新型復(fù)合保溫混凝土砌塊配比設(shè)計(jì)研究

霍 福 翠

(山陰縣熱力公司，山西 朔州 036999)

0 引言

近年來(lái)，隨著科技的發(fā)展，建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)工作的不斷深入，傳統(tǒng)的小砌塊建筑逐漸向節(jié)能建筑過(guò)渡。新型復(fù)合保溫砌塊逐漸取代了傳統(tǒng)型黏土磚，是近年來(lái)出現(xiàn)的新型環(huán)保建筑材料之一，這類(lèi)砌塊是集保溫、承重、裝飾等于一體的混凝土空心砌塊[1]。新型復(fù)合保溫混凝土砌塊實(shí)質(zhì)是混凝土，新型復(fù)合保溫混凝土砌塊的承重性能與其組成材料的配合比密切相關(guān)。對(duì)該材料的配合比設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)上是對(duì)組成該材料的混凝土進(jìn)行配比研究，但與傳統(tǒng)的混凝土空心砌塊有所區(qū)別。新型復(fù)合保溫混凝土砌塊是由主體砌塊和保溫芯料組成，主體砌塊屬于輕骨料混凝土砌塊，其集料主要包括陶粒、煤矸石、礦渣等，并具有一定的孔洞率[2]。由于孔洞的存在，所以組成其混凝土的強(qiáng)度與砌塊本身的強(qiáng)度不等同，同時(shí)加壓成型工藝的影響，即使配比設(shè)計(jì)一樣，砌塊強(qiáng)度仍然受振動(dòng)方式的影響而不同。

隨著新型復(fù)合保溫混凝土砌塊的廣泛應(yīng)用，由于各種原因?qū)е缕淞W(xué)性能沒(méi)有足夠保障，根據(jù)文獻(xiàn)[1][2]得出的結(jié)論可知，影響砌塊強(qiáng)度的因素主要包括其組成材料強(qiáng)度、成型工藝、空心率以及養(yǎng)護(hù)條件等，其母材強(qiáng)度為首要因素，而母材混凝土強(qiáng)度實(shí)質(zhì)因素是其配合比設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)砌塊配合比時(shí)充分考慮其成型工藝及物理特性，在統(tǒng)一其他因素下研究其材料配比對(duì)其強(qiáng)度的影響[1,2]。

1 材料與試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)制作的混凝土砌塊母材有水、水泥、砂子、陶粒。

水：普通生活用水。

水泥：選用山西山水水泥有限公司生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥，等級(jí)為P.O42.5級(jí)，其主要力學(xué)性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 水泥性能參數(shù)

砂子：文獻(xiàn)[2][3]中制作的陶?；炷良?xì)骨料選為石粉，但砂子在本地應(yīng)用更廣，是施工中常選用的建筑材料，故本文制作傳統(tǒng)的陶?；炷疗鰤K，選用山西山水水泥有限公司生產(chǎn)預(yù)制混凝土砌塊時(shí)的天然砂子作為細(xì)骨料。陶粒：是一種人造輕骨料，試驗(yàn)選用陶粒為南京星凱新型建材有限公司生產(chǎn)，其性能參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 陶粒性能參數(shù)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)總體思路

在設(shè)計(jì)試驗(yàn)時(shí)需先解決以下三個(gè)問(wèn)題：

1)衡量砌塊最優(yōu)配比的指標(biāo)。砌塊的混凝土的配比即為母材的配比，以其母材制作標(biāo)準(zhǔn)混凝土試塊進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，用其試驗(yàn)值反映砌塊的強(qiáng)度。故本次試驗(yàn)以母材混凝土試塊強(qiáng)度指標(biāo)來(lái)探討砌塊的最優(yōu)材料配比。

2)混凝土試塊成型工藝。在母材一定情況下，砌塊的成型工藝對(duì)強(qiáng)度影響較大[2]，因此在進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)前，需保證試塊振動(dòng)加壓工藝按照砌塊成型工藝進(jìn)行，本次試驗(yàn)采用文獻(xiàn)[4]中對(duì)加壓預(yù)制構(gòu)件的試驗(yàn)方法進(jìn)行。

3)配比設(shè)計(jì)參數(shù)。雖然本次試驗(yàn)?zāi)覆姆N類(lèi)不多，但根據(jù)實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)，不同施工地點(diǎn)不同母材含水量對(duì)配比影響較大。本次試驗(yàn)選用水灰比、砂率及混凝土密度三個(gè)參數(shù)值來(lái)確定配比值。

由此本次試驗(yàn)總體設(shè)計(jì)分兩步進(jìn)行：第一步：正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案。參照J(rèn)GJ 51—2002輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程，可對(duì)混凝土配比中的水灰比、砂率以及混凝土密度確定一合理范圍，根據(jù)長(zhǎng)期實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)，在各個(gè)因素范圍內(nèi)選取不同水平值，根據(jù)因素水平選取合適的正交表得到正交試驗(yàn)方案。第二步：抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。按照GB/T 50081—2002普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)中混凝土立方體試件的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)法，對(duì)正交試驗(yàn)的每組方案制作三個(gè)尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的立方體試塊，在相同條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，采用試驗(yàn)壓力機(jī)進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，并記錄數(shù)據(jù)，每組試驗(yàn)抗壓強(qiáng)度值取三個(gè)試塊數(shù)據(jù)平均值。

1.2.2正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)JGJ 51—2002輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程中的設(shè)計(jì)參數(shù)選擇，輕骨料混凝土宜采用松散體積法進(jìn)行配合比計(jì)算。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)要求，混凝土試配強(qiáng)度選15 MPa～20 MPa，陶粒為600 kg/m3等級(jí)密度對(duì)應(yīng)的水泥用量為300 kg/m3～400 kg/m3；本次試驗(yàn)預(yù)制試塊是振動(dòng)加壓成型的，凈用水量為45 kg/m3～140 kg/m3，維勃稠度為10 s～20 s；采用普通砂情況下，砂率可確定為30%～40%；作為輕粗骨料的陶粒屬于圓球型，粗細(xì)骨料總體積為1.1 m3～1.40 m3，本次試驗(yàn)擬定每立方混凝土的粗細(xì)骨料松散狀態(tài)下總體積為1.2 m3；主要用于承重構(gòu)件或構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)輕骨料混凝土密度等級(jí)范圍為1 400 kg/m3～1 900 kg/m3。通過(guò)計(jì)算及根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，分別選取砂率30%,40%,50%,60%進(jìn)行試驗(yàn)，水灰比分別選取0.20,0.25,0.30,0.35進(jìn)行試驗(yàn)，混凝土密度等級(jí)分別選取1 400 kg/m3,1 500 kg/m3,1 700 kg/m3,1 900 kg/m3進(jìn)行試驗(yàn)。

通過(guò)上述分析，建立配比設(shè)計(jì)參數(shù)以水灰比、砂率以及密度等級(jí)為代表的正交因素水平表，見(jiàn)表3。

表3 配比設(shè)計(jì)參數(shù)的正交試驗(yàn)因素水平表

根據(jù)正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，表3中的三因素四水平的正交試驗(yàn)方案按四因素四水平表L16(44)進(jìn)行，其中一因素為空列，共計(jì)16種試驗(yàn)方案[8]，具體方案排列見(jiàn)表4。

表4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及試驗(yàn)結(jié)果

1.2.3抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

根據(jù)表4所示的正交試驗(yàn)方案，對(duì)每組設(shè)計(jì)配比方案制作三個(gè)尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的立方體試塊，在制作時(shí)采用Proctor試驗(yàn)法，結(jié)合成型工藝規(guī)范要求，以人工振搗、壓力機(jī)壓制成型，同時(shí)可記錄壓力大小[4]。由于試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)試塊的體積是固定的，根據(jù)每組配比設(shè)計(jì)方案對(duì)應(yīng)的密度等級(jí)可計(jì)算出模具中填充料的總重量。試塊成型后脫模，進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)參照文獻(xiàn)[8]，等效養(yǎng)護(hù)齡期取日平均溫度逐日累計(jì)達(dá)到600 ℃時(shí)對(duì)應(yīng)的齡期。分別對(duì)每個(gè)試塊進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，當(dāng)壓力值逐漸上升過(guò)程中突然出現(xiàn)陡降拐點(diǎn)時(shí)，表明試塊已受壓破壞，該處壓力值為試塊最大承受壓力，記錄數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及抗壓試驗(yàn)結(jié)果

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

2.2 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)現(xiàn)象分析

本次試驗(yàn)進(jìn)行16組，每組分別進(jìn)行3次試驗(yàn)共計(jì)48個(gè)試塊。通過(guò)對(duì)不同配比下試塊48次抗壓試驗(yàn)觀察可知：當(dāng)壓力值出現(xiàn)陡降時(shí)，試塊開(kāi)裂破壞，破壞現(xiàn)象主要為破角、外皮脫落或裂紋、沿壓力方向的細(xì)微貫穿裂縫等，但整體外觀基本完好。破壞現(xiàn)象與配比設(shè)計(jì)無(wú)明顯規(guī)律。根據(jù)文獻(xiàn)對(duì)陶粒混凝土破壞試驗(yàn)，本次試驗(yàn)符合其破壞特點(diǎn)：裂而不散、無(wú)明顯爆裂。由此表明新型復(fù)合保溫混凝土(陶粒類(lèi))受壓破壞無(wú)明顯脆性。這點(diǎn)與文獻(xiàn)得出結(jié)論一致。

將部分破壞試塊沿細(xì)微貫穿裂縫打開(kāi)，發(fā)現(xiàn)大部分試塊破壞界面是沿陶粒顆粒處形成，少部分破壞界面是在砂漿體與陶粒結(jié)合處形成。主要原因?yàn)樘樟Ｗ鳛檩p骨料，雖然其強(qiáng)度隨水泥漿體的強(qiáng)度升高而增大，但其強(qiáng)度也有上限，當(dāng)試塊達(dá)到一定強(qiáng)度后陶粒強(qiáng)度增幅不明顯，最終是陶粒處裂開(kāi)。對(duì)于其他少部分的破壞界面，是因?yàn)闈{體與陶粒粘結(jié)強(qiáng)度不夠造成薄弱位置，其強(qiáng)度明顯低于陶粒的強(qiáng)度值，從而形成砂漿體與陶粒結(jié)合處的破壞界面。

2.3 極差分析

對(duì)正交試驗(yàn)的抗壓強(qiáng)度結(jié)果進(jìn)行極差分析，并繪制試驗(yàn)因素水平與指標(biāo)的關(guān)系趨勢(shì)圖[9]，如圖1所示，并根據(jù)不同配比參數(shù)對(duì)抗壓強(qiáng)度影響的程度進(jìn)行排序，得出最優(yōu)組合配比，見(jiàn)表5。

表5 抗壓強(qiáng)度正交試驗(yàn)極差分析表

水平因素水灰比(A)砂率(B)密度等級(jí)(C)空列(D)總和∑均值K154.0847.3830.6848.17K242.4939.8737.7144.52K348.8947.9956.6149.36K441.5351.7561.9944.94K113.5211.857.6712.04K210.629.979.4311.13K312.221214.1512.34K410.3812.9415.511.24極差值R3.643.477.831.21主次排序C>A>B最優(yōu)水平A1B4C4最優(yōu)配比組合A1B4C4

2.4 方差分析

試塊試驗(yàn)時(shí)，其抗壓強(qiáng)度值總變異是由水灰比(A)、砂率(B)、密度等級(jí)(C)引起的變異和誤差變異(D)組成。通過(guò)對(duì)各因素及誤差進(jìn)行方差分析并作F檢驗(yàn)，可判斷各個(gè)因素對(duì)抗壓強(qiáng)度值引起的變異是否顯著。由表4可知，總自由度df=16-1=15，A,B,C各因素自由度dfA=dfB=dfC=3，誤差的自由度為dfD=df-dfA-dfB-dfC=6。由此對(duì)其進(jìn)行方差分析并進(jìn)行F檢驗(yàn)，具體分析結(jié)果見(jiàn)方差分析表6。

表6 試塊抗壓強(qiáng)度正交試驗(yàn)方差分析表

2.5 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)方案對(duì)試塊進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，系統(tǒng)研究了配合比設(shè)計(jì)中的參數(shù)水灰比、砂率、密度等級(jí)對(duì)試塊抗壓強(qiáng)度指標(biāo)的影響，進(jìn)而對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了極差分析、方差分析可知：

1)從表4可知，本次正交抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)中，能使抗壓強(qiáng)度最大的最優(yōu)配比組合是A1B4C4，即水灰比為0.20，砂率為60%，密度等級(jí)為1 900 kg/m3。

2)從圖1分析可知，試塊抗壓強(qiáng)度與配合比設(shè)計(jì)參數(shù)中的水灰比、砂率無(wú)明顯規(guī)律，而密度等級(jí)在1 400 kg/m3～1 900 kg/m3范圍內(nèi)，抗壓強(qiáng)度隨密度等級(jí)升高而增大。結(jié)合極差分析表5分析，對(duì)試塊抗壓強(qiáng)度的影響程度大小排序?yàn)槊芏鹊燃?jí)>水灰比>砂率，其中密度等級(jí)極差值最大，而水灰比和砂率的極差值接近，表明密度等級(jí)對(duì)抗壓強(qiáng)度影響最大，而水灰比和砂率的影響相對(duì)較小。如表4中的第4組和第7組試驗(yàn)相比，密度等級(jí)一定，砂率和水灰比不同，第4組的抗壓強(qiáng)度值是第7組的近1.5倍。因此，在進(jìn)行設(shè)計(jì)新型復(fù)合保溫混凝土砌塊前先根據(jù)砌塊力學(xué)性能確定密度等級(jí)，然后再考慮水灰比和砂率來(lái)滿足其他功能及施工工藝要求。這與通常研究輕骨料混凝土抗壓強(qiáng)度時(shí)要對(duì)密度等級(jí)進(jìn)行評(píng)定是一致的。

3)從表6的方差分析中可知，因素A，B的水平變化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響不顯著，因素C的水平變化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響顯著，表明密度等級(jí)對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響顯著，砂率和水灰比對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響不顯著，與極差分析的結(jié)果一致。

4)綜合分析可知，最優(yōu)配比組合A1B4C4在文中成型工藝下，可以使復(fù)合保溫混凝土砌塊抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大，即復(fù)合保溫混凝土砌塊的承重性能最優(yōu)。

3 結(jié)論

為研究新型復(fù)合保溫混凝土配合比，選擇以陶粒作為輕骨料制作混凝土試塊。通過(guò)以試塊抗壓強(qiáng)度為目標(biāo)，研究配合比設(shè)計(jì)參數(shù)水灰比、砂率、密度等級(jí)對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)合振動(dòng)加壓成型工藝制作16組48個(gè)立方塊。通過(guò)對(duì)抗壓強(qiáng)度正交試驗(yàn)的極差分析、方差分析可得出以下結(jié)論：

1)陶?；炷林械蛷?qiáng)度的陶粒通過(guò)包裹一層較厚的水泥漿層，依靠硬化水泥漿增加混凝土的強(qiáng)度，配合比設(shè)計(jì)參數(shù)水灰比、砂率、密度等級(jí)對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響程度為密度等級(jí)>水灰比>砂率。

2)以陶粒作為輕骨料的新型保溫混凝土的最優(yōu)配合比組合為A1B4C4：水灰比取0.2，砂率60%，密度等級(jí)為1 900 kg/m3。在該配比組合下，新型復(fù)合保溫混凝土砌塊的承重性能最優(yōu)。

綜上所述，針對(duì)復(fù)合保溫混凝土砌塊的承重性能，考慮加壓成型工藝不同，結(jié)合陶粒混凝土強(qiáng)度機(jī)理，對(duì)配合比建議靈活取用。水灰比取0.2～0.4，砂率取40%～60%時(shí)基本能被水泥漿體完全包裹，該砂率取值下的密度等級(jí)取為1 400 kg/m3～1 900 kg/m3。