再生混凝土粉保溫砂漿正交試驗分析

摘 要：通過設計再生混凝土粉保溫砂漿的正交試驗，探究各組成物料的最優(yōu)組合。試驗中選取再生混凝土粉、?；⒅椤⑷槟z粉、聚丙烯纖維、羥丙基甲基纖維素5個因素，每種因素下設計4個水平。按照因素水平表生產再生混凝土粉保溫砂漿，并制作標準試塊。在養(yǎng)護結束后取出試塊，使用全自動烘干箱、電子萬能試驗機分別進行表觀密度試驗和抗壓強度試驗。試驗數據表明，在A3B2C3D1E4組合下，再生混凝土粉保溫砂漿的表觀密度最小，保溫隔熱性能最好；在A1B2C1D3E3組合下，再生混凝土粉保溫砂漿的抗壓強度最大。在工程實踐中，可根據施工需要靈活確定因素水平組合，從而滿足施工要求、提高工程質量。

關鍵詞：再生混凝土粉；保溫砂漿；?；⒅?；正交試驗；表觀密度

中圖分類號：TQ177.6 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）27-0060-05

Abstract： By designing orthogonal experiments of recycled concrete powder insulation mortar， the optimal combination of each component material is explored. Five factors were selected in the experiment， including recycled concrete powder， vitrified microspheres， latex powder， polypropylene fiber， and hydroxypropyl methyl cellulose. Four levels were designed for each factor. The recycled concrete powder thermal insulation mortar is produced according to the factor level table， and the standard test block is made. After curing， the test piece was taken out， and the apparent density test and compressive strength test were carried out by using automatic drying oven and electronic universal testing machine， respectively. The test data show that under the combination of A3B2C3D1E4， the apparent density of recycled concrete powder thermal insulation mortar is the lowest， and the thermal insulation performance of recycled concrete powder is the best; through the combination of A1B2C1D3E3， the compressive strength of recycled concrete powder thermal insulation mortar is the highest. In engineering practice， the horizontal combination of factors can be flexibly determined according to the needs of construction， so as to meet the construction requirements and improve the quality of the project.

Keywords： recycled concrete powder; thermal insulation mortar; vitrified microbeads; orthogonal experiment; apparent density

為了響應節(jié)能減排、綠色環(huán)保的號召，再生混凝土粉保溫砂漿在現代建筑工程中受到了廣泛應用。以廢棄混凝土塊篩選、粉碎、過篩后的粉末代替部分水泥，配合使用?；⒅?、膨化珍珠巖、聚丙烯纖維等材料，按照一定比例混合制作成保溫砂漿，既可以降低材料成本，又能實現建筑垃圾的再生利用，兼顧了經濟效益和環(huán)保效益。在應用再生混凝土粉保溫砂漿時，要結合抗壓強度、保溫隔熱性能等工程建設需要，合理確定保溫砂漿各類基礎材料的摻量與比例，確保性能最優(yōu)，在此基礎上制作保溫砂漿并投入使用，才能取得最佳的工程效果。

1 原材料的選擇

配制再生混凝土粉保溫砂漿的原材料有水泥、輕骨料、聚丙烯纖維、改性添加劑，各材料的選擇如下。

水泥，選用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，SO3含量2.7%，Cl-含量0.03%，燒失量4.1%，物理性能指標見表1。

輕骨料，由?；⒅榕c膨脹珍珠巖復合而成。?；⒅槭且环N以酸性玻璃礦物質為基材，經表面?；幚砗笾频玫囊环N多孔、表面玻璃化封閉的保溫材料。由于其內部孔隙率低、吸水率小，因此具有良好的保溫性能，將其添加到保溫砂漿中還能進一步降低材料成本。本實驗所用玻化微珠的物理性能見表2。

膨脹珍珠巖是一種以礦巖為基材，經過高溫處理使其體積膨脹后制得的一種保溫材料，同時具有良好的防火性能。由于膨脹珍珠巖的孔隙率高、吸水率大，因此在吸水后導熱系數升高進而導致其保溫隔熱變差。將膨脹珍珠巖與玻化微珠結合后能夠彌補這一缺陷，使保溫砂漿的保溫性能最大化。本實驗選用的膨脹珍珠巖堆積密度162 kg/m3，導熱系數0.050 W/（m·K），質量含水率1.98%，5 mm篩孔篩余量2.07%。

聚丙烯纖維，是一種以聚丙烯為機體，經過聚合、紡制等工藝處理后得到的合成纖維，具有良好的保溫、耐磨、耐腐蝕和高強度等特性。將聚丙烯纖維作為再生混凝土粉保溫砂漿的原材料，可以利用其三維網狀結構和易分散不報團的特性，承受砂漿干縮產生的拉應力，降低干縮裂縫的發(fā)生率。本實驗選用砂漿專用6 mm聚丙烯纖維，性能指標見表3。

改性添加劑，配制再生混凝土粉保溫砂漿使用的改性添加劑主要有2類：其一是乳膠粉，作為一種水溶性、可再分散粉末狀物質，添加后可以顯著改善保溫砂漿的黏結性、隔熱性、抗水性，對增強材料的抗折強度也有一定幫助。另外，加入了再生混凝土粉以及輕骨料后，砂漿的和易性變差，這種情況下加入適當比例的乳膠粉有助于增強砂漿的內聚力與和易性，降低了施工難度。本實驗所用乳膠粉的平均粒徑為80 μm，表觀密度540 g/L，最低成膜溫度0 ℃。其二是羥丙基甲基纖維素（HPMC），將其作為添加劑應用到保溫砂漿中，一方面可以顯著提升砂漿保水性能，在養(yǎng)護階段防止因為水分快速蒸發(fā)而開裂；另一方面則提升了黏結性與抗滑移能力，在抹灰時避免保溫砂漿在重力作用下滑移脫落的情況。本實驗所用的羥丙基甲基纖維素黏度可達2.0×105 Pa·s，干燥失重3.1%，甲氧基含量25.8%，羥丙氧基含量10.5%。

2 確定基準配合比

2.1 骨膠比

保溫砂漿中的骨料以?；⒅椤⑴蛎浾渲閹r為主，膠凝材料包括水泥、聚丙烯纖維等。另外，為了使再生混凝土粉保溫砂漿的各項性能滿足普通保溫砂漿的基本要求，還需要摻入少量的保水增稠材料，如乳膠粉等，確保試件能夠順利成型。一般來說，無機輕集料保溫砂漿的骨料比在1∶0.8～1∶1.5?；诖?，本文設計了1∶0.8、1∶0.9、1∶1.0、1∶1.1、1∶1.2五種骨膠比，使用不同骨膠比下的再生混凝土粉保溫砂漿制作標準試件，并驗證其成型率，結果見表4。

由表4數據可知，當骨膠比為1∶0.8和1∶0.9時，成型率較差；當骨膠比在1∶1.0、1∶1.1、1∶1.2時成型率均能達到100%。但是對比發(fā)現，當骨膠比為1∶1.1和1∶1.2時，試件的表觀密度過大，保溫性能有所下降，不符合保溫砂漿的使用要求，因此本文正交試驗中將骨膠比確定為1∶1。

2.2 再生混凝土粉摻量

廢棄混凝土塊經過篩選、粉碎、過篩后得到再生混凝土粉，在制備保溫砂漿時，可以用再生混凝土粉代替一部分水泥，再生混凝土粉的摻量也會對保溫砂漿的性能產生影響。已知再生混凝土粉的活性要低于水泥，如果摻入的再生混凝土粉過多，使用保溫砂漿制作試塊容易出現成型困難、成型率不高的現象；反之，如果摻入的再生混凝土粉偏少，則起不到降低成本、改善性能的效果[1]。綜上，將再生混凝土粉的摻量確定為10%～40%，并且在正交試驗中選取10%、20%、30%、40% 4個水平，進一步探究不同摻量對保溫砂漿性能的影響。

2.3 ?；⒅檎脊橇媳?/p>

?；⒅槭且环N輕質、多孔的無機玻璃質礦物材料，擁有良好的耐火、絕熱、吸引和抗老化等性能，是一種優(yōu)質的骨料。將玻化微珠摻入到保溫砂漿中，將顯著改善保溫砂漿的流動性、抗壓強度以及保溫性能[2]。再生混凝土粉保溫砂漿的骨料由?；⒅楹团蛎浾渲閹r組成，2種材料的粒徑差異明顯，為了使骨料級配良好，需要合理確定?；⒅樵诠橇现械恼急?。在正交試驗中設計了4個水平，即?；⒅樵诠橇现械恼急确謩e為40%、60%、80%和100%。通過正交試驗確定?；⒅樗急壤螅蛎浾渲閹r的比例也同時確定。

3 再生混凝土粉保溫砂漿正交試驗

3.1 因素水平的確定

再生混凝土粉保溫砂漿的組成材料有7種，分別是再生混凝土粉、玻化微珠、膨脹珍珠巖、乳膠粉、聚丙烯纖維、羥丙基甲基纖維素和水泥。這里選取對保溫砂漿性能影響較為明顯的5種基本材料作為因素，每種因素下設置4個水平。以再生混凝土粉為例，設置了4個水平的摻量，分別是10%、20%、30%、40%。正交試驗因素水平表見表5。

3.2 正交試驗表的設計

選取L16（45）表組織試驗，這里的“16”表示試驗次數，“4”表示水平數，“5”表示因素個數。正交試驗表見表6。

3.3 各組材料用量

確定每種組合下再生混凝土粉保溫砂漿各物料的用量，見表7，表中A為再生混凝土粉，B為?；⒅椋珻為乳膠粉，D為聚丙烯纖維，E為羥甲基丙基纖維素，F為水泥，G為膨脹珍珠巖。同時計算再生混凝土粉、膨脹珍珠巖等7種組成材料的總量，按照總量的1.2倍購買材料，避免試驗過程中出現材料不足的情況。

3.4 再生混凝土粉保溫砂漿的制備

購買材料后，按照表7使用精密電子秤稱取相應質量的基本材料，將其倒入攪拌鍋內，本次試驗中使用JJ-5型行星式膠砂攪拌機。在不加水的情況下攪拌1 min，然后將稱量好的水沿著鍋壁緩緩倒入，再繼續(xù)攪拌3 min，得到均勻無顆粒的保溫砂漿。按照GB/T 20473—2021《建筑保溫砂漿》中的相關規(guī)定制作試塊，使用刷子蘸取適量的脫模劑（機油），均勻涂刷在標準試模的內壁，方便脫模。將制備好的保溫砂漿倒入標準試模中，選用插入式振搗棒，對標準試模內的砂漿進行充分振搗30次，取出振搗棒后將試模轉移到振動臺上，繼續(xù)振動10 s。使用干凈的抹布將標準試模表面濺出的材料擦干凈。在標準試模的上方封蓋一層塑料布，防止水分流失。將標準試模放置于陰涼干燥處靜置48 h后編號、拆模[3]。取出試塊后立即將其轉移到恒溫恒濕箱中進行養(yǎng)護，本試驗選用SHBY-40B型恒溫恒濕養(yǎng)護箱。在養(yǎng)護箱內等間距擺放試塊，相鄰試塊之間的距離不得小于20 mm，將養(yǎng)護箱的溫度設定為（20±2）℃，相對濕度設定為90%～95%，養(yǎng)護時間為28 d。

4 再生混凝土粉保溫砂漿正交試驗結果及分析

4.1 稠度

再生混凝土粉保溫砂漿的稠度會對材料的均勻性與穩(wěn)定性產生直接影響，根據GB/T 20473—2021《建筑保溫砂漿》 中的相關規(guī)定，保溫砂漿的稠度應在（80±10） mm之間。如果稠度太大，保溫砂漿的和易性、流動性差，會增加施工難度；相反，如果稠度太小，抹灰時保溫砂漿容易出現流掛、滑移的情況，不利于成型。把配制好的再生混凝土粉保溫砂漿倒入稠度測定儀的專用容器內，保證砂漿的頂面略低于容器的上口，然后用小型插入式振搗棒插入容器內進行振搗，注意避免振搗棒觸碰容器。大約20 s后觀察到砂漿表面平整后停止振搗，拔出振搗棒后將容器轉移到稠度測定儀的底座上，居中放置。操作儀器使試錐的尖端剛好接觸砂漿頂面，此時擰緊螺絲使其固定，再將刻度盤指針調至“0”刻度，防止測量誤差。松開自動螺絲，讓試錐在重力作用下自然掉落，靜置10 s后將螺絲再次擰緊，讀取并記錄刻度盤上的讀數。為了消除誤差， 同一次正交實驗重復進行3遍，取3組數據的平均值作為保溫砂漿的稠度值，結果精確到1 mm。結果表明，16次正交試驗中再生混凝土粉保溫砂漿的稠度值在71～85 mm波動，該結果符合標準中規(guī)定的范圍70～90 mm，由此可得本實驗中制作的再生混凝土粉保溫砂漿OD5IjX1o544wx53RBAEDtdAUmUREGFs/AcGwczJiOrA=在稠度方面符合要求，可以滿足工程使用需要。

4.2 表觀密度

表觀密度對保溫砂漿的保溫隔熱效果有直接影響，一般來說表觀密度越大，導熱系數越大，相應的保溫效果越差。表觀密度的測試步驟：將養(yǎng)護28 d的試塊取出后，檢查尺寸是否標準、外觀有無缺陷，如果無問題則將其轉移到烘干箱中。本試驗中使用DHG-9123C型全自動烘干箱，將溫度設定為（105±5） ℃，在試塊達到恒重后即可停止烘干，將其取出晾置到常溫后，計算其表觀密度[4]。計算公式為

式中：？籽為試塊的表觀密度，單位為kg/m3；G表示試塊烘干后的質量，單位為g；V表示試件的體積，單位為m3。為消除誤差，每種類型下選取3個試塊，分別測得其表觀密度后求平均值，結果精確到1 kg/m3。按照上述方法，統(tǒng)計L16（45）正交試驗中16個試塊的表觀密度，結果如圖1所示。

由圖1可知，16個試塊中，第1個試塊的表觀密度最高，為418 kg/m3；第14個試塊的表觀密度最低，為370 kg/m3。選取第一個配合比下制作的試塊，探究5種因素的最佳組合。首先計算5種因素（A、B、C、D、E）在4個水平（1、2、3、4）下的表觀密度之和，然后再求表觀密度的平均值。以A因素（再生混凝土粉）為例，在1水平下的表觀密度之和為416.94+394.17+400.61= 1 211.72 kg/m3，表觀密度的平均值為403.91 kg/m3。同理，可以分別求得在2水平、3水平、4水平下的表觀密度平均值，依次為389.34、384.60、393.78 kg/m3。已知表觀密度與保溫砂漿的保溫性能成反比，對比可以發(fā)現，A3為因素A的最優(yōu)水平。按照同樣方法，分別求出B、C、D、E 4種因素的最優(yōu)水平，分別為B2、C3、D1、E4。由此可得，A3B2C3D1E4組合（再生混凝土粉摻量30%、玻化微珠占骨料比例60%、乳膠粉摻量3%、聚丙烯纖維摻量0.2%、羥丙基甲基纖維素摻量0.4%）下再生混凝土粉保溫砂漿的保溫性能最佳。

4.3 抗壓強度

將養(yǎng)護結束的標準立方體試塊（規(guī)格：70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm）取出后，首先觀察試塊的外觀有無裂縫、缺角等質量問題，以及尺寸是否符合要求，確認無誤后再將試塊置于SANS300KN型電子萬能試驗機的載物臺上。啟動試驗機，讓上方壓力板勻速向下靠近載物臺，接觸試塊的上表面后開始施加壓力[5]。觀察試塊情況，當試塊完全破壞時立即停止加壓，求出試塊的抗壓強度。計算公式為

式中：F表示再生混凝土粉保溫砂漿試件的抗壓強度，單位為MPa；N表示試件的破壞荷載，單位為N；A表示試件的承壓面積，單位為mm2。為了消除誤差，每種類型下選擇5個試塊進行試驗，分別計算抗壓強度后取平均值，精確到0.1 MPa。按照上述方法，統(tǒng)計L16（45）正交試驗中16個試塊的抗壓強度，結果如圖2所示。

由圖2可知，16種配合比下制作的試塊，第1個試塊的抗壓強度最高，為0.57 MPa；第16個試塊的抗壓強度最低，為0.31 MPa。選取第一個配合比下制作的試塊，探究5種因素的最佳組合，處理方式與上文相同?？梢缘玫皆偕炷练郾厣皾{抗壓強度的最優(yōu)水平組合為A1B2C1D3E3，即再生混凝土粉摻量10%、玻化微珠占骨料比例60%、乳膠粉摻量1%、聚丙烯纖維摻量0.6%、羥丙基甲基纖維素摻量0.3%。

5 結論

再生混凝土粉保溫砂漿由于具有良好的保溫隔熱性能和耐候耐老化性能，以及符合綠色環(huán)保要求等優(yōu)勢，在現代建筑工程中得到廣泛運用。從材料組成上看，除了再生混凝土粉外，還有聚丙烯纖維、膨脹珍珠巖和?；⒅榈炔牧?。這些材料的不同摻配比例，將會對保溫砂漿的性能產生直接影響。因此，在工程實踐中，需要設計正交試驗并制作試件，探究不同組合下的性能參數，找出最優(yōu)組合，然后批量化制備再生混凝土粉保溫砂漿并投入使用，在滿足工程需要的基礎上，兼顧環(huán)保效益、經濟效益，在推廣再生混凝土粉保溫砂漿的過程中助力我國建筑行業(yè)的綠色和可持續(xù)發(fā)展。

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