轻骨料非结构构件混凝土的制备及其性能研究
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《混凝土》2016年第2期
炉渣混凝土的制备及其性能研究
张建鹏，李刚，马玉薇，姜曙光，邢海峰，张付奇
摘要：与普通混凝土相比，轻骨料混凝土具有密度小、质量轻以及很好的减震效果等优势，尤其在装配式建筑中具有很好的应用前景。以陶粒、炉渣、水泥、粉煤灰等为原材料，采用正交试验设计方法，配制出适合装配式建筑使用的轻骨料非结构构件混凝土。试验结果表明：水胶比和砂率是影响轻骨料混凝土力学性能的主要因素，试验最优方案为水胶比为0．65，粉煤灰取代率为50％，体积砂率为35％，符合轻集料混凝土隔墙条板的强度和面密度要求。
0前言
新疆拥有非常丰富的煤炭资源，截止2009年底，已探明的煤炭资源总量就达到2.19万亿吨，储藏量位居全国之首[1]。这些煤炭资源被应用于本地区的经济发展，以及响应国家西煤东运的政策支援甘肃、陕西、湖北、重庆等地区，极大地促进地方经济发展[2]。但经济快速发展的背后是环境的污染，各地的火电厂产生了大量的燃烧废料，例如炉渣，粉煤灰，仅2010 年新疆煤炭产量 9926.73 万吨[3]，按火电用煤50%计算[4]，则燃炉渣的年排放量为1240.84万吨，而炉渣的量和粉煤灰的相当，约为620.42万吨。
目前，粉煤灰已经在混凝土中广泛应用，粉煤灰不仅可以改善混凝土的和易性，而且可以提高其抗压强度[5]，而炉渣化学成分与粉煤灰相似，但利用率较低，主要用于道路铺设和制砖。将其用于混凝土的掺合料，不仅能降低混凝土造价，还可以减少环境污染。周俊龙[6]等研究了不同掺量的炉渣对混凝土力学性能的影响，其结果表明当炉渣掺量小于20%时，对混凝土的影响较小，但当掺量大于30%，混凝土的抗折强度下降较大。李燕等研究表明采用等量取代法[7]，以炉渣作为混凝土掺合料时，掺量应控制在30%以内，这些研究中炉渣的掺量均比较少。本研究以炉渣作为轻骨料混凝土的细骨料，其掺量分别为35%、40%、45%，同时考虑水胶比和粉煤灰取代率的影响，采用正交设计的试验方法，制备出适合装配式建筑使用的轻骨料非结构构件混凝土，研究影响混凝土抗压、抗折强度及表观密度等物理力学性能指标的主次要因素，给出满足轻骨料隔墙条板的炉渣混凝土的最佳配合比。
1试验原材料
本试验胶凝材料为水泥和粉煤灰，细骨料为炉渣，粗骨料为陶粒，试验用水为自来水。试验所用的水泥为新疆石河子市南山水泥厂生产P·C32.5复合硅酸盐水泥。粉煤灰来自石河子市南热电厂II 级粉煤灰，经测定粉煤灰密度为2.7g/cm3。粗集料为沙湾陶粒厂生产的页岩陶粒，粒径5-25mm，堆积密度550.7kg/m3，颗粒表观密度892.9 kg/m3，1h吸水率6.15%，筒压强度2.3MPa。 细集料是石河子南热电厂的燃烧废弃物炉渣，堆积密度916 kg/m3，粒径均小于5mm，细度模数2.6，小于4.0，满足轻砂要求。
2试验方案的设计
试验参照JGJ 51-2002《轻骨料混凝土技术规程》要求，初步确定各项材料的用量，通过试拌调整各项材料的用量，满足建筑用轻质隔墙条板的基本要求。采用采用正交试验方法，针对轻骨料炉渣混凝土，取三个影响因素：水胶比、粉煤灰取代率和体积砂率，每个因素取三个水平。总用水量为净用水量和附加用水量之和，其中的附加用水量为陶粒用量与陶粒 1h 吸水率的乘积。每组每立方混凝土净用水150kg，陶粒550kg。
试验采用三因素三水平的正交试验表(L9(34))设计试验方案。按正交试验方案制备抗压和抗折标准试件，以样品28天的抗压强度、抗折强度和表观密度作为主要的考核指标。各因素水平表见表1。
表1 因素水平表
水胶比 A | 粉煤灰取代率(%) B（%） | 砂率(%) C（%） | |
1 | 0.65 | 40 | 35 |
2 | 0.70 | 50 | 40 |
3 | 0.75 | 60 | 45 |
3 试验结果分析
按标准规定成型试件，自然养护28 d后进行抗压强度、抗折强度和表观密度的测定。测定结果见表2。本试验中抗压强度和抗折强度按 GB/T50081-2002 《普通混凝土力学性能试验方法标准》要求在WE-60型万能材料试验机上进行测试。其中，抗折强度采用三分点加荷的方式进行测试。表3为对正交试验数据进行分析所得的极差分析结果。
表2 轻骨料炉渣混凝土轻质混凝土的抗压强度和抗折强度及表观密度
组号 | 水胶比 | 粉煤灰 | 砂率 | 抗压强度（MPa） | 抗折强度（MPa） | 表观密度 |
取代率 | (kg/m3) | |||||
1 | 1 | 1 | 1 | 6.82 | 1.1 | 1195.4 |
2 | 2 | 1 | 2 | 6.21 | 1.03 | 1293.7 |
3 | 3 | 1 | 3 | 2.3 | 0.74 | 1202.6 |
4 | 1 | 2 | 2 | 6.63 | 1.32 | 1311.2 |
5 | 2 | 2 | 3 | 2.43 | 0.72 | 1123 |
6 | 3 | 2 | 1 | 5.72 | 1.12 | 1287.4 |
7 | 1 | 3 | 3 | 5.88 | 1.13 | 1312.1 |
8 | 2 | 3 | 1 | 4.2 | 1.05 | 1324.5 |
9 | 3 | 3 | 2 | 4.07 | 0.73 | 1275 |
表3 正交试验极差分析
考核指标 | 水胶比A | 粉煤灰B | 砂率C | |
抗压强度 | 极差 | 2.413 | 0.393 | 2.100 |
优方案 | A1 | B1 | C2 | |
抗折强度 | 极差 | 0.320 | 0.096 | 0.227 |
优方案 | A1 | B2 | C1 | |
表观密度 | 极差 | 25.833 | 73.300 | 80.733 |
优方案 | A2 | B1 | C3 | |
3.1 抗压强度的影响分析
通过表2可以看出，试件的抗压强度大多分布在4至6.5MPa，但第三组和第五组试件的抗压强度比其他各组降低较大，均低于2.5MPa，这主要是受水胶比和粉煤灰取代率的影响。
通过表3的极差分析结果可以看出，对轻骨料炉渣混凝土抗压强度而言，各因素的极差大小关系为：A>C>B，即：水胶比对混凝土的抗压强度影响最大，其主要原因是水泥作为混凝土中的粘结材料，提供主要的粘结力；其次是砂率，本混凝土细骨料采用的是火电厂炉渣，在混凝土陶粒颗粒之间作为填充材料，对混凝土的抗压强度影响也比较大；而粉煤灰的掺量对混凝土的抗压强度影响最小，最优的试验方案是A1B1C2。
3.2 抗折强度的影响因素分析
由表3极差数据可以看出，在试验因素水平变化范围内，各因素的极差大小关系为：A>C>B，即水胶比的极差最大，对强度的影响也最大，砂率次之，粉煤灰取代率最小，最优的试验方案是A1B2C1。
3.3 表观密度的影响因素分析
由表3极差分析可知，砂率对混凝土表观密度的影响最大，主要是因为本实验砂率采用的是体积砂率，且炉渣的堆积密度是陶粒堆积密度的1.66倍，在试验因素水平变化范围内，各因素的极差大小关系为：C>B>A，且最优方案是A2B1C3。
从以上的分析可知，对于轻骨料混凝土的抗压强度、抗折强度两个主要指标的最优方案，影响因素相同，但各因素的最优水平不同。为了便于综合分析，图1给出了各因素的水平变化对抗压强度、抗折强度和表观密度的影响，其中横坐标为各因素的水平，纵坐标表示因素在各个水平所在的试验中所对应的强度平均值。
从图1 中可以看出：当水胶比处于0.65时，抗压和抗折分别有最高的强度6.443MPa和1.183MPa, 当水胶比处于0.70时，抗压强度下降到4.28 MPa；当水胶比增加到0.75时，抗压强度下降到最低4.03 MPa，而抗折强度也处于最低值0.863 MPa。 说明随着水胶比增大，总体而言轻骨料混凝土的强度会出现降低的趋势。同时，也不利于混凝土的成型。当水胶比处于0.70时，混凝土有最低的表观密度1247.1 kg/m3，相比水胶比为0.65和0.75时的表观密度，变化不大。
从图3 中可以看出：对于砂率而言，随着砂率的增大，轻骨料混凝土的主要指标抗压强度和抗折强度均呈现下降趋势，当体积砂率为35%时，抗压强度和抗折强度分别有最大值5.937 MPa和1.09 MPa。 而表观密度随体积砂率的增加呈现先增加后降低的变化趋势，在砂率为45%时，表观密度达到最小1212.6 kg/m3 。
综上所述，适用于装配式建筑使用的轻骨料非结构构件混凝土的最优试验方案为A1B2C1，即水胶比为0.65，粉煤灰取代率为50%，体积砂率为35%，可以满足轻集料混凝土的强度及面密度要求。
4.结论
以陶粒、炉渣、水泥、粉煤灰等为主要原材料，采用正交试验设计方法，配制出适合装配式建筑使用的轻骨料非结构构件混凝土。试验结果表明：水胶比对轻骨料混凝土的抗压强度和抗折强度起最主要作用；轻骨料混凝土的抗压强度和抗折强度随煤渣掺量的增大而降低。 试验得到的最佳的试验配比为水胶比0.65，粉煤灰取代率50%，体积砂率35%,其满足装配式建筑使用的轻骨料非结构构件混凝土使用要求。
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