玻化微珠保溫混凝土性能的試驗(yàn)研究

邱貞發(fā) 劉東城 連躍宗 張會(huì)芝

(三明學(xué)院建筑工程學(xué)院，福建 三明 365004)

0 前言

目前，世界面臨著能源危機(jī)，而建筑耗能又占有很大的比例，建筑節(jié)能已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外關(guān)注的焦點(diǎn)，針對(duì)這種情況發(fā)達(dá)國(guó)家早已從建筑節(jié)能著手來(lái)緩解能源危機(jī)。［1－3］我國(guó)也頒布了一系列的建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)，采取一系列的節(jié)能措施來(lái)解決能源問(wèn)題。［4－5］加強(qiáng)墻體結(jié)構(gòu)的保溫隔熱措施，是建筑節(jié)能的重要組成部分;而玻化微珠混凝土是新型綠色環(huán)?；炷?，是在傳統(tǒng)的混凝土中加入輕骨料“玻化微珠”及外加劑而形成的一種既具有傳統(tǒng)混凝土力學(xué)性能又具有保溫性能的人造石材。［6－7］由于?；⒅榫哂匈|(zhì)輕、導(dǎo)熱系數(shù)低、防火、耐高低溫、抗老化及理化性能穩(wěn)定等良好性能，可使摻有?；⒅榈幕炷练阑?、耐久性、保溫性能等有所提高，因此特別適用于有保溫節(jié)能要求的建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件。這種新型?；⒅榛炷潦且环N真正意義上的綠色環(huán)保產(chǎn)品，在創(chuàng)造巨大經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益的同時(shí)，也凈化了環(huán)境，具有極佳的環(huán)境效益。?；⒅榛炷恋难芯窟€處于初級(jí)階段，進(jìn)一步確定其配合比及力學(xué)性能指標(biāo)是目前亟需解決的問(wèn)題，在解決問(wèn)題的同時(shí)也為國(guó)家的環(huán)保節(jié)能做出了貢獻(xiàn)。

基于以上認(rèn)識(shí)，本文結(jié)合建筑垃圾的混凝土再生利用，選取再生粗骨料取代率為100%，對(duì)不同再生細(xì)骨料取代率及?；⒅轶w積摻量對(duì)混凝土性能的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并得出一些有意義的結(jié)論。

1 ?；⒅楸鼗炷恋呐浜媳仍O(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)原材料

再生粗骨料及試驗(yàn)所用材料參數(shù)詳見文獻(xiàn)［8］，再生細(xì)骨料的主要性能見表1。?；⒅?粒度0.5～1.5 mm，容重 110 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)0.047～0.054 W/(m·K)，筒壓強(qiáng)度38% ～46%，耐火度1 280℃ ～1 360℃。

表1 再生細(xì)骨料的主要性能

1.2 ?；⒅楸鼗炷僚浜媳仍O(shè)計(jì)

參考JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》進(jìn)行再生保溫混凝土的配合比設(shè)計(jì)，再生混凝土的試配強(qiáng)度可以按以下公式確定:

σ的取值見表2，取σ =5.0，由此得出fcu，0=38.225 MPa

表2 σ取值表

由于再生集料的吸水率較大，且不同來(lái)源的再生集料的吸水率差別也較大，因而與普通混凝土不同的是，再生混凝土的用水量或水灰比必須考慮再生集料的吸水率。

再生混凝土的用水量和水灰比，可分總用水量和總水灰比與凈用水量和凈水灰比。所謂凈用水量指的是不包括再生集料吸水率在內(nèi)的混凝土用水量，相應(yīng)的水灰比則為凈水灰比。而總用水量則是指包括再生集料吸水率在內(nèi)的混凝土用水量，相應(yīng)的水灰比則為總水灰比。

由于不同再生集料的吸水率差別較大，所以在再生混凝土配合比設(shè)計(jì)中水灰比通常用凈用水量或凈水灰比表示。只有在使用再生細(xì)集料時(shí)，由于再生細(xì)集料的吸水率很難準(zhǔn)確測(cè)定，才允許用總用水量和總水灰比表示。［9］

根據(jù)已知的再生混凝土的試配強(qiáng)度f(wàn)cu，0及所用水泥的實(shí)際強(qiáng)度或水泥強(qiáng)度等級(jí)，按照混凝土強(qiáng)度公式計(jì)算出凈水灰比為:

回歸系數(shù)根據(jù)JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》取值為0.46，0.07。

其中，rc為水泥強(qiáng)度等級(jí)值的富余系數(shù)，可按實(shí)際統(tǒng)計(jì)資料確定;fce，g為水泥強(qiáng)度等級(jí)值(MPa)。

取rc=1.13，fce，g=42.5 得出再生混凝土的凈水灰比為0.56?？紤]到再生混凝土的力學(xué)及耐久性能較普通混凝土低，進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)時(shí)適當(dāng)調(diào)低參考的凈水灰比0.01～0.05，因此采用再生混凝土的凈水灰比取0.55。

考慮到試驗(yàn)的?；⒅楸鼗炷林饕糜诨炷列⌒涂招钠鰤K，該類砌塊是采用半自動(dòng)或全自動(dòng)砌塊成型機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)的，成型后立即脫模，所以必須采用干硬性混凝土，因此本文取再生混凝土的坍落度為10～30 mm。根據(jù)生產(chǎn)混凝土空心砌塊要求的坍落度和粗集料的最大粒徑查閱JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》的相應(yīng)表格，確定單方混凝土的參考用水量，并在此基礎(chǔ)上增加5%作為最終的凈用水量(表3)。取單方再生混凝土的參考凈用水量為270～285 kg/m3。

表3 再生混凝土的不同粒徑凈用水量

根據(jù)實(shí)測(cè)的再生粗集料吸水率，求出每立方米再生混凝土的附加用水量。凈用水量與附加用水量之和為每立方米再生混凝土的總用水量，即:

其中，mwt為每立方米再生混凝土的總用水量(kg);mwn為每立方米再生混凝土的凈用水量(kg);mwa為每立方米再生混凝土的附加用水量(kg);mg為每立方米再生混凝土的粗集料用量(kg);Wwg為再生粗集料的吸水率(%);r為再生粗集料的取代率(%)。

查閱JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》，水灰比為0.25，粗骨料最大粒徑為10 mm，選取砂率為0.4。綜上所述，初定再生混凝土的基準(zhǔn)組配合比參數(shù)為:凈水灰比為0.25，砂率為0.4，單方凈用水量為270 kg/m3，再生粗骨料摻量100%，水泥用量384 kg/m3，水泥體積(m3):

根據(jù)已確定的凈用水量、水泥用量、砂率，通過(guò)式(7)和式(8)用體積法分別求得再生粗骨料、砂的用量:

式(7)中，α為再生混凝土的含氣量百分?jǐn)?shù)，初步取值為1%。

由此可得，再生粗骨料的用量mg=1 205 kg/m3，砂的用量301 kg/m3，水的用量mw=285 kg/m3。

因此再生混凝土初步配合比為:水灰比0.25，每立方米混凝土中各材料用量為:再生粗骨料用量1 205 kg/m3，水泥用量384 kg/m3，粉煤灰用量96 kg/m3，大田中砂用量301 kg/m3，水用量285 kg/m3。

再生粗骨料的取代率為100%，再生細(xì)骨料的取代率分別0%、50%、100%，?；⒅閾搅咳≌蓟炷量傮w積比 120%、110%、100%、90%、80%、60%，進(jìn)行再生混凝土的試配，則再生混凝土配合比初步設(shè)計(jì)如表4所示。表4中①為中砂用量，NC為301 kg/m3，其余為7.52 kg/m3，即再生細(xì)骨料取代率0%;②為再生細(xì)骨料和中砂，NC為150.5 kg/m3，其余為3.76 kg/m3，即再生細(xì)骨料取代率50%;③為再生細(xì)骨料，NC為301 kg/m3，其余為7.52 kg/m3，即再生細(xì)骨料取代率100%。

表4 再生混凝土配合比初步設(shè)計(jì)

2 玻化微珠保溫混凝土試驗(yàn)結(jié)果分析

?；⒅楸鼗炷恋臏y(cè)試結(jié)果詳見表5及圖1～圖4。

圖1 不同細(xì)骨料取代率時(shí)?；⒅閾搅亢?8 d抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

圖2 不同細(xì)骨料取代率時(shí)?；⒅閾搅亢蛯?dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系

圖3 不同細(xì)骨料取代率時(shí)?；⒅閾搅亢兔芏鹊年P(guān)系

圖4 不同細(xì)骨料取代率時(shí)密度和導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系

表5 再生保溫混凝土試驗(yàn)結(jié)果

由表5及圖1～圖4可知:

1)不同再生細(xì)骨料取代率時(shí)，隨?；⒅轶w積摻量的增加，混凝土28 d抗壓強(qiáng)度均降低;相同的玻化微珠體積摻量時(shí)，細(xì)骨料取代率越大，混凝土28 d抗壓強(qiáng)度越低，但在?；⒅轶w積摻量為80%、細(xì)骨料取代率50%時(shí)的強(qiáng)度反而比不摻加細(xì)骨料時(shí)略高，這可能是由于細(xì)骨料吸水率較大，導(dǎo)致有效水灰比降低而造成的，其機(jī)理有待于進(jìn)一步深入研究。

2)隨?；⒅轶w積摻量的增加，不同再生細(xì)骨料取代率的混凝土導(dǎo)熱系數(shù)均降低，表明其保溫性能增加，且?；⒅閾搅繛?% ～60%時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)降低的幅度更大;相同的?；⒅轶w積摻量時(shí)，細(xì)骨料取代率越大，相應(yīng)的導(dǎo)熱系數(shù)越低。這與玻化微珠再生混凝土的自保溫機(jī)理有關(guān)，即自保溫的實(shí)現(xiàn)是由于?；⒅楸旧硎禽p質(zhì)的封閉氣孔，其導(dǎo)熱系數(shù)較低，保溫性能較好，體積摻量越多，在再生混凝土分布的封閉氣孔就越多，導(dǎo)致其密度、強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)均降低;但由于再生細(xì)骨料本身具有一定的孔隙，因此隨著再生細(xì)骨料摻量的增加，使再生混凝土中孔隙分布更多，以致出現(xiàn)以上試驗(yàn)現(xiàn)象。

3)隨著?；⒅轶w積摻量的增加，混凝土密度均降低，玻化微珠體積摻量在0% ～60%區(qū)間時(shí)降低的幅度更大;?；⒅轶w積摻量相同時(shí)，再生細(xì)骨料取代率越大，再生混凝土的密度越小。

4)再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)隨著密度降低而減小，且隨再生細(xì)骨料取代率的增大，密度降低導(dǎo)致的導(dǎo)熱系數(shù)降低的幅度也越大，這與以往的研究結(jié)論一致。［10］其原因如下:再生混凝土密度降低主要是由于?；⒅轶w積摻量增大和再生細(xì)骨料取代率增加而導(dǎo)致的，而無(wú)論是?；⒅檫€是再生細(xì)骨料，本身都有一定的空隙，摻量增加，使混凝土材料空隙更多，導(dǎo)致其密度下降，導(dǎo)熱系數(shù)降低，保溫性能增加。由圖4可以預(yù)測(cè)，如采取適當(dāng)摻加外加劑等措施，使再生自保溫混凝土材料密度降低到1 800 kg/m3以下時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)將進(jìn)一步降低。

3 結(jié)論

本文探討了?；⒅楸鼗炷恋呐浜媳仍O(shè)計(jì)，再生粗骨料取代率為100%，試驗(yàn)研究了再生細(xì)骨料取代率及玻化微珠體積摻量對(duì)?；⒅楸鼗炷列阅艿挠绊?，試驗(yàn)結(jié)果表明:

隨著?；⒅轶w積摻量的增加，不同再生細(xì)骨料取代率時(shí)的玻化微珠保溫混凝土的密度、導(dǎo)熱系數(shù)及28 d抗壓強(qiáng)度均降低;再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)隨著密度降低而減小，且隨再生細(xì)骨料取代率的增大，密度降低導(dǎo)致的導(dǎo)熱系數(shù)降低的幅度也越大，可以預(yù)測(cè)，如采取適當(dāng)摻加外加劑等措施，使再生自保溫混凝土材料密度降低到1 800 kg/m3以下時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)將進(jìn)一步降低。試驗(yàn)結(jié)果對(duì)于?；⒅榛炷帘匦阅艿膬?yōu)化設(shè)計(jì)具參考價(jià)值。

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