自保溫再生混凝土的配合比優(yōu)化設(shè)計

張會芝, 劉紀(jì)峰,2* ,崔秀琴

(1. 三明學(xué)院 建筑工程學(xué)院, 福建 三明 365004;2. 密歇根州立大學(xué) 工學(xué)院, 美國密歇根州 東蘭辛市 MI48823)

0 引言

近年來，隨著國家經(jīng)濟發(fā)展和基礎(chǔ)建設(shè)投入加大，對混凝土及其原材料砂石料的需求巨大，開山采石生產(chǎn)砂石料導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境破壞.同時，伴隨著能源的日益緊張和國家對環(huán)境保護的重視，建筑垃圾的資源化利用越來越受到專家學(xué)者的關(guān)注，并在廢舊混凝土再生利用方面做了大量卓有成效的工作.肖建莊[1-2]、李秋義[3]、鄭建嵐[4]、Vivian W Y T[5]等為再生混凝土的工程應(yīng)用進行了有意義的研究；張澤平[6]對?；⒅楸鼗炷吝M行了研究，證實了普通混凝土中摻加?；⒅榕渲谱员鼗炷恋目尚行?

與天然骨料相比，再生骨料強度低、孔隙率大、吸水率高，這些特性導(dǎo)致新拌再生混凝土水灰比增大及工作性能和彈性模量降低，收縮和徐變增大，因此各國對再生混凝土應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)尚持謹(jǐn)慎態(tài)度[7].但再生骨料具有多孔隙特性，保溫性能比天然骨料好，將再生混凝土應(yīng)用于非受力結(jié)構(gòu)，如采用振動擠壓模制作再生混凝土建筑墻體砌塊，其對混凝土坍落度要求不高，只需要較小的用水量即可滿足要求，因此可以有效避免再生混凝土的上述缺陷，同時又充分利用了再生混凝土傳熱系數(shù)小的優(yōu)勢，其空心砌塊將更有利于墻體節(jié)能.基于以上認(rèn)識，本文對適合生產(chǎn)空心砌塊的自保溫再生混凝土的優(yōu)化配合比及其物理力學(xué)性能進行了試驗研究.

1 自保溫再生混凝土的配合比設(shè)計

1.1 試驗原材料

再生骨料由強度等級為C20～C45(C20、C30、C35、C40、C45的質(zhì)量比為1∶4∶3.5∶0.5∶1)的廢棄混凝土試塊通過顎式破碎機和立式復(fù)合破碎機二次破碎加工而成，最大粒徑為25 mm.再生粗骨料表觀密度2 340.5 kg/m3，針片狀含量8%，吸水率7.8%，壓碎指標(biāo)13.0，含泥量0.8%.再生細骨料表觀密度2 330.1 kg/m3，細度模數(shù)2.9，吸水率8.9%，空隙率42%，含泥量1.9%.砂為大田中砂，細度模數(shù)為2.7，表觀密度為2 764 kg/m3.減水劑為聚羧酸系減水劑.水為普通自來水.?；⒅椋毫６?.5～1.5 mm，容重110 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)0.047～0.054 W/(m·k)，筒強度38%～46%，耐火度1 280℃～1 360 ℃.

1.2 試驗設(shè)計及測試

參考《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》(JGJ55-2010)進行自保溫再生混凝土的配合比設(shè)計.經(jīng)計算，再生混凝土配合比確定為：水灰比0.25，每立方米混凝土中各材料用量為：水泥384 kg/m3，再生粗骨料1 205 kg/m3，大田中砂301 kg/m3，粉煤灰96 kg/m3.考慮細骨料孔隙吸水導(dǎo)致參加水化反應(yīng)的實際拌合水減少的問題，水用量需要計算再生細骨料飽和面干時的含水率，折算成“有效拌合水”用量后進行取值.經(jīng)計算不同細骨料取代率時的混凝土用水量取270～285 kg/m3.

再生粗骨料的質(zhì)量取代率為100%，再生細骨料的質(zhì)量取代率分別為0%、50%、100%，玻化微珠摻量分別為取混凝土總的120%、110%、100%、90%、80%、60%(見表1).

混凝土攪拌和標(biāo)準(zhǔn)試件制作過程如下：先將攪拌機濕潤，然后加入中砂或再生細骨料，隨后加入粗骨料，預(yù)先攪拌均勻，最后加入水，攪拌3 min左右測試新拌混凝土的坍落度，如滿足要求則制作每一配合比的標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊2組共6塊.將新拌混凝土倒入標(biāo)準(zhǔn)試模，放在標(biāo)準(zhǔn)振動臺振動成型，振動結(jié)束后和收漿時各抹平一次，使混凝土表面和試模邊緣高低差小于0.5 mm，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室24 h后拆模，7 d、28 d各取1組試塊依據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50081-2002)測其抗壓強度，測試設(shè)備為TYE-2000A型壓力試驗機.

表1 自保溫再生混凝土配合比及試驗結(jié)果

注： 表1中,W為水質(zhì)量，F(xiàn)為粉煤灰質(zhì)量，C為水泥質(zhì)量，RC為再生粗骨料質(zhì)量，RF為再生細骨料質(zhì)量，S為砂質(zhì)量，B為?；⒅轶w積摻量，28 dS為立方體試塊28 d抗壓強度，TI為導(dǎo)熱系數(shù)，D為密度.

導(dǎo)熱系數(shù)檢測選用沈陽紫薇機電設(shè)備有限公司生產(chǎn)的CD-DR3030導(dǎo)熱系數(shù)測定儀，該儀器采用雙試件防護熱板法(GB10294-2008)，由微機自動控制系統(tǒng)、計量加熱單元、冷板單元、防護單元、外防護單元、測量系統(tǒng)、壓緊系統(tǒng)、制冷機構(gòu)等組成，其測量范圍為0.02～1.00 W/(m·K).CD-DR3030導(dǎo)熱系數(shù)測定儀測試原理為雙平板法.假定一個平壁由勻質(zhì)材料構(gòu)成，壁厚為δ，當(dāng)熱傳遞達到平衡時，平板兩側(cè)表面溫度趨于穩(wěn)定，其值分別為tw1和tw2，平板的表面積為A，平壁無任何形式的內(nèi)熱源，在此溫度范圍內(nèi)，平壁材料的導(dǎo)熱系數(shù)可以視為常數(shù).基于以上幾個條件，可以將問題作為一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱來考慮：

(1)

邊界條件為

t|x=0=tw1；t|x=δ=tw2.

(2)

由式(1)和式(2)求解可以得出：

(3)

將式(3)代入到傅里葉導(dǎo)熱定律，得到單層平壁的熱流密度為

(4)

變形可以得出雙平板法的導(dǎo)熱系數(shù)公式為

(5)

式中:λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；tw1和tw2分別代表熱板和冷板的平均溫度，K；δ為再生混凝土平板的平均厚度，m；A為平板的表面積，m2；Q為平板傳遞的熱量，W.

試件為長×寬×厚為300 mm×300 mm×15 mm的自保溫再生混凝土薄板，由自制的鋼板試模制作.加工過程中要特別注意表層收光抹平，試件測試前要再用細砂紙磨平1～2次，以減少試件表面不平整可能導(dǎo)致的誤差，試驗結(jié)果見表1.

2 結(jié)果與分析

2.1 ?；⒅轶w積摻量對28 d強度的影響

不同細骨料取代率時28 d立方體抗壓強度和?；⒅轶w積摻量關(guān)系如圖1所示.由圖1可知：不同細骨料取代率時，隨?；⒅轶w積摻量的增加，試塊的28 d立方體抗壓強度均降低，?；⒅轶w積摻量在60%～100%區(qū)間時，28 d立方體抗壓強度降低幅度相對較少；?；⒅轶w積摻量在100%～120%區(qū)間時，28 d立方體抗壓強度降低幅度相對較大；細骨料取代率50%時，玻化微珠體積摻量由110%增加到120%時，試塊28 d立方體抗壓強度降低幅度最大；不同細骨料取代率時的?；⒅轶w積摻量和28 d立方體抗壓強度關(guān)系可由多項式進行擬合.

細骨料取代率為0%、50%和100%時，?；⒅轶w積摻量和28 d立方體抗壓強度的擬合式如式(6)所示.式(6)中A=[36.95,37.39,28.95]T，B=[-5.26,-5.54,1.29]T，C=[1.65,1.82,-0.57]T，D=[-0.17,-0.2,0.05]T，對應(yīng)的擬合系數(shù)分別為0.987、0.963和0.999.

y=A+Bx+Cx2+Dx3.

(6)

圖1 不同細骨料取代率時?；⒅轶w積摻量對28 d強度的影響

考慮再生細骨料取代率和玻化微珠體積摻量兩個因素對28 d立方體抗壓強度的影響，將表1中的再生細骨料一列數(shù)值用無量綱的取代率表示，并轉(zhuǎn)置為X1列，?；⒅轶w積摻量轉(zhuǎn)置為X2列，強度轉(zhuǎn)置為Y列，并用Matlab7.0編程，得出二者綜合作用時與基準(zhǔn)混凝土28 d強度關(guān)系，結(jié)果如式(7)和圖2所示.

y=40.26×(0.6672I+0.0234X1+0.4745X2-

(7)

其中I為元素全為1的列向量.

圖2 再生細骨料取代率和?；⒅轶w積摻量對28 d強度的影響

2.2 玻化微珠體積摻量對導(dǎo)熱系數(shù)的影響

不同細骨料取代率時的導(dǎo)熱系數(shù)和?；⒅轶w積摻量關(guān)系如圖3所示.由圖3可知：不同細骨料取代率時，隨?；⒅轶w積摻量的增加，試件的導(dǎo)熱系數(shù)均降低，但細骨料取代率不同時，?；⒅轶w積摻量對導(dǎo)熱系數(shù)影響的程度不同. 細骨料取代率100%時，?；⒅轶w積摻量對導(dǎo)熱系數(shù)的影響程度最大.不同細骨料取代率時的?；⒅轶w積摻量和導(dǎo)熱系數(shù)關(guān)系可由多項式進行擬合.細骨料取代率為0%、50%和100%時，玻化微珠體積摻量和導(dǎo)熱系數(shù)的多項擬合式如式(8)所示，式(8)中A=[0.666,0.674,0.677]T，B=[-0.017,-0.0198,0.0032]T，C=[0.0012,0.0015,-0.00234]T，對應(yīng)的擬合系數(shù)分別為0.992、0.953和0.975.

y=A+Bx+Cx2.

(8)

圖3 不同細骨料取代率時?；⒅轶w積摻量對導(dǎo)熱系數(shù)的影響

如2.1節(jié)再生細骨料取代率和?；⒅轶w積摻量兩個因素對28 d立方體抗壓強度影響的分析方法，可得出二者綜合作用時與基準(zhǔn)混凝土導(dǎo)熱系數(shù)關(guān)系式，結(jié)果如式(9)和圖4所示.

y=0.9787×(0.7108I+0.0009X1-0.0842X2-

(9)

圖4 再生細骨料取代率和?；⒅轶w積摻量對導(dǎo)熱系數(shù)的影響

2.3 ?；⒅轶w積摻量對密度的影響

不同細骨料取代率時的密度和?；⒅轶w積摻量關(guān)系如圖5所示.由圖5可知：不同細骨料取代率時，密度均隨玻化微珠體積摻量的增加而降低，在?；⒅轶w積摻量為60%～100%區(qū)間，細骨料取代率為0%和50%時的密度隨?；⒅轶w積摻量增加變化不大，細骨料取代率100%時的密度小于取代率0%和50%時的密度；?；⒅轶w積摻量為110%和120%時，細骨料取代率對密度的影響不大.不同細骨料取代率時的密度和玻化微珠體積摻量關(guān)系可由多項式擬合，細骨料取代率為0%、50%和100%時，玻化微珠體積摻量和密度的多項擬合式如式(10)所示，式中A=[2122.3,2108,2077]T，B=[-50.88,50.73,-39.59]T，C=[13.10,-15.45,10.08]T，D=[-1.87,0.53,-1.47]T，對應(yīng)的擬合系數(shù)分別為0.994、0.99和0.955.

y=A+Bx+Cx2+Dx3.

(10)

圖5 不同細骨料取代率時玻化微珠體積摻量對密度的影響

如上所述的分析方法，可得出再生細骨料取代率和?；⒅轶w積摻量兩因素綜合作用時與基準(zhǔn)混凝土密度的關(guān)系式，結(jié)果如式(11)和圖6所示.

y=2260×(1.0292I-0.0598X1-0.1594X2-

(11)

圖6 再生細骨料取代率和?；⒅轶w積摻量對密度的影響

2.4 密度與導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系

密度與導(dǎo)熱系數(shù)關(guān)系如圖7所示，由圖7可知：再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)隨著密度降低而減?。浑S再生細骨料取代率的增大，密度降低導(dǎo)致的導(dǎo)熱系數(shù)降低的幅度也越明顯，這與以往的研究結(jié)論一致[8-9].其原因如下：再生混凝土密度降低主要是由于玻化微珠體積摻量增大和再生細骨料取代率增加而導(dǎo)致的，無論是?；⒅檫€是再生細骨料，其本身都有一定的孔隙，它們摻量增加，使得混凝土材料孔隙增多，密度下降，導(dǎo)熱系數(shù)降低，保溫性能增加.由圖7可以預(yù)測，如采取適當(dāng)摻加外加劑等措施，使自保溫再生混凝土材料密度降低到1 800 kg/m3以下時，導(dǎo)熱系數(shù)將可能進一步降低.

2.5 自保溫再生混凝土的優(yōu)化配合比確定

由圖1～圖3可知，由于再生細骨料和玻化微珠本身特性及二者復(fù)雜的共同作用機理，相同的?；⒅轶w積摻量時，28 d立方體抗壓強度、導(dǎo)熱系數(shù)和密度與再生細骨料取代率之間的關(guān)系并沒有明顯的規(guī)律性.因此，自保溫再生混凝土的優(yōu)化配合比確定需要結(jié)合重點考慮的指標(biāo)綜合確定.基于上述原則，將28 d立方體抗壓強度和導(dǎo)熱系數(shù)兩個指標(biāo)作為重點考慮對象.從表1的試驗結(jié)果對比來看，再生細骨料取代率為50%、?；⒅轶w積摻量為110%的配合比為優(yōu)化配合比，其對應(yīng)試塊的28 d立方體抗壓強度為30.41 MPa，導(dǎo)熱系數(shù)為0.610 2 W/(m·K)，密度為1 943 kg/m3，該強度等級的混凝土能夠滿足制作MU5～MU15空心砌塊的標(biāo)準(zhǔn)，為下一步研發(fā)多排孔自保溫混凝土砌塊奠定了基礎(chǔ)[10,11].

圖7 密度與導(dǎo)熱系數(shù)關(guān)系

3 結(jié)論

進行了100%再生粗骨料取代率時，不同再生細骨料取代率和不同玻化微珠體積摻量的自保溫再生混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計，對不同配合比的試件進行了28 d立方體抗壓強度、導(dǎo)熱系數(shù)和密度的測試，對測試結(jié)果進行了分析.通過以上研究，可得出如下結(jié)論：

(1)不同細骨料取代率時，28 d立方體抗壓強度隨?；⒅轶w積摻量的增加而降低；導(dǎo)熱系數(shù)隨?；⒅轶w積摻量的增加而降低；密度隨?；⒅轶w積摻量的增加而降低.不同玻化微珠體積摻量對應(yīng)的28 d立方體抗壓強度、導(dǎo)熱系數(shù)和密度的變化幅度不同；不同細骨料取代率時?；⒅轶w積摻量和28 d立方體抗壓強度、導(dǎo)熱系數(shù)、密度的關(guān)系可擬合相應(yīng)的多項式；再生細骨料取代率和玻化微珠體積摻量兩因素和基準(zhǔn)混凝土28 d立方體抗壓強度、導(dǎo)熱系數(shù)、密度的關(guān)系可擬合相應(yīng)的多項式；這些多項式為自保溫再生混凝土的優(yōu)化設(shè)計提供了量化參考.

(2)再生混凝土導(dǎo)熱系數(shù)隨著密度降低而減小，如采取適當(dāng)摻加外加劑等措施，使自保溫再生混凝土材料密度降低到1 800 kg/m3以下時，導(dǎo)熱系數(shù)將可能進一步降低；可為后續(xù)進一步開發(fā)高性能自保溫再生混凝土材料的努力方向.

(3)綜合考慮28 d立方體抗壓強度和導(dǎo)熱系數(shù)兩個指標(biāo)，確定再生細骨料取代率為50%、玻化微珠體積摻量為110%的配合比為優(yōu)化配合比，其對應(yīng)試塊的28 d立方體抗壓強度為30.41 MPa，導(dǎo)熱系數(shù)為0.610 2 W/(m·K)，密度為1 943 kg/m3.