轻集料混凝土最佳配合比设计及其性能的研究 王 磊，王 璇 （安徽理工大学土木建筑学院，安徽淮南２３２００１） 【摘要】 保温隔热的墙板现广泛用于一般的建筑物中，所以对新型的隔板研制非常有必要。轻质隔 墙板是在保证其具有一定的强度条件下，尽可能地降低板密度。但是轻质墙板的强度一般比较低，而高强度 墙板的密度等级比较大。所以要通过一系列正交试验设计得出一组最佳的配合比，使墙板既能满足强度要 求又能满足质量要求。 【关键词】轻集料混凝土； 正交实验； 干表观密度； 导热系数；抗压强度 【中图分类号】ＴＵ５２８．２ 【文献标识码】Ｂ 轻集料混凝土的定义，一般是由轻集料配制成、密度不 襄１因素与水平 大于１ ９００ ｋｇ／ｍ 的轻质混凝土，有时也称之为多孑Ｌ集料轻 因素 混凝土。通常是以水泥为胶凝材料，煤矸石或再生的ＥＰＳ颗 水平 水泥用量 净用水量 陶砂体积与 轻骨料的总 粒作为保温粗骨料，陶砂、膨胀珍珠岩砂、浮石砂等作为细集 （ｋｇ） （ｋｇ） 总体积之比 体积（ｍ ） 料，经过搅拌、成型、养护而制作成的轻质混凝土。 本试验过程中会遇到一些问题，必须通过改良一些工艺 ３１Ｏ １５０ ０．４０ １．３Ｏ 来解决。例如材料ＥＰＳ具有表面的憎水性，就是与一些无机 ３２０ １６０ ０．４５ １．４０ 的胶凝材料部黏结或者黏结效果很差，还有其密度小，在搅 ３３０ １７０ ０．５Ｏ １．５Ｏ 拌的过程中可能出上浮现象，所以在试验过程必须改良一些 方法解决试验材料物理性能引起的问题。本试验主要是正 表２正交实验表 交试验设计进行多组试验，根据试验结果分析得出最佳一组 Ａ Ｂ Ｃ Ｄ 配合比，在最佳配合比的基础上进行导热性和物理力学性能 试验编号 水泥用量 净用水量 陶砂体积与 轻骨料的 （ｋｇ） （ｋｇ） 总体积之比 总体积（ｒｆｌ ） 的试验，研究出我们所需要的轻集料混凝土。 ＪＺ一１ １（３１０） １（１５０） １（０．４０） １（１．３０） ｌ 试验主要材料及配合比设计方法 ＪＺ一２ １（３１０） ２（１６０） ２（０．４５） ２（１．４０） １．１试验主要材料 ＪＺ一３ １（３１０） ３（１７０） ３（０．５０） ３（１．５０） （１）ＥＰＳ：粒径：２—４ ｍｍ，堆积密度：３．５ ｌ，ｇ／ｍ 。 （２）粉煤灰：Ｉ级粉煤灰（淮南市平圩电厂生产）。 ＪＺ一４ ２（３２０） １（１５０） ２（Ｏ．４５） ３（Ｉ．５０） （３）水泥：３２．５（八公山牌复合硅酸盐水泥）。 ＪＺ一５ ２（３２０） ２（１６０） ３（０．５０） １（１．３０） （４）陶砂：体积密度：小于７５０ １，ｇ／ｍ ，导热系数：小于 ＪＺ一６ ２（３２０） ３（１７０） １（０．４０） ２（１．加） ０．１８ Ｗ／（ｍ・Ｋ）。 ＪＺ一７ ３（３３０） １（１５ｏ） ３（Ｏ．５０） ２（１．４０） （５）水：城市自来水。 １．２轻集料混凝土配合比设计方法 ＪＺ一８ ３（３３０） ２（１６０） １（０．４０） ３（１．５０） 本试验的配合比设计方法主要根据《轻骨料混凝土技术 ＪＺ一９ ３（３３０） ３（１７０） ２（０．４５） １（１．３０） 规程》。根据技术规程，轻集料混凝土配合比设计方法主要 备注：ＪＺ为基准组 有松散体积法和绝对体积法。由于本试验采用的是普通砂 和陶砂，所以本试验的配合比设计采用的是松散体积法。 ３试验结果与分析 ２正交试验 ３．１正交试验分析 运用功效系数法对试验结果进行分析，根据试验的目 ２．１确定正交试验因素分析表 的，对于本试验结果主要是研究导热系数和２８ ｄ抗压强度两 通过配合比设计的一般步骤，本试验选取出四因素、三 个考核指标。 水平的正交试验，具体的因素与水平见表１。 ２．２试验具体方案 根据表ｌ的因素与水平，规划出正交试验表２。 ［定稿日期］２０１２—０８—２０ 根据表２正交试验表，通过一些简单的计算可以得出９ ［作者简介］王磊（１９８９一），男，在读研究生，研究方向 组试验的具体配合比，见表３。 为土木工程材料。 四川建筑第３３卷１期２０１３．０２ １８９ 表３正交试验配合比 编号 ＪＺ—ｌ ．水泥用量（ｋｇ） ３１０ ３ｌ０ ３１Ｏ 粉煤灰掺量（水泥 用量的２０％）（ｋｇ） ６２ ６２ ６２ 净用水量（ｋｇ） １５０ ｌ６０ １７０ １ｈ的吸水量（ ） ＥＰＳ泡沫用量（ｋｇ） ２８ ３４ ４０ 陶砂用量（ｋｇ） ３０４．７ ３６９．２ ４３９．６ ２．７３ ２．７Ｏ ２．６３ ＩＺ一２ ＪＺ一３ ．ＩＺ一４ １Ｚ一５ ３２０ ３２０ ３２０ ６４ ６４ ６４ ｌ５０ １６０ １７０ ３６ ３５ ３０ ２．８９ ２．２８ ２．９４ ３９５．６ ３８Ｏ．９ ３２８．０ ．ＪＺ一６ ＪＺ一７ ＪＺ一８ ３３０ ３３０ ６６ ６６ １５０ ｌ６Ｏ ３８ ３２ ２．４５ ３．１５ ４１Ｏ．２ ３５１．２ ＪＺ一９ ３３０ ６６ １７０ ３２ ２．５０ ３４２．８ 功效系数法的定义为：是指根据多目标规划的原理，把 所要评价的各项指标分别对照各自的标准，并根据各项指标 １，记为ｄ＝１。反之，如第 个指标的效果最差，则规定其指 标的功效系数法为０，记为ｄ＝０。剩下指标的功效系数定义 的权数，通过功效函数转化为可以度量的评价分数，再对各 项指标的单项评价分数进行加总，求得综合评价分数，是一 种常见的定量评价方法。 本试验可根据功效系数法定义如下，设定正交试验研究 为其指标值与最好指标的指标值的比值。定义总的功效系 数为ｄ＝ ｄ ｄ …ｄ 。ｄ值的大小即表示总的ｎ个指标的好 坏优劣情况，ｄ值越大越接近１表示总的效果好，反之，越小 越接近０表示总的效果差。下表４是正交试验考核指标和 功效系数的数据。 考核的指标ｎ个，给每个考核指标赋予一个功效系数法，如 第 个考核指标的效果最好，则规定其指标的功效系数法为 表４试验结果分析表 考核指标 功效系数 试验编号 ＪＺ一１ ＪＺ一２ ＪＺ一３ ＪＺ一４ ＪＺ一５ ＪＺ一６ ＪＺ一７ 导热系数［ｗ／（ｍ・Ｋ）］ ０．１９１ ０．１９６ ０．２３２ ０．１９７ ０．２４０ ０．２３０ ０．２２６ ２８ ｄ强度（ＭＰａ） ２．７ ２．９ ３．９ ３．２ ５．２ ４．６ ４．５ 导热系数ｄ１ １．０ｏ ０．９７ ０．８２ ０．９７ Ｏ．８０ ０．８３ ０．８５ ２８ ｄ强度ｄ ２ ０．４９ ０．５３ ０．７１ Ｏ．５８ Ｏ．９５ ０．８４ ０．８２ 总功效系数ｄ：／ ０．７Ｏ Ｏ．７２ ０．７６ ０．７５ ０．８７ Ｏ．８３ Ｏ．８３ ＪＺ一８ ＪＺ一９ Ｏ．２３ｌ Ｏ．２４３ ４．６ ５．５ ０．８３ ０．７９ ０．８４ １．ｏｏ ０．８３ ０．８９ 本试验考核的指标为导热系数和２８ ｄ抗压强度。表４ 表５试验测得导热系数与表观密度 中有测得９组试验试块的导热系数和２８ ｄ抗压强度。运用 功效系数法，可以计算得出每组的导热系数和２８ ｄ抗压强度 的功效系数和总的功效系数。分析表中的数据可得出，编号 ＪＺ一９试块总的功效系数０．８９最大，但其导热系数０．２４３过 大，所以不够理想。编号Ｊｚ一７的试块总的功效系数为 试件编号 试件在自然条件 下表观密度（ｋｇ／ｍ ） ８２０ 导热系数值 ［ｗ／（ｍ・Ｋ）］ Ｏ．１８９ １ ２ ３ ４ ８３ｌ ８５８ ８６９ ９４２ ０．２０１ Ｏ．２Ｏ３ ０．２１３ ０．２４０ ０．８３，导热系数为０．２２６，是我们需要的理想数据，所以Ｊｚ一７ 试块的配合比是最佳的。 ３．２表观密度与导热系数的关系 ５ 对于一般保温材料而言，导热系数是衡量其隔热性能的 一个重要的指标。导热系数的大小直接影响其保温性能，导 系数与干表观密度之间的关系公式为： Ａ＝０．０００４ｐ一０．１３１７ （２） 热系数大保温性能差，反之保温性能好。对于保温隔热的板 材，其干表观密度也是一个重要的性能指标。所以对研究干 表观密度与导热系数之间的关系是很有必要的。表５是试 验测得有关导热系数与表观密度的数据。 经过数据处理与分析得出基准轻集料混凝土的导热 １９０ 根据表５中的统计数据，可以画出轻集料混凝土的导热 系数与其表观密度的关系曲线，如图１。 从上图可以看出试块的导热系数随着表观密度的增大 而增大，这种变化可以近似认为是线性变化。轻集料混凝土 四川建筑第３３卷１期２０１３．０２ 续表 实验编号 ● 干表观密度（ｋｇ／ｍ ） ９３６ ２８ ｄ抗压强度（ＭＰａ） ５．５ ｇ ＪＺ—－９ 一 妊 蕞 曲 经过数据的处理与分析得出基准轻集料混凝土的２８ ｄ 抗压强度与干表观密度之间的关系公式为： ｆ ＝１ Ｘ １０—１２ｐ 表观密度ｐ（ｋｇ／ｍ ） （１） 根据表６中的数据，画出混凝土２８ ｄ抗压强度与干表观 密度的关系曲线，如图２。 图１基准轻集料混凝土导热系数与表观密度的关系 的表观密度大，其内部的密实度就会高，导热系数就会大，反 之如果表观密度较小，其内部的孔隙率就大，内部就会有一 定量的气泡，阻断导热，导热系数就会小。所以我们要想得 到导热系数好的材料其表观密度就会低，表观密度低，其强 度就会随之降低，这又不符合我们研究的目的，所以这是一 种矛盾的关系，寻求它们的最佳组合，就是本试验研究目的。 ３．３干表观密度与抗压强度的关系 表观密度（ｋ ＩＩｌ３） 本试验的目的是寻求一种密度小强度高的保温隔墙，表 观密度和抗压强度是轻集料混凝土的主要性能指标，研究它 图２基准轻集料混凝土干表现密度与抗压强度的关系 们之间的影响关系是很有必要的，表６是正交试验所有编号 组的干表观密度和２８ ｄ抗压强度的统计数据。 表６正交试验结果 实验编号 ＪＺ一１ ＪＺ一２ ＪＺ一３ ＪＺ一４ ＪＺ一５ 从上图的曲线不难看出，试块的抗压强度总体是随着表 观密度的增大而增大的，但很明显这种变化不是线性的。这 主要的原因是因为混凝土试块的干表观密度大，混凝土就会 密实，强度就会高。 干表观密度（ｋｇ／ｍ ） ８Ｏ７ ８１９ ９０９ ８２１ ９２８ ２８ ｄ抗压强度（ＭＰａ） ２．７ ２．９ ３．９ ３．２ ５．２ 我们所研究的新型保温隔墙板材的要求是高强、保温、 轻质，但是同时得到轻质、高强这两种性能是比较困难的，因 为强度大的板材密度必然会大，而密度小的板材其强度会 低，所以本试验就是寻求其中一个平衡点，在满足强度的条 件下尽可能的降低其密度，找到最佳的配比。 ４最佳配合比的确定 对正交试验９组试块一些数据的统计，运用功效系数对 ＪＺ一６ ＪＺ一７ ＪＺ一８ ９０３ ８９４ ９０７ ４．６ ４．５ ４．６ ２８ ｄ抗压强度和导热系数两个考核指标进行数据的分析，最 终得出本论文所需要的轻集料混凝土的最佳配合比（表７）。 表７最佳配合比 水泥用量 （ｋｇ／ｍ。） ３３０ 粉煤灰用量 （ｋｇ／ｍ ） ６６ 总用水量 （ｋｒ，／ｍ ） １８８ 陶砂用量 （ｋｒｃ＇ｍ ） ４１０．２ ＥＰＳ颗粒用量 （ｋｇ／ｍ ） ２．４５ 干表观密度 （ｋｇ／ｍ ） ８９４ ２８ ｄ抗压强度 （ＭＰａ） ４．５ 备注：表中数据是１ ｎｌ 轻集料混凝土所含有的材料质量 参考文献 ［Ｊ］．新型建筑材料，２００５（１２）：１８—２１ ［５］赵晓艳，田稳苓，周明杰，等．ＥＰＳ轻集料混凝土配合比及性能 ［１］ 姜德民，杜明军，潘大林，等．提高ＥＰＳ轻骨料混凝土强度的研 究［Ｊ］．建筑技术，２００９（１）：２７—２９ 试验研究［Ｊ］．混凝土，２００９（２）：５９—６２ ［６］彭家惠，陈明凤，张建新．ＥＰＳ表面改性及其保温砂浆的耐候性 与抗裂性［Ｊ］．重庆大学学报（自然科学版），２００２（１）：２４—２７ ［２］ 李俊，尹健，周士琼，等．基于正交试验的再生骨料混凝土强度 研究［Ｊ］．土木工程学报，２００６（９）：４３—４６ ［７］ＪＧＪ ５１—２００２轻骨料混凝土技术规程［ｓ］ ［８］ 李继业，刘福胜．新型混凝土实用技术手册［Ｍ］．北京：化学工 业出版社，２０ｏ５ ［３］付殿武，李凤起，王祥，等．ＥＰＳ轻集料混凝土强度破坏理论的 研究［Ｊ］．沈阳建筑大学学报（自然科学版），２０１０（５）：４６９ —４７３ ［９］ 王正权，龚延风．ＥＰＳ保温砂浆配合比试验分析［Ｊ］．建筑材料 学报，２ｏｏ５（４） ［４］ 曾珍，张雄．泡沫ＥＰＳ保温砂浆的最佳配合比及其性能研究 四川Ｉ建筑第３３卷１期２０１３．０２ １９１