱增的建筑垃圾也成為了國內(nèi)急于解決的一大難題。國家為可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略提出了新建建筑節(jié)能達(dá)到65%以上的要求[1]。在無法銷毀建筑垃圾的情況下，將廢棄物回收利用是一種可行的方法。因此，以再生骨料配以外加劑，再結(jié)合砌塊孔型和合理的材料配合比設(shè)計(jì)，研究節(jié)能型自保溫承重砌塊是一項(xiàng)重要研究課題。

目前，國內(nèi)已有不少專家、學(xué)者針對(duì)混凝土空心砌塊進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并且取得了重大成果。根據(jù)已有研究[2，3]表明，再生骨料混凝土空心砌塊的熱工性能及力學(xué)性能均能滿足要求，但是內(nèi)填再生泡沫混凝土的復(fù)合再生自保溫砌塊是否能滿足熱工性能及力學(xué)性能的要求是一項(xiàng)重要研究課題。內(nèi)填泡沫混凝土的復(fù)合自保溫混凝土砌塊是一種環(huán)保、節(jié)能、低廉且具有不燃性的新型砌塊。

據(jù)此，本文以文獻(xiàn)[4]的研究成果為基礎(chǔ)，以節(jié)能減排為目標(biāo)，內(nèi)填再生泡沫混凝土作為保溫材料研制了一種符合國情的100%再生粗骨料新型節(jié)能復(fù)合自保溫承重砌塊。

1 試驗(yàn)材料

1.1 內(nèi)填再生泡沫混凝土

1)原材料。

a.水泥：P.O42.5普通硅酸鹽水泥，產(chǎn)地為吉林省磐石市冀東水泥磐石有限責(zé)任公司；b.再生粗、細(xì)骨料：粗骨料的粒徑為5 mm～10 mm，來自延吉市施工現(xiàn)場(chǎng)廢棄混凝土試塊，經(jīng)顎式破碎機(jī)破碎后進(jìn)行篩分；細(xì)骨料的粒徑范圍為5 mm以下；c.粉煤灰：國電龍華延吉熱電有限公司生產(chǎn)的Ⅰ級(jí)粉煤灰，摻量為干粉料總質(zhì)量的30%；d.發(fā)泡劑：采用建德藍(lán)圖環(huán)?？萍加邢薰旧a(chǎn)的復(fù)合型JZ-1發(fā)泡劑，摻量取5%[5]；e.水：延吉市自來水。

2)試件制備。

再生泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度：選定尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的12個(gè)立方體試件，測(cè)定3 d，7 d，28 d的抗壓強(qiáng)度。

1.2 再生混凝土空心砌塊

1)原材料。

a.水泥：P.O42.5普通硅酸鹽水泥，產(chǎn)地為吉林省磐石市冀東水泥磐石有限責(zé)任公司；b.再生粗、細(xì)骨料：粗骨料的粒徑為5 mm～10 mm，來自延吉市施工現(xiàn)場(chǎng)廢棄混凝土試塊，經(jīng)顎式破碎機(jī)破碎后進(jìn)行篩分；細(xì)骨料的粒徑范圍為5 mm以下；c.粉煤灰：國電龍華延吉熱電有限公司生產(chǎn)的Ⅰ級(jí)粉煤灰，取代30%水泥；d.水：延吉市自來水。

2)試件制備。

按規(guī)范《普通混凝土小型砌塊》[6]規(guī)定，選定尺寸為390 mm×240 mm×190 mm的砌塊6個(gè)，澆筑成型后標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d測(cè)定抗壓強(qiáng)度。

2 配合比設(shè)計(jì)

計(jì)算強(qiáng)度為MU7.5的再生復(fù)合材料承重砌塊的配合比設(shè)計(jì)時(shí)，分為填充用再生泡沫混凝土和空心砌塊，按照普通混凝土配合比公式分別計(jì)算各材料的用量，單位用水量取140 kg/m3[7]，混凝土總質(zhì)量取1 500 kg。

2.1 再生泡沫混凝土

1)水泥和粉煤灰總量。

水泥，粉煤灰，泡沫，水等原料體系的泡沫混凝土設(shè)計(jì)干密度為400 kg/m3，質(zhì)量系數(shù)為普通硅酸鹽取1.2，水泥和粉煤灰總質(zhì)量為：

mc+mF=400/1.2=333.3 kg。

其中，mc為1 m3泡沫混凝土的水泥用量，kg；mF為1 m3泡沫混凝土的粉煤灰用量，kg。

2)粉煤灰量。

mF=30%×333.3=100.0 MPa。

3)水泥量。

mc=333.3-100.0=233.3 kg。

4)用水量。

W/C=0.50時(shí)，mw=233.3×0.50=116.65 kg；W/C=0.52時(shí)，mw=233.3×0.52=121.32 kg；W/C=0.53時(shí)，mw=233.3×0.53=123.65 kg；W/C=0.55時(shí)，mw=233.3×0.55=128.32 kg。

5)砂率。

βs=0.255+0.3×(W/C)-0.01×(0.6Dm-3)1/2

(1)

其中，Dm為粗骨料的最大粒徑，mm。

得：當(dāng)W/C=0.50時(shí)，βs=0.255+0.3×0.50+0.01×1.8/2=0.41；當(dāng)W/C=0.52時(shí)，βs=0.255+0.3×0.52+0.01×1.8/2=0.42；當(dāng)W/C=0.53時(shí)，βs=0.255+0.3×0.53+0.01×1.8/2=0.42；當(dāng)W/C=0.55時(shí)，βs=0.255+0.3×0.55+0.01×1.8/2=0.43。

6)再生骨料用量。

每立方米再生泡沫混凝土拌合物的假定質(zhì)量為1 500 kg，則：

mco+mwo+ms+mg=1 500 kg

(2)

得：W/C=0.50時(shí)，ms=430.52 kg,mg=619.53 kg；W/C=0.52時(shí)，ms=439.06 kg,mg=606.32 kg；W/C=0.53時(shí)，ms=438.08 kg,mg=604.97 kg；W/C=0.55時(shí)，ms=446.50 kg,mg=591.88 kg。

綜上，再生泡沫混凝土的理論配合比確定見表1。

表1 再生泡沫混凝土的理論配合比

2.2 再生混凝土空心砌塊

1)28 d抗壓強(qiáng)度。

fb=fk/(0.957 7-1.129E)

(3)

得：fb=7.5/(0.957 7-1.129×0.47)=17.56 MPa。

其中,fb為混凝土空心砌塊的混凝土28 d抗壓強(qiáng)度，MPa；fk為混凝土空心砌塊設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)；E為空心砌塊空心率，本文砌塊為0.47。

2)配制強(qiáng)度。

fh=fb·D·H·M·K/(1-E)+6.6

(4)

得：fh=17.56×1.2×1×1.02×1/(1-0.47)+6.6=40.55 MPa。

其中,D為成型工藝系數(shù)，振動(dòng)不加壓型時(shí)D取1.20；H為養(yǎng)護(hù)條件系數(shù)，蒸汽養(yǎng)護(hù)時(shí)H取1.00；M為空心率影響強(qiáng)度的調(diào)整系數(shù)，取1.02；K為體型系數(shù)，取1.0。

3)用水量。

用水量固定：mwo=140 kg。

4)水泥量。

mco=[0.106×(fce,g+2.5)+fh]×mwo/[0.53×(fce,g+2.5)]

(5)

得：mco=(0.106×45+40.55)×140/23.85=266.0 kg。

其中,fce,g為水泥強(qiáng)度等級(jí)；mwo為單位用水量。

5)水灰比。

W/C=mwo/mco

得：W/C=140/266.0=0.53。

6)砂率。

由式(1)βs=0.255+0.3×(W/C)-0.01×(0.6Dm-3)1/2得：

βs=0.255+0.3×0.53-0.01×3/2=0.40。

其中,Dm為粗骨料的最大粒徑，mm。

7)再生骨料用量。

每立方米再生混凝土砌塊拌合物的假定質(zhì)量為1 500 kg，則：

mco+mwo+ms+mg=1 500 kg。

得：ms=494.0 kg；mg=600.0 kg。

由粉煤灰取代水泥量為30%，采用等量取代法配合比計(jì)算，水泥實(shí)際用量為186.2 kg/m3，粉煤灰用量為79.8 kg/m3。綜上，再生混凝土空心砌塊的理論配合比為:mco∶mwo∶ms∶mg∶mF=1∶0.75∶2.65∶3.22∶0.43。

3 復(fù)合自保溫砌塊

3.1 構(gòu)造設(shè)計(jì)

根據(jù)研究表明，砌塊中封閉空氣層在達(dá)到20 mm后，隨其增大，層熱阻的增量越來越小。因此，一味加大層厚來增加熱阻，效果不大；反之，增多孔洞排數(shù)可明顯提高熱阻[8]。此外，不同孔型的空心砌塊平均傳熱系數(shù)也各不相同，試驗(yàn)表明[9]，矩形較菱形、正方形、圓形孔型的傳熱系數(shù)都低。本砌塊選用雙排孔矩啞鈴孔型,其空心率為47%，尺寸如圖1所示。

3.2 砌塊制備

選用水灰比為0.50，0.52，0.53，0.55的泡沫混凝土，使其填入混凝土空心砌塊的空腔中，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d。

4 ANSYS有限元分析

4.1 單元模型

本砌塊采用Solid65單元，輸入材料特征參數(shù)分別為彈性模量12 000 MPa；泊松比0.15；單軸狀態(tài)下抗拉及抗壓強(qiáng)度設(shè)為7.2和0.9；密度為450 kg/m3。單元尺寸按砌塊尺寸輸入，如圖2所示。

4.2 應(yīng)力與應(yīng)變?cè)茍D及分析

對(duì)模型加載后，得到應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D，如圖3，圖4所示。

由圖3，圖4可知，雙排孔啞鈴形砌塊空腔可有效傳遞內(nèi)力，砌塊所受應(yīng)力均勻且應(yīng)變小。對(duì)砌塊加載均布荷載7.5 MPa后，砌塊的應(yīng)力集中在段肋與邊角，砌塊在兩側(cè)底部開始破壞。

5 結(jié)語

1)通過計(jì)算公式得出，采用100%再生骨料研制的復(fù)合再生自保溫混凝土砌塊，再生泡沫混凝土的理論配合比為mc∶mw∶ms∶mg∶mF= 1∶0.53∶1.88∶2.59∶0.43；再生混凝土空心砌塊的理論配合比為mco∶mwo∶ms∶mg∶mF= 1∶0.75∶2.65∶3.22∶0.43。填充的再生泡沫混凝土降低了砌塊的導(dǎo)熱系數(shù)，該砌塊是一種適用于東北寒冷地區(qū)的新型節(jié)能復(fù)合自保溫承重砌塊。

2)通過建立模型、ANSYS有限元分析得出：在填充用再生泡沫混凝土中摻加干粉料總質(zhì)量30%的粉煤灰，且在再生混凝土砌塊中以粉煤灰取代30%水泥量時(shí)，該砌塊的抗壓強(qiáng)度滿足MU7.5設(shè)計(jì)要求。

[1] 李 華,繆昌文,金志強(qiáng).水泥混凝土路面修補(bǔ)技術(shù)[M].北京:人民交通出版社,1998.

[2] 鄭秀梅,肖 永,高小建,等.復(fù)合自保溫再生混凝土砌塊的制備及其基本性能試驗(yàn)研究[J].中國科技核心期刊，2014(23):5-7.

[3] 王 錚,梁 杰,張小周,等.新型再生復(fù)合節(jié)能材料的承重砌塊試驗(yàn)研究[J].山西建筑，2016,42(29):88-90.

[4] 申繪芳.內(nèi)填泡沫混凝土復(fù)合自保溫砌塊的力學(xué)性能研究[J].新型墻材，2014(9):49-52.

[5] 方 濤,郭 旺,何夢(mèng)璇,等.發(fā)泡劑摻量對(duì)再生混凝土的物理力學(xué)性能影響研究[J].建筑技術(shù)，2017，48(1)：32.

[6] GB 8239—1997,普通混凝土小型空心砌塊[S].

[7] 卓 玲,陳寶璠.MU5.0再生骨料混凝土空心砌塊配合比設(shè)計(jì)[J].硅酸鹽通報(bào)，2014(2):271-276.

[8] 李建成.混凝土空心砌塊的孔型對(duì)其隔熱性能的影響[J].混凝土與水泥制品，1995(5):50-52.

[9] 雍玉鯉,江昔平.新型復(fù)合自保溫砌塊的研究[J].混凝土，2012,267(1):109-112.

Study of new energy-saving composite since the insulation bearing blocks★

Bai Ling Fang Guangxiu*

(CollegeofEngineeringYanbianUniversity,Yanji133002,China)

A 100% recycled aggregates is developed a new type of energy-saving insulation composite since the bearing block. On the basis of the domestic concrete block existing test data, optimized the filling the mixture ratio of insulating material, by ANSYS software in finite element analysis, the bearing capacity is superior. Conforms to the current technical specification since the insulation bearing block and the northeast cold areas energy-saving insulation requirements.

recycled foam concrete, composite insulation bearing block, mix proportion, finite element

1009-6825(2017)03-0185-03

2016-11-17 ★：延大土木工程建造技術(shù)資源庫建設(shè)項(xiàng)目(802014010)；延大科技發(fā)展計(jì)劃校企合作項(xiàng)目(602015001)

白 玲(1993- )，女，在讀碩士

方光秀(1967- )，男，博士，教授

TU522.36

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