李振龙 李 颖 吴春丽
（广东省建筑材料研究院）
【摘 要】利用再生细骨料制备陶粒混凝土，通过正交试验设计考察不同水泥用量、再生细骨料替代掺量、砂率、用水量等对陶粒混凝土抗压强度、导热系数等性能的影响，得出陶粒混凝土性能最优的配合比，进一步提高建筑废弃物资源综合利用率，为陶粒混凝土的生产配比提供技术参考。
【关键词】再生细骨料；陶粒混凝土；抗压强度；导热系数
随着我国大规模建设和城镇化，产生了大量无法降解的建筑废弃物，由于建筑废弃物资源综合利用低下，大量堆存的建筑废弃物使原本相对较差的环境问题更加突出[1]。近年来随着相关部门的重视以及国内学者的大量研究，建筑废弃物在源头产生、加工处理、应用技术等方面已具有一定的研究基础，尤其是对废弃混凝土和砂浆、废弃烧结砖等无机材料的处理加工技术较为成熟，经过处理的再生骨料已基本达到普通砂、石骨料的相关要求。本文在此基础上，利用经过冲击式破碎颗粒整形优化的再生细骨料制备具有轻质、高强、保温的陶粒混凝土，对再生细骨料的再生利用途径进行探讨，通过试验获得材料综合性能最佳配合比，为再生细骨料制备陶粒混凝土提供技术参考。
陶粒混凝土主要是指利用经过高温烧胀、内部具有均匀分布较小封闭气孔的陶粒作为粗骨料，与胶凝材料、细骨料、外加剂等制备而成的一种无机保温材料，具有质量轻、强度高、保温效果好、施工适应性强等特点，目前广泛应用于道路工程、桥梁工程、环保节能建筑工程等。本文研究采用页岩陶粒作为粗骨料，为避免因陶粒容重较水泥砂浆小而出现大量陶粒上浮的情况[2]，制备陶粒混凝土时先用一部分水对陶粒进行预湿后再进行混料搅拌成型，经养护得到陶粒混凝土试样进行抗压强度和导热系数性能测试分析。
⑴水泥：广州石井水泥公司生产的 P·O42.5R 普通硅酸盐水泥，其各项性能指标均符合 GB175-2007《通用硅酸盐水泥》中的质量要求。
⑵细骨料：采用冲击式破碎的再生细骨料以及市售天然河砂，颗粒级配及物理性能如表1及表 2所示。
表1 细骨料颗粒级配
细骨料种类颗粒级配（%） 细度模数4 . 7 5 2 . 3 6 1 . 1 8 0 . 6 0 . 3 0 . 1 5天然河砂 0 . 2 4 1 8 . 2 3 3 . 5 6 5 . 1 8 0 . 5 9 9 . 2 2 . 9 6再生细骨料 0 . 1 2 2 . 5 3 7 . 4 5 9 . 1 8 0 . 5 9 6 . 7 2 . 9 6
表2 细骨料物理性能
细骨料种类有害物质含量天然河砂 2 5 7 3 1 5 1 8 1 . 0 1 . 4 5 . 7 2 . 8 合格表观密度（k g / m3）堆积密度（k g / m3）含泥量（%）泥块含量（%）坚固性（%）吸水率（%）再生细骨料 2 4 1 1 1 3 5 0 3 . 9 4 . 2 8 . 9 6 . 6 合格
⑶陶粒：市售页岩陶粒，物理性能如表 3 所示，其各项性能均符合标准 GB/T17431.1-2010《轻集料及其试验方法 第 1 部分：轻集料》中的要求。
表3 陶粒物理性能
项目 测试结果 标准要求堆积密度（k g / m3） 5 6 0 ＞5 0 0，≤6 0 0筒压强度 M P a 2 . 5 ≥2 . 0 1 h 吸水率（%） 9 . 4 ≤1 0粒形系数（圆球形） 1 . 5 ≤2 . 0烧失量 1 . 3 ≤5含泥量（%） 0 . 5 ≤3 . 0有机物含量（比色法） 合格 合格
⑷水：普通自来水。
⑸外加剂：市售 FL-HPC 聚羧酸高效减水剂，掺量为胶凝材料 1.2%（减水率约为 30%）。
⑹纤维：市售聚丙烯纤维，掺量为物料 0.5%。
4.1 配合比设计
根据标准 JGJ51-2002《轻骨料混凝土技术规程》中的方法，试验采用松散体积法设计陶粒混凝土配合比，具体步骤如下：
⑴根据公式 fcu,o≥fcu,k+1.645σ 确定试配强度 fcu,o，并根据试配强度和水泥强度等级选取水泥用量 mc；其中强度标准差 σ 的取值为 4.0。
⑵根据试验对工作性能的要求和水灰比的大小选取用水量 mw；
⑶根据骨料类型和品种，以及骨料级配情况选用粗细骨料总体积 Vt；
⑷根据粗骨料空隙率和级配情况选用合理砂率 Sp；
⑸根据以下公式计算粗细骨料的用量：
Vs=Vt×Sp
ms=Vs×ρs
Va=Vt-Vs
ma=Va×ρa
式中：
Vs、Va、Vt——每立方米细骨料、粗骨料和粗细骨料的松散体积（m3）；
ms、ma——每立方米细骨料和粗骨料的用量（kg）；
Sp——砂率（%）；
ρs、ρa——细骨料和粗骨料的堆积密度（kg/m3）。
4.2 正交试验设计
陶粒混凝土设计强度为 LC10～LC15，根据配合比设计计算出配料大致范围，通过正交试验设计，以水泥用量、再生细骨料替代天然砂掺量、砂率、用水量为正交试验变量因素，一方面考察不同变量因素对陶粒混凝土性能的影响趋势以及主次顺序，另一方面通过较少试验定量确定性能最优的陶粒混凝土配比。陶粒混凝土正交试验因素水平表如表4所示：
表4 陶粒混凝土正交设计因素水平
因素 水平A 水泥用量( K g / m3) B 再生细骨料掺量( % ) C 砂率( % ) D用水量2 8 0 3 0 0 3 2 0 3 4 0 0 3 0 6 0 1 0 0 3 8 4 1 4 4 4 7 1 3 0 1 4 5 1 6 0 1 7 5
5.1 测试结果
陶粒混凝土根据正交试验设计配比成型试样，其中减水剂掺量为水泥用量的 1.8%，陶粒利用总用水 50%进行预湿 1h，试验物料用量及性能测试结果如表 5 所示。
表5 陶粒混凝土正交试验配比及测试结果
试验编号 水泥( k g / m3)导热系数( W /（m · k）) L 1 2 8 0 0 3 8 1 3 0 1 5 2 2 1 7 . 4 0 . 6 7 L 2 2 8 0 3 0 4 1 1 4 5 1 5 0 3 1 8 . 6 0 . 7 3 L 3 2 8 0 6 0 4 4 1 6 0 1 4 8 6 1 9 . 5 0 . 7 1 L 4 2 8 0 1 0 0 4 7 1 7 5 1 5 1 1 1 7 . 1 0 . 7 3 L 5 3 0 0 0 4 1 1 6 0 1 5 8 8 2 1 . 2 0 . 8 2 L 6 3 0 0 3 0 3 8 1 7 5 1 5 6 6 2 0 . 9 0 . 7 6 L 7 3 0 0 6 0 4 7 1 3 0 1 6 5 2 2 2 . 7 0 . 8 4 L 8 3 0 0 1 0 0 4 4 1 4 5 1 6 3 7 1 9 . 9 0 . 8 1 L 9 3 2 0 0 4 4 1 7 5 1 7 1 8 2 3 . 9 0 . 8 8 L 1 0 3 2 0 3 0 4 7 1 6 0 1 7 3 3 2 5 . 0 0 . 8 7 L 1 1 3 2 0 6 0 3 8 1 4 5 1 7 7 2 2 5 . 6 0 . 9 6 L 1 2 3 2 0 1 0 0 4 1 1 3 0 1 7 5 4 2 3 . 0 0 . 9 0 L 1 3 3 4 0 0 4 7 1 4 5 1 7 9 3 2 6 . 5 0 . 9 2 L 1 4 3 4 0 3 0 4 4 1 3 0 1 7 4 6 2 5 . 2 0 . 9 4 L 1 5 3 4 0 6 0 4 1 1 7 5 1 7 1 1 2 5 . 0 0 . 9 0 L 1 6 3 4 0 1 0 0 3 8 1 6 0 1 7 2 2 2 2 . 3 0 . 8 9再生细骨料( % )砂率( % ) 用水量( k g / m3) 干密度( k g / m3)抗压强度( M P a )
5.2 抗压强度影响因素分析
对正交试验抗压强度进行直观分析，结果如表6所示。
表6 抗压强度直观分析
A水泥用量 B再生细骨料掺量 C砂率 D用水量K軈1 1 8 . 1 5 0 2 2 . 2 5 0 2 1 . 5 5 0 2 2 . 0 7 5 K軈2 2 1 . 1 7 5 2 2 . 4 2 5 2 1 . 9 5 0 2 2 . 6 5 0 K軈3 2 4 . 3 7 5 2 3 . 2 0 0 2 2 . 1 2 5 2 2 . 0 0 0 K軈4 2 4 . 7 5 0 2 0 . 5 7 5 2 2 . 8 2 5 2 1 . 7 2 5 R 6 . 6 0 0 2 . 6 2 5 1 . 2 7 5 0 . 9 2 5
由正交试验直观分析表可知，A 因素中K軈4最大，B 因素中K軈3最大，C 因素中K軈4最大，D 因素中K軈2最 大 ，因此该正交试验对于抗压强度的理论最优配比为 A4B3C4D2，即水泥用量 340kg/m3，再生细骨料替代掺量为 60%，砂率为 47%，用水量为 145kg/m3，正交试验中没有出现理论最优配比。由极差R分析结果可知，影响因素对陶粒混凝土抗压强度的影响作用主次顺序为 A＞B＞C＞D，即水泥用量＞再生细骨料掺量＞砂率＞用水量。
5.3 导热系数
对正交试验导热系数进行直观分析，结果如表7所示。
表7 导热系数直观分析
A水泥用量 B再生细骨料掺量 C砂率 D用水量K軈1 0 . 7 0 8 0 . 8 1 5 0 . 8 1 5 0 . 8 2 8 K軈2 0 . 7 9 8 0 . 8 1 8 0 . 8 2 8 0 . 8 5 3 K軈3 0 . 8 9 0 0 . 8 4 8 0 . 8 3 0 0 . 8 1 5 K軈4 0 . 9 1 0 0 . 8 2 5 0 . 8 3 3 0 . 8 1 0 R 0 . 2 0 2 0 . 0 3 3 0 . 0 1 8 0 . 0 4 3
陶粒混凝土导热系数越小，节能效果越好，由正交试 验 直 观 分 析 表 可 知 ，A 因 素 中 軈K1最 小 ，B 因 素 中 軈K1最小，C 因素中軈K1最小，D 因素中K軈4最 小，因此该正交试验对于导热系数的理论最优配比为 A1B1C1D4，即水泥用量280kg/m3，再生细骨料替代掺量为 0%，砂率为 38%，用水量为 175kg/m3，正交试验中没有出现理论最优配比。由极差 R分析结果可知，影响因素对陶粒混凝土导热系数的影响作用主次顺序为 A＞D＞B＞C，即水泥用量＞用水量＞再生细骨料掺量＞砂率。
5.4 水泥用量影响分析
由正交试验试验结果，水泥用量影响效应曲线图如图1和图2所示。
图1 水泥用量对抗压强度影响曲线
图2 水泥用量对导热系数影响曲线
由正交试验及影响效应图分析可知，陶粒混凝土的抗压强度与导热系数随着水泥用量的增加而增大，水泥水化后形成水泥石具有较高密度及强度，使陶粒混凝土内部填充更加密实，同时水泥水化产物与陶粒的粘结强度提高，陶粒混凝土的抗压强度与导热系数有所提高。而当水泥用量达到一定值后，陶粒混凝土抗压强度变化幅度较小，分析原因是对于陶粒混凝土而言，陶粒的强度往往小于水泥石强度，陶粒混凝土受到压力破坏往往发生在陶粒内部，因此陶粒混凝土抗压强度受陶粒性能的限制[3]，当陶粒混凝土强度达到一定值，即使增加材料体系中的水泥砂浆，其抗压强度也不会产生较大的提高。通过正交试验分析，考虑陶粒混凝土抗压强度较大，导热系数较低的合理水泥用量应为 320kg/m3。
5.5 再生细骨料影响分析
由正交试验试验结果，再生细骨料掺量影响效应曲线图如图3和图4所示。
图3 再生细骨料掺量对抗压强度影响曲线
图4 再生细骨料掺量对导热系数影响曲线
由正交试验及影响效应图分析可知，陶粒混凝土抗压强度和导热系数均随着再生细骨料掺量增大先增大后减小。再生细骨料经过破碎和粒形处理，再生细骨料表面附着的硬化水泥浆石成为粒径较小的颗粒或者是微粉，再生细骨料中含泥量及吸水率明显高于天然砂。当再生细骨料掺量逐渐增大时，再生细骨料中的石粉可在一定程度上使陶粒混凝土体系达到更加密实状态，抗压强度有所提高，导热系数随着材料孔隙率的减少也有所增加，当再生细骨料掺量为 60%时抗压强度与导热系数最大。当水泥用量和用水量一定时，继续增加再生细骨料掺量，会导致水泥浆体稠度较低，包裹骨料的水泥浆体不足，导致混凝土内部结构疏松；另外由于再生细骨料经过破碎处理，内部可能存在一定微裂纹和损伤累积，因此当再生细骨料掺量为 100%时，抗压强度降低幅度较大，导热系数也有所下降。由正交试验分析，同时考虑再生骨料资源综合利用，陶粒混凝土抗压强度较高、导热系数较低的再生细骨料掺量合理范围为 30%～60%。
5.6 砂率影响分析
由正交试验试验结果，砂率影响效应曲线图如图5和图6所示。
图5 砂率对抗压强度影响曲线
图6 砂率对导热系数影响曲线
由砂率影响效应曲线图可知，陶粒混凝土的抗压强度与导热系数均随着砂率的增加而增加，这是由于轻质陶粒为孔隙率较大的轻骨料，其自身强度较小，陶粒混凝土中对抗压强度起主要作用的是胶凝材料，当砂率增大时，材料体系中形成的水泥砂浆较陶粒多，水泥水化产物与陶粒逐渐形成“嵌套”型的界面粘结状态，改善了界面结构[4]，同时材料体系更加密实，水泥浆体与陶粒之间的空隙率较低，提高了陶粒混凝土的强度，而导热系数也随着材料体系空隙率的降低而增大。通过正交试验分析，陶粒混凝土可达到强度较高、导热系数较低的合理砂率为 44%。
5.7 用水量分析
由正交试验试验结果，用水量影响效应曲线图如图7和图8所示。
由正交试验及其影响效应图分析可知，陶粒混凝土抗压强度和导热系数随着用水量的增加先增大后降低，当用水量为 145kg/m3时抗压强度与导热系数最大。分析原因是当陶粒混凝土用水量为 145kg/m3时，充分满足了不同材料需水量的要求，料浆稠度与工作性较好，并且与陶粒达到较好的填充密实状态，此时陶粒混凝土抗压强度与导热系数达到最大。然而当用水量继续增加，陶粒混凝土所含自由水增多[5]，在养护期间水分蒸发后，水泥砂浆内部留下许多微细的孔隙，使水泥砂浆的密实度与陶粒之间的粘结强度降低，导致陶粒混凝土抗压强度有所降低，而导热系数也随着孔隙率的增大而增大。通过正交试验分析，当用水量为 160kg/m3时陶粒混凝土抗压强度较 145kg/m3时降低了 2.9%，导热系数降低了 4.6%，因此当陶粒混凝土抗压强度满足相关使用要求时，可在合理范围内增加材料用水量。
图7 用水量对抗压强度影响曲线
图8 用水量对导热系数影响曲线
⑴通过正交试验，不同变量因素对陶粒混凝土抗压强度的影响主次顺序为水泥用量＞再生细骨料掺量＞砂率＞用水量，对导热系数的影响主次顺序为水泥用量＞用水量＞再生细骨料掺量＞砂率。
⑵试验通过直观分析和各因素影响效应曲线分析，获得陶粒混凝土各变量因素配比为水泥用量应为320kg/m3，再生细骨料掺量 60%，砂率 44%，用水量160kg/m3。
⑶通过试验获得陶粒混凝土性能最佳配比和各因素影响规律，为再生细骨料资源综合利用以及陶粒混凝土的制备技术提供了参考依据。●
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