巷道隔熱噴射混凝土強(qiáng)度及導(dǎo)熱性能試驗(yàn)研究

龐建勇，黃金坤，姚文杰，劉 歡，姚韋靖

（安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001）

1 研究背景

玻化微珠是一種玻璃材質(zhì)無(wú)機(jī)材料，由巖粉膨化加工形成的不規(guī)則球體，具有輕質(zhì)、隔熱、保溫、吸水率小等優(yōu)良特性，將其摻入到混凝土中形成保溫隔熱混凝土。

張建雋等［1］、張澤平等［2］由正交試驗(yàn)分析了?；⒅楸鼗炷晾锩娌；⒅榈膿搅亢椭囟取⑺嗟膹?qiáng)度等級(jí)和用量、砂的用量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)的影響關(guān)系。馮文黨等［3］研究了水灰比和水泥用量等因素對(duì)?；⒅榛炷翉?qiáng)度的影響關(guān)系，選出了最佳的混凝土抗壓強(qiáng)度配合比，建立了軸心抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的數(shù)學(xué)關(guān)系式。宋雪嬌等［4］提出了?；⒅椋ㄌ鎿Q細(xì)骨料）和再生粗骨料替換率與混凝土抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)之間的關(guān)系，結(jié)果表明：提高再生粗骨料的替換率和?；⒅榈膿搅磕軌驕p小混凝土的抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)。作為近年來(lái)研制出的新型建筑材料，陶粒具有高效的隔熱保溫性能、良好的抗?jié)B性、較強(qiáng)的耐蝕性和抗沖擊性等特點(diǎn)［5］。李瑞等［6］、劉喜等［7］、龔平［8］通過(guò)正交試驗(yàn)對(duì)陶粒混凝土進(jìn)行配合比和性能研究。楊健輝等［9］、李培濤等［10］對(duì)頁(yè)巖陶?；炷练謩e進(jìn)行了保溫性能和強(qiáng)度試驗(yàn)研究。粉煤灰作為礦物摻合料摻入到混凝土中用來(lái)降低對(duì)水泥的需求量，同時(shí)降低成本。孫陽(yáng)等［11］將粉煤灰摻入混凝土中研究混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的變化，王鋒峰等［12］研究了原狀粉煤灰混凝土強(qiáng)度特性。

在上述研究基礎(chǔ)上，本文研究陶粒、憎水?；⒅榧胺勖夯业膿搅?，以期研制出一種新型的保溫隔熱混凝土配方，在滿足強(qiáng)度要求的同時(shí)降低導(dǎo)熱系數(shù)，解決煤礦巷道熱害問(wèn)題和滿足巷道噴層強(qiáng)度要求。

2 試 驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)原材料

水泥：淮南產(chǎn)P·O 42.5級(jí)復(fù)合硅酸鹽水泥。拌合水：普通自來(lái)水。砂子：中砂，細(xì)度模數(shù)為2.8，含泥量低于2%，堆積密度為1 470 kg／m3。石子：淮南產(chǎn)瓜子片石，顆粒級(jí)配5～10 mm，壓碎指標(biāo)為7.5%，含泥量低于0.2%，堆積密度為1 580 kg／m3。?；⒅椋汉幽闲抨?yáng)產(chǎn)憎水?；⒅?，密度為80 kg／m3，閉孔率＞95%，吸水率為 10%，導(dǎo)熱系數(shù)為0.022～0.044 W／（K·m），耐火度在1 300～1 400℃之間，使用溫度低于1 000℃，粒度為0.6～1.6 mm，筒壓強(qiáng)度（1 MPa壓力的體積損失率）為29%～41%，主要化學(xué)成分為SiO2和Al2O3。陶粒：安徽省淮南市八公山某廠家生產(chǎn)，最大粒徑為15 mm，吸水飽和率10%，軟化系數(shù)0.81，堆積密度637 kg／m3。減水劑：聚羧酸減水劑。粉煤灰：淮南產(chǎn)I級(jí)粉煤灰，細(xì)度8%，需水量95%，SO3低于3%，燒失量5%，含水量低于1%，游離氧化鈣低于1%。

2.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為保證試驗(yàn)結(jié)果可靠，減少工作量，選用正交試驗(yàn)法來(lái)設(shè)計(jì)試驗(yàn)，本次試驗(yàn)共有4個(gè)影響因素：陶粒取代石子用量（A）、憎水玻化微珠體積占混凝土體積百分比（B）、粉煤灰取代水泥用量（C）和砂子用量（D），每個(gè)影響因素設(shè)計(jì)3個(gè)水平，查看正交表L9（34），試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案見表 1。

表1 試驗(yàn)因素與水平Table1 Factors and levels of orthogonal design

2.3 試件制作

試驗(yàn)試件總共分為4個(gè)大組，分別用來(lái)測(cè)定試件的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度以及導(dǎo)熱系數(shù)，而每一個(gè)大組又分為9個(gè)小組，每個(gè)小組有3個(gè)試塊，總共制作108個(gè)試塊。尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的試塊用來(lái)測(cè)定抗壓和抗拉強(qiáng)度，尺寸為400 mm×100 mm×100 mm的試塊用來(lái)測(cè)定抗折強(qiáng)度，尺寸為300 mm×300 mm×30 mm的試塊用來(lái)測(cè)導(dǎo)熱系數(shù)，試塊在制作好后的第2天拆模，然后在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)28 d，各組試塊的最終配比見表2。

表2 混凝土材料配合比Table2 Mix proportions of concrete specimens kg／m3

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，整理分析后的試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 各項(xiàng)正交試驗(yàn)結(jié)果Table3 Results of the orthogonal experiment

3.2 極差分析

對(duì)表3給出的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，求出各個(gè)因素對(duì)不同測(cè)試對(duì)象的極差，極差分析結(jié)果見表4。

表4 正交試驗(yàn)各因素極差分析結(jié)果Table4 Ranges of the orthogonal experiment on each element

表4的結(jié)果顯示，對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)，各因素的影響順序?yàn)樵魉；⒅椋咎樟＃旧白樱痉勖夯遥粚?duì)抗壓強(qiáng)度，各因素的影響順序?yàn)樵魉；⒅椋咎樟＃旧白樱痉勖夯?；?duì)抗拉強(qiáng)度，各因素的影響順序?yàn)樵魉；⒅椋咎樟＃旧白樱痉勖夯?；?duì)抗折強(qiáng)度，各因素的影響順序?yàn)樘樟＃驹魉；⒅椋旧白樱痉勖夯?。?duì)混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)、抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的極差分析表明，憎水玻化微珠和陶粒是影響混凝土性能的主要因素且其數(shù)值較為接近，但對(duì)于抗折強(qiáng)度的極差分析，陶粒是主要影響因素且超過(guò)憎水?；⒅閷?duì)混凝土性能的影響。

3.3 方差及貢獻(xiàn)率分析

根據(jù)極差分析的結(jié)果可以將試驗(yàn)中各個(gè)因素的影響按順序得出，但不能將試驗(yàn)過(guò)程中因素水平的變化和試驗(yàn)的誤差所引起的變化區(qū)分開來(lái)，所以需要對(duì)數(shù)據(jù)再進(jìn)行方差分析。方差分析僅可以反映各因素及誤差的重要性，為了求出各因素在試驗(yàn)結(jié)果中所占的比例，再引入貢獻(xiàn)率分析［13－14］。表 5—表8分別對(duì)各因素對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)、抗壓強(qiáng)度以及劈裂抗拉強(qiáng)度作了方差分析以及貢獻(xiàn)率分析。

表5的方差分析表明，憎水?；⒅榈挠绊懽铒@著，陶粒次之，粉煤灰與砂子的影響較小，與極差分析的結(jié)果一致。再由各因素與誤差的貢獻(xiàn)率得出，憎水?；⒅榈呢暙I(xiàn)率最大，其引起的數(shù)據(jù)波動(dòng)占總的純離差平方的42.11%，接近誤差貢獻(xiàn)率的4倍；陶粒引起的數(shù)據(jù)波動(dòng)占總的純離差平方和的36.84%，接近誤差的3倍；粉煤灰對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)幾乎沒(méi)有影響，其貢獻(xiàn)率為0；砂子引起的數(shù)據(jù)波動(dòng)較之誤差所引起的數(shù)據(jù)波動(dòng)的貢獻(xiàn)率略有不足，在試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理時(shí)需注意。

表6的方差分析表明，憎水玻化微珠、陶粒、粉煤灰和砂子對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響均特別顯著，且重要性與極差分析結(jié)論相同。貢獻(xiàn)率結(jié)果表明，憎水?；⒅橐鸬臄?shù)據(jù)波動(dòng)占總的純離差平方和的37.34%；陶粒引起的數(shù)據(jù)波動(dòng)占總的純離差平方和的30.67%；砂子引起的數(shù)據(jù)波動(dòng)占總的純離差平方和的23.14%；粉煤灰引起的數(shù)據(jù)波動(dòng)占總的純離差平方和的8.46%。各因素對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的貢獻(xiàn)率均遠(yuǎn)大于誤差的貢獻(xiàn)率，故試驗(yàn)結(jié)果可不考慮誤差的影響。

表7的方差分析表明，憎水玻化微珠對(duì)混凝土抗拉強(qiáng)度影響顯著，陶粒有一定的影響，粉煤灰和砂子幾乎沒(méi)有影響。由貢獻(xiàn)率分析得出，憎水?；⒅橐鸬臄?shù)據(jù)波動(dòng)占總的純離差平方和的44%，為誤差的5.5倍；陶粒引起的數(shù)據(jù)波動(dòng)占總的純離差平方和的30%；砂子引起的數(shù)據(jù)波動(dòng)占總的純離差平方和的10%；粉煤灰引起的數(shù)據(jù)波動(dòng)為誤差所引起的數(shù)據(jù)波動(dòng)的0.75倍，與極差的分析結(jié)果吻合。

表8的方差分析表明，陶粒對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度的影響特別顯著，憎水?；⒅楹头勖夯蚁喈?dāng)，砂子影響最小。由貢獻(xiàn)率分析得出，陶粒引起的數(shù)據(jù)波動(dòng)占總的純離差平方的60.61%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)誤差的貢獻(xiàn)率；粉煤灰引起的數(shù)據(jù)波動(dòng)占總的純離差平方和的15.00%；憎水?；⒅橐鸬臄?shù)據(jù)波動(dòng)占總的純離差平方和的14.91%；砂子引起的數(shù)據(jù)波動(dòng)為誤差引起的數(shù)據(jù)波動(dòng)的3.51倍，該項(xiàng)與極差分析結(jié)果不吻合，需進(jìn)一步通過(guò)試驗(yàn)研究其原因。

表5 導(dǎo)熱系數(shù)方差分析及各因素與誤差貢獻(xiàn)率結(jié)果Table5 Variance analysis and contribution rate of factors and errors to heat conductivity coefficient

表6 抗壓強(qiáng)度方差分析及各因素與誤差貢獻(xiàn)率結(jié)果Table6 Variance analysis and contribution rate of factors and errors to compressive strength

表7 抗拉強(qiáng)度方差分析及各因素與誤差貢獻(xiàn)率結(jié)果Table7 Variance analysis and contribution rate of factors and errors to tensile strength

表8 抗折強(qiáng)度方差分析及各因素與誤差貢獻(xiàn)率結(jié)果Table8 Variance analysis and contribution rate of factors and errors to flexural strength

3.4 正交試驗(yàn)層次分析

正交試驗(yàn)層次分析［15］是處理正交試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果的另一種有效方法，通過(guò)該方法可得出各因素水平對(duì)混凝土性能的的影響權(quán)重，分析結(jié)果見表9。

由表9可見：

（1）對(duì)于抗壓強(qiáng)度，陶粒的3個(gè)水平中，A1（20%）的影響權(quán)重為最大；憎水?；⒅榈?個(gè)水平中，以B1（60%）的影響權(quán)重最大；粉煤灰的3個(gè)水平中，以C2（20%）的影響權(quán)重最大；砂子的3個(gè)水平中，以D2（571 kg／m3）的影響權(quán)重最大。

（2）對(duì)于抗拉強(qiáng)度，陶粒的 3個(gè)水平中，以A1（20%）的影響權(quán)重最大；憎水?；⒅榈?個(gè)水平中，以B1（60%）的影響權(quán)重最大；粉煤灰的3個(gè)水平中，以C2（20%）的影響權(quán)重最大；砂子的3個(gè)水平中，以 D2（571 kg／m3）的影響權(quán)重最大。

（3）對(duì)于抗折強(qiáng)度，陶粒的 3個(gè)水平中，以A1（20%）的影響權(quán)重最大；憎水?；⒅榈?個(gè)水平中，以B1（60%）的影響權(quán)重最大；粉煤灰的3個(gè)水平中，以C2（20%）的影響權(quán)重最大；砂子的3個(gè)水平中，以 D3（428 kg／m3）的影響權(quán)重最大。

（4）對(duì)于導(dǎo)熱系數(shù)，陶粒的 3個(gè)水平中，以A1（20%）的影響權(quán)重最大；憎水玻化微珠的3個(gè)水平中，以B1（60%）的影響權(quán)重最大；粉煤灰的3個(gè)水平中，以C1（10%）的影響權(quán)重最大；砂子的3個(gè)水平中，以 D1（856 kg／m3）的影響權(quán)重最大。

3.5 因素指標(biāo)分析

根據(jù)正交試驗(yàn)法，對(duì)所有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行因素指標(biāo)分析［16］。由表2可以求出各因素在各個(gè)水平下的指標(biāo)平均值，同時(shí)為了方便在圖表上表示，此處將各因素的各個(gè)變化水平的值簡(jiǎn)化為數(shù)值1，2和3。

由圖1（a）可看出：

圖1 各因素水平與4個(gè)性能之間的關(guān)系Fig.1 Relationship between factor levels and four properties

表9 因素各水平對(duì)各性能的影響權(quán)重Table9 Impact weight of each level of factor on concrete properties

（1）陶粒的摻量從20%增加到40%，混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)減小了9.33%；而當(dāng)陶粒的摻量從40%增加到60%，混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)減小了4.95%，這表明陶粒的摻量在20%～40%之間時(shí)對(duì)保溫隔熱混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)影響較大。

（2）當(dāng)憎水?；⒅榈膿搅繌?0%增長(zhǎng)到100%時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)降低了11.68%；而摻量從100%增長(zhǎng)到140%時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)降低了2.67%，說(shuō)明憎水?；⒅榈膿搅吭?0%～100%之間較為適宜。

（3）當(dāng)粉煤灰的摻量為10%～20%時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)降低了3.36%；而摻量從20%增加到30%時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)增加了3.08%。通過(guò)對(duì)圖 1中的（b），（c）和（d）觀察可知粉煤灰摻量取在20%最好，此時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)最低，抗壓、抗拉以及抗折強(qiáng)度均達(dá)到最大；砂子的用量從856 kg／m3降低到 571 kg／m3時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)降低了3.5%，而用量從571 kg／m3降低到428 kg／m3時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)又降低了4.65%，所以砂子用量宜在571～428 kg／m3之間。

圖 1（b），1（c）和 1（d）表明，混凝土的抗壓、抗拉和抗折強(qiáng)度隨著陶粒和憎水?；⒅榈膿搅康脑黾佣档?，隨著粉煤灰摻量的增加和砂子用量的減少而先增加后減少，區(qū)別在于波動(dòng)幅度不同。

3.6 功效系數(shù)分析

對(duì)上述所有的功能進(jìn)行功效系數(shù)分析［17］，將對(duì)指標(biāo)有利的因素考慮為1，其他參數(shù)與其相比取值，求出每一個(gè)指標(biāo)的功效比，最后再求出總的功效系數(shù)，見表10。

由表10可知，2號(hào)試件的總功效系數(shù)達(dá)到最大，為0.94。而功效系數(shù)越大，表明該組試驗(yàn)方案配比越佳，故根據(jù)上述分析，可以得出最優(yōu)試驗(yàn)組合方案為A1B2C2D2。

表10 功效系數(shù)分析結(jié)果Table10 Efficacy coefficient

4 結(jié) 論

（1）混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)、抗壓和抗拉強(qiáng)度均主要受到憎水?；⒅榈挠绊懀瑫r(shí)其摻量也是影響混凝土抗折強(qiáng)度的次要因素，對(duì)混凝土性能的影響重要性特別顯著；故當(dāng)憎水?；⒅榈膿搅窟x在60%～100%之間時(shí)，混凝土的各項(xiàng)性能均會(huì)改變明顯。

（2）當(dāng)混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)降到最低，抗壓、抗拉以及抗折強(qiáng)度也同時(shí)達(dá)到最大，此時(shí)粉煤灰的摻入量從10%變化到20%；當(dāng)摻量繼續(xù)從20%變化到30%后，導(dǎo)熱系數(shù)升高，強(qiáng)度降低。所以混凝土性能最佳時(shí)的粉煤灰摻入量為20%。

（3）對(duì)于保溫隔熱混凝土，憎水?；⒅榈膿搅繉?duì)混凝土導(dǎo)熱系數(shù)，抗壓和抗拉強(qiáng)度的影響最大，其次是陶粒的摻量，再其次是砂子的用量，最次是粉煤灰的摻量；對(duì)于抗折強(qiáng)度則是陶粒的摻量影響最大，憎水?；⒅槭谴我挠绊懸蛩?。

（4）正交試驗(yàn)研制出的保溫隔熱混凝土為噴射混凝土，與普通噴射混凝土相比，總體成本略有增加。在不降低強(qiáng)度的前提下，導(dǎo)熱系數(shù)明顯降低，達(dá)到了巷道降溫的預(yù)期效果，具有較為顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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