一種適用裝配式建筑的新型聚丙烯/煤矸石保溫材料性能試驗

馬曉鳴 袁靜 賀曉帥

摘要：為了降低建筑能耗量，對新型保溫混凝土在裝配式建筑中的應用進行了探究。利用正交實驗以及矩陣分析的方法，對各種配比下的混凝土材料的各種性能參數(shù)進行對比分析，選出各種性能最優(yōu)的新型混凝土材料，利用相關的軟件，對不同溫度下所選定的新型保溫混凝土材料的溫度場、溫度應力/應變進行分析。結果表明：伴隨著聚丙烯纖維含量的增大，抗壓性能先增大后下降，導熱系數(shù)相比于傳統(tǒng)的混凝土材料有所下降；但仍能保留傳統(tǒng)的煤矸石保溫混凝土強度大等優(yōu)良特性。

關鍵詞：聚丙烯纖維；煤矸石；保溫混凝土；裝配式建筑；能耗；溫度場

中圖分類號：TQ342+.62文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2023）05-0057-04

Performancetestof anewpolypropylene/ganguethermal insulationmaterialsuitableforprefabricatedbuildings

MA Xiaoming1，YUAN Jing1，HE Xiaosai2

（1. Xi'an University of Architecture And Technology Huaqing College，Xi'an 710038，China；

2. Henan SunacJiahe Industrial Co.， LTD.， Zhengzhou 451200， China）

Abstract：In order to reduce building energy consumption， the application of new thermal insulation concrete in pre? fabricated buildings was explored. Using the methods of orthogonal experiment and matrix analysis， various perfor? mance parameters of concrete materials with various proportions were compared and analyzed. The new concrete mate? rials with the best performance were selected， and the temperature field， temperature stress and strain of the selected new thermal insulation concrete materials at different temperatures were analyzed by using relevant software. The re? sults showed that with the increase of polypropylene fiber content， the compressive performance first increased and then decreased， and the thermal conductivity decreased compared with traditional concrete materials. However，it still retained the excellent characteristics of high strength of traditional coal gangue thermal insulation concrete.

Keywords：polypropylene fiber gangue；thermal insulation concrete；prefabricated building；energy consump? tion；temperature field

與傳統(tǒng)的構件相比，裝配式混凝土建筑能夠實現(xiàn)預制裝配化[1]。裝配式建筑的能耗較低，能耗量只有傳統(tǒng)混凝土建筑的77％[2]。

研究影響建筑結構保溫性能的混凝土材料，顯得尤為重要[3]。以往的煤矸石混凝土材料，是一種綠色的混凝土，其具有的優(yōu)點是節(jié)能性良好、綠色環(huán)保等[4]；但強度較差。研究將聚丙烯纖維加入到傳統(tǒng)的煤矸石混凝土中[5]，選取摻量50％的煤矸石，作為基礎配比，選用正交實驗方案，將其他配比作為自變量進行對比分析[6]。運用Ansys 軟件，構建裝配式建筑的構件模型，在不同的溫度下進行溫度應力的分析[7]。同時運用相關軟件對普通煤矸石保溫混凝土材料與混用了聚丙烯纖維的煤矸石保溫混凝土材料進行對比分析，研究出一種新型的保溫混凝土材料，并應用于裝配式建筑中，實現(xiàn)能耗降低的目的[8]。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

P·O42.5級水泥，太原獅頭水泥廠；砂子（含泥量3％），山西忻州豆羅中砂）；粗骨料（5～25 mm），山西忻州產(chǎn)；聚丙烯纖維，長沙市博塞特建筑工程材料有限公司；?；⒅椋?0～30、30～50目），河南信陽某工廠；萘系高效減水劑，山東省臨沂市某化工廠。本次實驗混凝土的基礎配比：摻量為50％的煤矸石，選用Ⅰ型外加劑，水灰比為0.51，砂率26.9％，各個材料的配比如圖1所示。

從圖1可以看出，通過相關測試，混凝土的抗壓強度為37.8 MPa，密度為2066 kg/m3，導熱系數(shù)為0.64 W/（m·K）。在此基礎配比的條件下，進一步優(yōu)化配比，使各參數(shù)達到更理想的要求。

1.2 儀器與設備

微機控制電液WAW-2000kN 型號伺服萬能試驗機；TC3000E導熱系數(shù)測定儀，西安夏溪電子科技有限公司。

1.3實驗方法

選擇基礎配比為50％的煤矸石保溫混凝土，根據(jù)正交實驗，以聚丙烯纖維量、煤矸石量和水灰比為3個因素，確定出4個平行的正交實驗方案，進一步采用矩陣分析的方法，構建出各個性能參數(shù)最為理想的配合比[9]。

采用Ansys 軟件構建出裝配式建筑的模型[10]，并且進一步分析此模型在不同的溫度下，如溫度-10、40℃所對應的溫度場、溫度應力應變。

將聚丙烯纖維煤矸石保溫混凝土應用在裝配式建筑中，分析計算出建筑用料的能耗，與傳統(tǒng)的煤矸石保溫混凝土進行對比分析。將二者應用于裝配式建筑中，選擇能耗最低的混凝土材料，將其作為新型的保溫混凝土應用于裝配式建筑中[11]。

1.3.1 抗壓強度的測定

參考國家規(guī)范，每組選取3個平行樣塊，樣品為28 d 立方體，對抗壓強度進行測定。當樣品開始呈現(xiàn)出較為明顯的變形，直至被破壞時，分別記錄下數(shù)據(jù)，測出每組樣品的抗壓強度，進而對數(shù)據(jù)進行對比分析，得出樣品中最大的抗壓強度數(shù)值，最小的抗壓強度數(shù)值[12]。每組內(nèi)的3個樣品，在數(shù)據(jù)不超過15%的差值時，取3個樣品的數(shù)據(jù)的算數(shù)平均值。

1.3.2 導熱系數(shù)的測定

選用邊長大于等于1 cm、厚度大于等于0.3 mm 的表面光滑的樣品。參考相關測定標準，采取十字熱線法，導熱系數(shù)的測定如式（1）所示[13]。

式中：λ為試樣導熱系數(shù)，W/（m·k）；V 為熱線單位長度的電壓降，V/m；I 為電流，A；t1、t2為測試時間， min。Δθ1、Δθ2為熱線的溫升，K。

1.3.3 干密度的測定

根據(jù)混凝土應用規(guī)程[14]，可以對比出3種混凝土的干表觀密度，具體如表1所示。

由表1可知，3種混凝土中，輕骨料混凝土的干表觀密度最低；相比于普通混凝土，煤矸石保溫混凝土的干表觀密度相對較低。綜合各種因素，最終選用煤矸石保溫混凝土與聚丙烯纖維進行混合，從而測定其干表觀密度。

稱出混凝土樣品的質量，之后烘干混凝土樣品；然后稱取烘干后樣品的質量，計算出樣品的含水量。含水量的測定[15]：

式中：Wc為混凝土樣品的含水率，%；m1為烘干前混凝土樣品的質量，g；m2為烘干后混凝土樣品的質量， g。最后，計算出混凝土樣品的干表觀密度，干表觀密度的測定：

式中：A 為混凝土樣品的干表觀密度；m2為烘干后混凝土樣品的質量，g；V 為混凝土樣品的體積。

1.3.4 最終選定的配合比

根據(jù)正交實驗，最終選定各物料的配合比，具體如表2所示。

2 結果與分析

2.1 建筑構件在-10℃下的溫度場

將聚丙烯纖維煤矸石保溫混凝土應用在裝配式建筑中，構建出模擬建筑墻體，將溫度設置為-10℃ ， 內(nèi)外側的溫度場曲線如圖2所示。

從圖2可以看出，模擬出的建筑墻體外側溫度的變化趨勢相較于內(nèi)測的建筑墻體而言較大，由最初的14.5℃大幅降低，穩(wěn)定在最終的-8.1℃ ， 二者差值為22.6℃。內(nèi)測建筑墻體的溫度，開始為15℃ ， 隨著時間的推移，最終的溫度穩(wěn)定在17.1℃ ， 二者差值為2.1℃。這與文獻[16]所研究過的擠塑聚苯板相比，聚丙烯煤矸石的導熱系數(shù)較大、熱阻較小、與外界交換的熱量多，表明聚丙烯煤矸石保溫混凝土具有較為良好的保溫性、隔熱性。

2.2 建筑構件在40℃下的溫度場

在其他條件不變的情況下，將溫度設置為40℃ ，內(nèi)外側的溫度場曲線如圖3所示。

從圖3可以看出，模擬出的建筑墻體外側溫度的變化趨勢相較于內(nèi)測的建筑墻體而言較大，由最初的20.2℃大幅升高，穩(wěn)定在最終的38.5℃ ， 二者差值為18.3℃。內(nèi)測的建筑墻體的溫度，開始為15℃ ， 隨著時間的推移，最終的溫度穩(wěn)定在21.6℃ ， 二者差值為6.6℃ ，仍能保持在一個較低的范圍。這與文獻[16]所研究過的擠塑聚苯板對比分析，聚丙烯煤矸石保溫混凝土可以保證溫差低，且升溫慢，表明聚丙烯煤矸石保溫混凝土在實際應用中，保溫性能理想，適宜在裝配式建筑中投入使用。

2.3 建筑構件在-10℃下的應力應變

將聚丙烯纖維煤矸石保溫混凝土應用在裝配式建筑中，構建出模擬建筑墻體，將溫度設置為-10℃ ， 內(nèi)、外側墻面的應變云圖如圖4所示；內(nèi)、外側墻面的應力云圖如圖5所示。

從圖4、圖5可以看出，室外環(huán)境為-10℃時，墻體的溫度為15℃ ，模擬出的墻面在6 h內(nèi)產(chǎn)生應變的部分，主要分布在墻體的內(nèi)部，外側墻體的四周，呈環(huán)繞型分布，外側發(fā)生的應變相較于內(nèi)側墻面變化較大。

從圖5可以看出，模擬墻體產(chǎn)生應力的部分，主要發(fā)生在邊角區(qū)?？梢酝茢喑?，在冬季的時候，由于自然環(huán)境與墻體之間存在溫差，因而導致建筑中墻體的邊角部分易受到應力產(chǎn)生的破壞[17]。

2.4 建筑構件在40℃下的應力應變

在其他條件不變的情況下，將溫度設置為40℃ ， 內(nèi)、外側墻面的應變云圖如圖6所示；內(nèi)、外側墻面的應力云圖如圖7所示。

從圖6可以看出，在其他條件不變的情況下，更改自然環(huán)境的初始值為40℃ ， 墻體的溫度為26℃ ， 在6 h 的實驗過程中，外側墻體產(chǎn)生的應變相較于內(nèi)測墻體變化較大，并且模擬墻體的中心位置應變較大。

從圖7可以看出，在自然環(huán)境與墻體間產(chǎn)生的溫差中，建筑中墻體產(chǎn)生的應力主要集中在墻體的四周。這證實了裝配式建筑，較易受到應力破壞的為墻體的邊角區(qū)。因此，在日后裝配式建筑中，應該加強維護墻體的邊角區(qū)，從而避免應力帶來的破壞。

3 結語

本文選取的基礎配比是摻量為50％的煤矸石保溫混凝土，運用正交實驗的方法，確定出各種性能參數(shù)都最佳的配比，并測定出各種性能參數(shù)。當抗壓強度為43.08 MPa，干密度為1937 kg/m3，導熱系數(shù)為0.6854 W/（m·K）時，最優(yōu)配比：聚丙烯纖維摻量0.05%，煤矸石為575.5 kg/m3，水泥634 kg/m3，?；⒅榇箢w粒為53.94 kg/m3，小顆粒為26.64 kg/m3，石子575.5 kg/m3，減水劑為6.34 kg/m3。在冬季，墻體外側的溫度由最初的14.5℃降至-8.1℃;內(nèi)測墻體的溫度設置為18℃ ， 由開始15℃降至17.1℃。在夏季，外側墻體的溫度由20.2℃升至38.5℃;內(nèi)側墻體的溫度由15℃升至21.6℃。說明聚丙烯煤矸石保溫混凝土具有較為良好的保溫性、隔熱性。在應力應變的實驗測定中，無論是在夏季還是在冬季，墻體的邊角部分都較易遭到應力帶來的破壞，實際應用中應該對這些邊角部分加強保護。對傳統(tǒng)煤矸石保溫混凝土進行優(yōu)化，研究出一種新型的保溫混凝土——聚丙烯纖維煤矸石保溫混凝土，進而將其應用在裝配式建筑中，達到了預期的目的。

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