用于裝配式預(yù)制墻板的陶?；炷猎囼?yàn)研究

辛轉(zhuǎn)紅，凱樂(lè)，徐亮，李天勇，秦丹，王康，楊再富

（1 重慶建工建材物流有限公司，重慶 401122；2 重慶市建筑材料與制品工程技術(shù)研究中心，重慶 400026）

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)輕骨料混凝土得到迅速發(fā)展，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)外墻板，輕骨料混凝土樓板、屋面板、樓梯、軌道吸音板及聲屏障、透水混凝土制品等領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸擴(kuò)大。同時(shí)，隨著我國(guó)裝配式建筑的不斷發(fā)展，對(duì)預(yù)制構(gòu)件材料提出更高要求，普通混凝土預(yù)制構(gòu)件由于自重大，存在吊裝難、施工效率低下等問(wèn)題，無(wú)法滿足目前裝配式建筑產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的需要。而陶?；炷磷鳛橐环N輕質(zhì)混凝土，具有重量輕，耐熱性、保溫性、抗?jié)B性、抗裂性、防火性良好等特性，是一種新型綠色建筑材料。將其用于裝配式鋼結(jié)構(gòu)外掛板可減輕構(gòu)件重量，且表現(xiàn)出良好的保溫隔熱性、高抗裂性和高抗震性，應(yīng)用優(yōu)勢(shì)十分顯著[1]。

本試驗(yàn)通過(guò)原材料優(yōu)選、配合比正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)，以陶粒混凝土的干表觀密度、坍落度和強(qiáng)度為配合比評(píng)價(jià)考核指標(biāo)，制備出適合輕量化預(yù)制墻板應(yīng)用的LC20 陶粒混凝土材料，實(shí)現(xiàn)減重率＞25%。

1 試驗(yàn)原材料

選用的原材料包括水泥、粉煤灰、機(jī)制砂、陶粒、陶砂、外加劑，外加劑為陶?；炷翆Ｓ猛饧觿瑴p水率30%。各種材料基本性能如表1—表5 所示。

表1 水泥性能

表2 粉煤灰性能

表3 機(jī)制砂性能

表4 陶粒性能

表5 陶砂性能

2 試驗(yàn)方法

2.1 配合比設(shè)計(jì)

參照《輕骨料混凝土應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[2]（JGJ/T 12—2019），采用絕對(duì)體積法設(shè)計(jì)配合比，用于裝配式預(yù)制墻板的LC20 陶?；炷僚渲茝?qiáng)度f(wàn)cu,0≥28.2MPa。

2.2 性能測(cè)試

抗壓強(qiáng)度參照 《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[3]（GB 50081—2019）。

表觀密度參照《輕骨料混凝土應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》附錄B 輕骨料混凝土性能試驗(yàn)方法。

工作性能參照《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[4]（GB/T 50080—2016）。

2.3 正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)分析

采用功效系數(shù)法對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。功效系數(shù)是測(cè)評(píng)產(chǎn)品某項(xiàng)性能指標(biāo)優(yōu)劣的量值，以量值大者為優(yōu)，小為劣，分為單項(xiàng)功效系數(shù)與多項(xiàng)功效系數(shù)。單項(xiàng)功效系數(shù)等于本項(xiàng)性能指標(biāo)各測(cè)試值與最大測(cè)試值之比或與最大測(cè)試值間的梯度差。n項(xiàng)考核指標(biāo)的功效系數(shù)d 等于n 項(xiàng)考核指標(biāo)各自的功效系數(shù)di(i=l，2，……，n) 的幾何平均值，即d=(d1d2……dn)1/n。

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

3.1 陶?；炷猎牧蟽?yōu)選試驗(yàn)

根據(jù)《輕骨料混凝土應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，結(jié)合重慶地區(qū)的原材料情況，采用絕對(duì)體積法進(jìn)行LC20 陶?；炷僚浜媳仍O(shè)計(jì)，如表6所示。

表6 原材料優(yōu)選配合比

陶粒輕質(zhì)，一般內(nèi)部為多孔結(jié)構(gòu)，陶粒混凝土中很容易出現(xiàn)陶粒上浮的現(xiàn)象，造成陶?；炷练謱与x析、成型困難等問(wèn)題。另外，由于陶粒吸水率較大，特別是前1 h 吸水很快，坍落度難以保持較長(zhǎng)時(shí)間，對(duì)施工影響較大[5]。因此，試驗(yàn)前應(yīng)充分用水浸泡陶粒24h，保證其處于飽和面干狀態(tài)，其次要嚴(yán)格控制陶粒表面明水情況，以便于控制混凝土水膠比，保證配制的陶?；炷琳w勻質(zhì)性、抗壓強(qiáng)度、表觀密度等性能滿足要求。同時(shí)，陶粒混凝土攪拌時(shí)間不應(yīng)小于3min。

本試驗(yàn)以陶?；炷凉ぷ餍阅?、干表觀密度和28d 抗壓強(qiáng)度三項(xiàng)指標(biāo)確定原材料體系，試驗(yàn)結(jié)果如表7、圖1 所示。

表7 原材料優(yōu)選試配結(jié)果

圖1 原材料優(yōu)選試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表7、圖1 的試配結(jié)果，從試驗(yàn)編號(hào)1～4 得知，隨著陶粒密度等級(jí)的提高，陶?；炷恋母杀碛^密度增大，同時(shí)3d、7d、28d抗壓強(qiáng)度也隨之增大。

試驗(yàn)1 采用700 級(jí)碎石陶粒，可使混凝土的密度等級(jí)接近1800 級(jí)。相比于普通混凝土，表觀密度降低幅度為22%，28d 抗壓強(qiáng)度達(dá)31MPa，滿足LC20 的強(qiáng)度要求。

試驗(yàn)2、3 分別采用800 級(jí)、900 級(jí)碎石陶粒制備的陶?；炷?，28d 強(qiáng)度滿足LC30 要求，干表觀密度達(dá)2000 級(jí)。相比于普通混凝土，表觀密度減重率只有17.9%，減重優(yōu)勢(shì)不明顯。

試驗(yàn)4 中采用陶砂代替機(jī)制砂后，陶粒混凝土的干表觀密度大幅降低到1370kg/m3，但各齡期抗壓強(qiáng)度也大幅降低，無(wú)法滿足LC20 的強(qiáng)度要求。

試驗(yàn)5 中增加膠凝材料總用量，降低水膠比，并采用少量陶砂與機(jī)制砂復(fù)配，可降低陶粒混凝土干表觀密度，提升其抗壓強(qiáng)度，28d 強(qiáng)度為23.1MPa，但依然無(wú)法滿足LC20 的要求。同時(shí)，由于本次選擇的陶砂吸水率較大，表面明水難以控制，容易造成混凝土水膠比不穩(wěn)定，因此不宜使用陶砂與現(xiàn)有碎石型陶粒復(fù)配來(lái)制備LC20 陶?；炷?。

因此，綜合考慮混凝土的干表觀密度和抗壓強(qiáng)度，選擇700級(jí)的陶粒較為合理，以P.O 42.5R 水泥、Ⅱ級(jí)粉煤灰、碎石型700級(jí)陶粒、機(jī)制砂及陶粒混凝土專用外加劑為基本材料來(lái)配制輕質(zhì)預(yù)制墻板用LC20 陶?；炷?，以期較普通混凝土墻板實(shí)現(xiàn)減重率＞25%。

3.2 陶?；炷琳辉O(shè)計(jì)試驗(yàn)及功效系數(shù)分析

確定陶?；炷恋脑牧虾?，固定膠凝材料總用量400kg/m3、用水量140kg/m3，選擇粉煤灰摻量、陶粒體積和外加劑摻量作為正交因素，設(shè)計(jì)L9(33)LC20 陶?；炷琳辉囼?yàn)。因素水平見(jiàn)表8，正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)見(jiàn)表9。

表8 L9(33)因素水平表

表9 L9(33)正交設(shè)計(jì)表

根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果，選擇混凝土坍落度、干表觀密度，3d、7d及28d 抗壓強(qiáng)度5 項(xiàng)性能作為配合比優(yōu)選的考核指標(biāo)，并采用功效系數(shù)法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。正交試驗(yàn)的分析結(jié)果見(jiàn)表10。

表10 中d1、d2、d3、d4、d5分別為9 組正交試驗(yàn)混凝土的坍落度、干表觀密度，3d、7d 及28d 抗壓強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的單項(xiàng)功效系數(shù)，d6為技術(shù)功效系數(shù)。

表10 正交設(shè)計(jì)功效系數(shù)計(jì)算結(jié)果

每項(xiàng)指標(biāo)的單項(xiàng)功效系數(shù)計(jì)算方法為：d1——坍落度功效系數(shù)，選擇第8 組試驗(yàn)165mm 坍落度作為輕質(zhì)預(yù)制外墻板成型時(shí)的理想值，設(shè)定功效系數(shù)為1.000，其他8 組試驗(yàn)的坍落度與理想值進(jìn)行比較，每相差10mm，功效系數(shù)減0.01；d2——干表觀密度功效系數(shù)，干表觀密度越小，陶?；炷凛^普通混凝土減重率越大，越有優(yōu)勢(shì)，選擇第6 組1600kg/m3作為基準(zhǔn)，采用1600 除以其他每組干表觀密度得到對(duì)應(yīng)的單項(xiàng)功效系數(shù)d2值；d3、d4和d5分別為3d、7d、28d 抗壓強(qiáng)度功效系數(shù)，采用每組試驗(yàn)的抗壓強(qiáng)度值除以對(duì)應(yīng)齡期抗壓強(qiáng)度的最大值得到對(duì)應(yīng)的抗壓強(qiáng)度單項(xiàng)功效系數(shù)；d6為d1、d2、d3、d4、d5的幾何平均值，d6 越大，5 項(xiàng)技術(shù)綜合性能最優(yōu)。

表10 中，K1表示因素A、B、C 在水平1 時(shí)的技術(shù)功效系數(shù)d6之和，K2表示因素A、B、C 在水平2 時(shí)的技術(shù)功效系數(shù)之和，K3表示因素A、B、C 在水平3 時(shí)的技術(shù)功效系數(shù)之和，R 表示極差，為K1、K2、K3在各水平下最大值與最小值之差。極差的大小反映因素之間影響的主次順序與顯著程度，某因素某水平技術(shù)功效系數(shù)的大小反映該因素該水平對(duì)應(yīng)的混凝土技術(shù)性能的優(yōu)劣。

表10 中，9 組試驗(yàn)的干表觀密度均較普通混凝土減重率＞25%，滿足設(shè)定的裝配式陶?；炷令A(yù)制墻板減重要求。如圖2所示，試驗(yàn)2 的技術(shù)功效系數(shù)d6最大，說(shuō)明從坍落度、干表觀密度，3d、7d 和28d 抗壓強(qiáng)度5 項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)綜合來(lái)看，試驗(yàn)2 的技術(shù)性能最優(yōu)，與普通混凝土相比，可實(shí)現(xiàn)減重率28%，工作性能滿足 《輕骨料混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》 規(guī)定的振搗棒或平板振動(dòng)器振實(shí)成型預(yù)制構(gòu)件要求。

圖2 正交試驗(yàn)技術(shù)功效系數(shù)比對(duì)圖

圖3、圖4 分別為各因素K 值、極差R 比對(duì)圖。根據(jù)表10 計(jì)算結(jié)果及圖3 分析，因素A、B、C 分別對(duì)應(yīng)的技術(shù)功效系數(shù)的最大水平為1、1、2，因此，該正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)最佳的因素水平組合為A1B1C2，即粉煤灰摻量20%，陶粒體積40%，外加劑摻量1.8%。參照 《輕骨料混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》，得出理論干表觀密度為1772kg/m3，與普通混凝土相比，可實(shí)現(xiàn)減重率26.2%。如圖4 所示，各因素的極差R 比較結(jié)果為B>C>A，說(shuō)明陶粒體積對(duì)陶?；炷恋募夹g(shù)綜合性能影響最大，其次是外加劑摻量，粉煤灰摻量影響最小。

圖3 各因素K值比對(duì)圖

圖4 各因素極差R比對(duì)圖

4 結(jié)論

（1）通過(guò)原材料優(yōu)選試驗(yàn)得出，用于裝配式預(yù)制墻板的LC20陶?；炷猎牧峡蛇x擇P.O 42.5R 水泥、Ⅱ級(jí)粉煤灰、碎石型700 級(jí)陶粒、機(jī)制中砂及陶粒混凝土專用外加劑；由于選擇的陶砂強(qiáng)度太低，吸水率較大，混凝土水膠比難以控制，因此，不宜與現(xiàn)有碎石型陶粒復(fù)配制備LC20 陶粒混凝土。

（2）通過(guò)對(duì)LC20 陶?；炷琳辉囼?yàn)功效系數(shù)分析，結(jié)果表明：在試驗(yàn)范圍內(nèi)，最佳配比為粉煤灰摻量20%，陶粒體積40%，外加劑摻量1.8%，與普通混凝土相比，實(shí)現(xiàn)減重率26.2%；陶粒體積是影響陶?；炷良夹g(shù)性能的首要因素，其次是外加劑摻量，粉煤灰摻量影響最小。

（3）通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，因陶粒內(nèi)部為多孔結(jié)構(gòu)，易吸水及吸附外加劑，因此，建議在制備陶?；炷?xí)r首先加入1/2 水?dāng)嚢?min，再添加外加劑及剩余1/2 水持續(xù)攪拌至少2min，保證合計(jì)攪拌時(shí)間≥3min。同時(shí)，陶粒在試驗(yàn)前應(yīng)充分泡水至少24h，在保證陶粒筒壓強(qiáng)度的前提下，使陶粒呈現(xiàn)為飽和吸水狀態(tài)。此外，根據(jù)試驗(yàn)條件，控制瀝水時(shí)間保證陶粒表面明水和混凝土水膠比在可控范圍內(nèi)，減少混凝土制備過(guò)程中的陶粒吸水率，提升陶粒混凝土整體的勻質(zhì)性和保坍性。