納米材料改性粉煤灰輕質(zhì)節(jié)能墻板試驗研究*

楊成梅

( 烏魯木齊職業(yè)大學(xué), 新疆烏魯木齊 830002)

2016 年，國務(wù)院提出爭取在2026 年實現(xiàn)裝配式建筑建設(shè)比例30%的目標，推動綠色建筑產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。在國家政策的支持下，裝配式建筑迎來重大發(fā)展機遇。國家住建部于2017 出臺的《建筑業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》更是提出綠色建筑到2020 年達到50%，綠色建材的應(yīng)用比例要超過40%［1］。其中，墻體材料作為綠色建材的重要部分，具有豐富的種類，如空心磚、建筑砌塊等。但實踐表明，空心磚雖然可減少粘土的量，但容易破損，且整體性差；建筑砌塊雖不使用粘土，但保溫隔熱性能差；建筑板材滿足輕質(zhì)、保溫和節(jié)能的優(yōu)點，但施工要求高，且無法作為承重墻進行使用。因此，開發(fā)新型的復(fù)合墻板成為當前思考的重點。為既滿足環(huán)保、輕質(zhì)、節(jié)能和保溫，又能夠承重的建筑板材，封雷、劉家欽等研究者提出型鋼混凝土墻板，通過在傳統(tǒng)建筑板材中加入型鋼結(jié)構(gòu)，從而提高板材的承重，同時滿足輕質(zhì)、保溫等功能；胡志鵬等則從墻板材料本身改性入手，在通風(fēng)墻板中加入相變材料，以提高墻體材料的保溫性能［2］；陳一全提出在寒冷地區(qū)采用預(yù)制裝配式保溫結(jié)構(gòu)一體化的墻板［3］。以上學(xué)者為新型墻體材料的革新提供了新的思路，但受到施工條件的影響，很多墻板在實際工程運用中存在困難。對此，為滿足裝配式墻體材料的要求，基于封雷等人的研究思路，嘗試用納米材料改性鋼骨架- 粉煤灰陶粒混凝土，從而制備一種新型的墻板材料。

1 材料與方法

1.1 主要材料與設(shè)備

本試驗所用材料與設(shè)備見表1、表2。

表1 主要材料Table 1 Main test materials

表2 主要設(shè)備名稱Table 2 Main test equipment

本試驗用鋼骨架結(jié)構(gòu)如圖2 所示。其中，橫撐鋼材強度等級Q235B，斜撐鋼材強度等級為HRB335，節(jié)點采用E43 焊條手工電弧焊接。

1.2 試驗過程

1.2.1 陶粒粉煤灰混凝土配合比設(shè)計

為得到EPS 顆粒改性粉煤灰陶?；炷恋淖罴雅浜媳?，本研究基準配合比的計算基于松散體積法，強度和密度分別為C25 和1750kg/m3。以粉煤灰摻量、EPS 顆粒摻量、聚羧酸高效減水劑摻量和水灰比作為考察因素，設(shè)計四因素三水平的正交試驗表。

參考《粉煤灰混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》中的相關(guān)規(guī)定［4］，選擇10%、15%、20% 的粉煤灰取代水泥率進行試驗，超量系數(shù)為1.5。因為EPS 顆粒摻量能夠直接影響陶粒粉煤灰混凝土的抗壓強度及表干密度，且本試驗?zāi)康氖羌{米改性制備粉煤灰輕質(zhì)節(jié)能墻板，所以EPS 顆粒的體積摻量需符合《嚴寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標準》中的相關(guān)換算關(guān)系。EPS 顆粒納米材料摻量計算采用公式(1) 進行計算：

式(1) 中， ρmaxtrix表示水泥漿密度，本研究取值為2000kg/m3; ρconcrete表示粉煤灰陶?；炷撩芏?，本研究取值為1600～1800 kg/m3； ρEPS為EPS 的密度，本研究取值為30kg/m3； EVEPS為EPS 的體積摻量。

根據(jù)以上分析，可得0.101～0.203 為EPS 顆粒最佳體積摻量，因此選擇10%、15%、20% 的EPS 顆粒取代砂率進行正交試驗。具體正交試驗因素水平表和粉煤灰陶粒混凝土用量配合比見表3 和表4。

表3 正交試驗因素水平表Table 3 Orthogonal test factor level table

表4 粉煤灰陶?；炷敛牧嫌昧颗浜媳?單位：kg/m3)Table 4 Mix proportion of fly ash ceramsite concrete

1.2.2 EPS 顆粒改性陶粒粉煤灰混凝土制備

EPS 顆粒改性粉煤灰陶粒混凝土的制備流程如圖1所示。考慮到EPS 的親油性，在制備前對EPS 顆粒進行浸泡預(yù)濕1h，然后按照以下步驟進行制備：

（1）將粗骨料（EPS 顆粒、粉煤灰陶粒）、細骨料（砂子）、摻合料（粉煤灰）用人工搗鼓的方式進行攪拌。攪拌均勻后，加入水泥拌合0.5min。

（2）加入一定量的外加劑和水，繼續(xù)攪拌2.5min，得到拌和物。

（3）將拌和物澆筑成型，制備成所需的試件。在澆筑成型的過程中，對振搗時間加以控制，避免出現(xiàn)輕骨料上浮現(xiàn)象。在混凝土初凝前，再次進行收漿，以避免粉煤灰陶?；炷脸尚椭幸蚋×Ｔ斐稍嚰姸戎蹬c設(shè)計值產(chǎn)生較大差異。

圖1 粉煤灰陶?；炷林苽淞鞒蘁ig.1 Preparation process of fly ash ceramsite concrete

試件制備數(shù)量見表5。

表5 試件數(shù)量與尺寸Table 5 Specimen conditions

1.2.3 鋼骨架- 粉煤灰陶?；炷翉?fù)合墻板制備

（1）鋼骨架準備。圖2 為本試驗用鋼骨架圖。每個鋼骨架包含4 根槽鋼立柱。骨架變柱分別為柱A 和柱C，中柱B、C 腹板焊接在一起，整體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)為工字型鋼。試驗前，在圖2 的黑點處粘貼應(yīng)變片，沿高度方向每個應(yīng)變片間隔距離為250mm；在上下導(dǎo)軌方向應(yīng)變片間距150mm。

圖2 鋼骨架及應(yīng)變片布置圖Fig. 2 Layout steel frame and strain gauge

（2）墻板模具提前刷油，用混凝土澆筑在模具底層。將貼好應(yīng)變片及包裹保護的鋼骨架放置在混凝土上，再用混凝土澆筑在頂層。

（3）養(yǎng)護成型后脫模，在圖3 所示墻體表面位置粘貼應(yīng)變片。

圖3 混凝土表面應(yīng)變片布置Fig. 3 Arrangement of strain gauges on concrete surface

1.3 性能測試

性能測試分為兩部分：一是對納米改性粉煤灰陶粒混凝土性能進行測試，二是對鋼骨架- 粉煤灰陶?；炷列阅苓M行測試。

1.3.1 粉煤灰陶粒混凝土性能測試

(1) 抗壓強度試驗

參考《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標準》的要求［5］，制備標準尺寸粉煤灰陶粒混凝土試件，養(yǎng)護至指定齡期取出。將試件放置于壓力試驗機中心，以0.3MPa/s 的速率施加壓力，直至試件破壞，記錄試件破壞時的最大荷載。

(2) 劈拉強度試驗

將試件放置在萬能試驗機球座上。放置時幾何對中，劈拉方向與成型時頂面垂直。對試件按照0.03MPa/s 的速率施加荷載，試件破壞后停止加載，記錄破壞時的最大荷載。劈拉強度計算公式為［6-8］：

式(2) 中：Rt表示混凝土的劈拉強度，單位為MPa；P 表示極限荷載，單位為N；A 表示試件的劈裂面面積，單位為mm2；

(3)導(dǎo)熱系數(shù)測試

將DZDR-S 瞬態(tài)平面熱源法導(dǎo)熱儀探頭放置在制備的試件之間，探頭上電壓變化用惠斯通電橋原理檢測，得到粉煤灰陶?；炷恋膶?dǎo)熱系數(shù)。

(4)干表觀密度測試

參照《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》的標準要求［9-10］，采用破碎試件烘干法對粉煤灰陶?；炷吝M行干表觀密度測定。具體方法為：稱取試驗試件、抗壓強度測試破碎試件1kg、將1kg 破碎試件烘干至恒重，對自然含水時粉煤灰陶?；炷撩芏?nρ 及含水率Wc進行測定，然后用公式(3)對干表觀密度進行計算：

式(3) 中，dρ 表示粉煤灰陶?；炷粮杀碛^密度，單位為kg/m3；nρ 表示自然含水時粉煤灰陶?；炷恋谋砀擅芏?，單位為kg/m3；cW 表示粉煤灰陶?；炷恋暮?。

1.4 鋼骨架-粉煤灰陶?；炷翉?fù)合墻板力學(xué)性能測試

為測試本研究制備的復(fù)合墻板的力學(xué)性能，采用山東億宸試驗儀器有限公司制備的壓力試驗機分別對復(fù)合墻板和單一的粉煤灰陶?；炷翂Π暹M行測試試驗。分別按照圖3 和圖4 的位置布置應(yīng)變片和位移計。將位移計導(dǎo)線根據(jù)編號與應(yīng)變測試分析系統(tǒng)的相應(yīng)通道進行連接，用全橋連接方式進行連接。用1/4 橋加溫度補償片方法。檢查應(yīng)變通道應(yīng)變和位移通道是否保持平衡狀態(tài)，確定無誤后用壓力試驗機對試件施加荷載。當荷載達到預(yù)估荷載的80% 時，移除位移計，繼續(xù)施壓，直至試件破壞。為確定鋼架- 陶瓷粉煤灰混凝土墻板性能，對單一的陶瓷粉煤灰混凝土作為對照組進行軸壓偏壓試驗。

圖4 位移計布置Fig. 4 Displacement gauge arrangement

2 結(jié)果與討論

2.1 納米改性粉煤灰-陶?；炷恋幕拘阅?/h3>

表6 為粉煤灰陶?；炷粱玖W(xué)性能測試結(jié)果。由表6 可知，隨著粉煤灰陶?；炷僚浔鹊淖兓嚰箟簭姸?、劈拉強度、干表觀密度、試件導(dǎo)熱系數(shù)的整體變化趨勢一致。相同配比的粉煤灰陶?；炷量箟簭姸仁桥瓘姸鹊?0～12 倍，且干表觀密度越大對應(yīng)的導(dǎo)熱系數(shù)就越大，最大干表觀密度為1807kg/m3，小于1950kg/m3，滿足相關(guān)規(guī)范要求。

表6 粉煤灰陶?；炷粱拘阅躎able 6 Test results of basic properties

因為抗壓強度和劈拉強度、干表觀密度和導(dǎo)熱系數(shù)的變化趨勢一致，所以選取抗壓強度和干表觀密度的正交結(jié)果進行分析。其中，表7 為抗壓強度極差分析結(jié)果，表8 為干表觀密度極差分析結(jié)果。根據(jù)以上兩表數(shù)據(jù)可知，對粉煤灰陶?；炷量箟簭姸扔绊懽畲蟮臑镋PS 顆粒，其次為水灰比，然后依次為粉煤灰摻量和減水劑摻量；對粉煤灰陶?；炷粮杀碛^密度影響最大為EPS 顆粒，然后依次為減水劑摻量、水灰比和粉煤灰摻量。而伴隨著EPS 顆粒摻入量的增加，抗壓強度和干表觀密度都逐漸減小，在摻量為10% 和15% 時，抗壓強度和干表觀密度幾乎相等。當摻量超過15%，抗壓強度和干表觀密度快速下降。隨水灰比的減小，抗壓強度和干表觀密度變現(xiàn)為先增加后減小，在水灰比為0.36 時，粉煤灰陶?；炷恋目箟簭姸冗_到最大；隨粉煤灰摻量的增加，干表觀密度和抗壓強度先增加后減小；當粉煤灰摻量為20%，干表觀密度上升，抗壓強度表現(xiàn)為最大值；隨減水劑摻量的增加，粉煤灰陶?；炷量箟簭姸缺憩F(xiàn)出先減小后增加的趨勢，因此減水劑的最佳摻量為0.5%。

表7 抗壓強度極差分析Table 7 Analysis of compressive strength range

表8 干表觀密度極差分析Table 8 Dry apparent density range analysis

綜上得出，輕質(zhì)保溫混凝土的最佳配合比為E4 組。

表9 為按照最佳配合比制備試驗試塊基本力學(xué)性能測試結(jié)果的平均值。

表9 最優(yōu)配合比試驗數(shù)據(jù)平均值Table 9 Average value of optimal mix proportion test data

2.2 復(fù)合墻板豎向受力性能分析

表10 為兩組復(fù)合墻板和未改性粉煤灰陶?；炷翂Π宓妮S壓試驗結(jié)果。結(jié)合極限承載力應(yīng)- 變曲線，復(fù)合墻板的極限承載力為1418.28kN，而單一粉煤灰陶?；炷翂Π宓臉O限承載力為120.17kN，同時未改性的墻板的極限承載力為1217.58kN，說明EPS 改性鋼結(jié)構(gòu)- 煤灰陶?；炷翂Π蹇稍谝欢ǔ潭忍岣邏Π宓目箟簭姸取?/p>

表10 復(fù)合墻板軸壓墻板力學(xué)與極限位移Table 10 Statistics of composite wallboard under axial compression

3 結(jié)論

（1）通過四因素三水平的正交試驗，確定了粉煤灰陶粒混凝土的最佳配合比為E4。在最佳配比下制備得到的粉煤灰陶?；炷恋目箟簭姸?、劈拉強度、導(dǎo)熱系數(shù)和干表觀密度分別為28.4MPa、2.85MPa、0.6285W/m?K 和1775kg/m3。

（2）通過軸壓試驗表明，單一的未改性粉煤灰陶?；炷翂Π宓臉O限承載力為120.24kN，改性的復(fù)合墻板的極限承載力為1418.28kN，同時未改性的鋼結(jié)構(gòu)- 粉煤灰陶粒混凝土墻板的極限承載力為1217.58kN，說明加入一定量的EPS 納米材料改性的復(fù)合墻板抗壓強度有一定提升。