玻化微珠保温混凝土性能的试验研究

邱贞发 刘东城 连跃宗 张会芝

(三明学院建筑工程学院，福建 三明 365004)

0 前言

目前，世界面临着能源危机，而建筑耗能又占有很大的比例，建筑节能已经成为国内外关注的焦点，针对这种情况发达国家早已从建筑节能着手来缓解能源危机。［1－3］我国也颁布了一系列的建筑节能标准和法规，采取一系列的节能措施来解决能源问题。［4－5］加强墙体结构的保温隔热措施，是建筑节能的重要组成部分;而玻化微珠混凝土是新型绿色环保混凝土，是在传统的混凝土中加入轻骨料“玻化微珠”及外加剂而形成的一种既具有传统混凝土力学性能又具有保温性能的人造石材。［6－7］由于玻化微珠具有质轻、导热系数低、防火、耐高低温、抗老化及理化性能稳定等良好性能，可使掺有玻化微珠的混凝土防火、耐久性、保温性能等有所提高，因此特别适用于有保温节能要求的建筑物围护结构构件。这种新型玻化微珠混凝土是一种真正意义上的绿色环保产品，在创造巨大经济效益、社会效益的同时，也净化了环境，具有极佳的环境效益。玻化微珠混凝土的研究还处于初级阶段，进一步确定其配合比及力学性能指标是目前亟需解决的问题，在解决问题的同时也为国家的环保节能做出了贡献。

基于以上认识，本文结合建筑垃圾的混凝土再生利用，选取再生粗骨料取代率为100%，对不同再生细骨料取代率及玻化微珠体积掺量对混凝土性能的影响进行了试验研究，并得出一些有意义的结论。

1 玻化微珠保温混凝土的配合比设计

1.1 试验原材料

再生粗骨料及试验所用材料参数详见文献［8］，再生细骨料的主要性能见表1。玻化微珠:粒度0.5～1.5 mm，容重 110 kg/m3，导热系数0.047～0.054 W/(m·K)，筒压强度38% ～46%，耐火度1 280℃ ～1 360℃。

表1 再生细骨料的主要性能

1.2 玻化微珠保温混凝土配合比设计

参考JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》进行再生保温混凝土的配合比设计，再生混凝土的试配强度可以按以下公式确定:

σ的取值见表2，取σ =5.0，由此得出fcu，0=38.225 MPa

表2 σ取值表

由于再生集料的吸水率较大，且不同来源的再生集料的吸水率差别也较大，因而与普通混凝土不同的是，再生混凝土的用水量或水灰比必须考虑再生集料的吸水率。

再生混凝土的用水量和水灰比，可分总用水量和总水灰比与净用水量和净水灰比。所谓净用水量指的是不包括再生集料吸水率在内的混凝土用水量，相应的水灰比则为净水灰比。而总用水量则是指包括再生集料吸水率在内的混凝土用水量，相应的水灰比则为总水灰比。

由于不同再生集料的吸水率差别较大，所以在再生混凝土配合比设计中水灰比通常用净用水量或净水灰比表示。只有在使用再生细集料时，由于再生细集料的吸水率很难准确测定，才允许用总用水量和总水灰比表示。［9］

根据已知的再生混凝土的试配强度fcu，0及所用水泥的实际强度或水泥强度等级，按照混凝土强度公式计算出净水灰比为:

回归系数根据JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》取值为0.46，0.07。

其中，rc为水泥强度等级值的富余系数，可按实际统计资料确定;fce，g为水泥强度等级值(MPa)。

取rc=1.13，fce，g=42.5 得出再生混凝土的净水灰比为0.56。考虑到再生混凝土的力学及耐久性能较普通混凝土低，进行配合比设计时适当调低参考的净水灰比0.01～0.05，因此采用再生混凝土的净水灰比取0.55。

考虑到试验的玻化微珠保温混凝土主要用于混凝土小型空心砌块，该类砌块是采用半自动或全自动砌块成型机进行生产的，成型后立即脱模，所以必须采用干硬性混凝土，因此本文取再生混凝土的坍落度为10～30 mm。根据生产混凝土空心砌块要求的坍落度和粗集料的最大粒径查阅JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》的相应表格，确定单方混凝土的参考用水量，并在此基础上增加5%作为最终的净用水量(表3)。取单方再生混凝土的参考净用水量为270～285 kg/m3。

表3 再生混凝土的不同粒径净用水量

根据实测的再生粗集料吸水率，求出每立方米再生混凝土的附加用水量。净用水量与附加用水量之和为每立方米再生混凝土的总用水量，即:

其中，mwt为每立方米再生混凝土的总用水量(kg);mwn为每立方米再生混凝土的净用水量(kg);mwa为每立方米再生混凝土的附加用水量(kg);mg为每立方米再生混凝土的粗集料用量(kg);Wwg为再生粗集料的吸水率(%);r为再生粗集料的取代率(%)。

查阅JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》，水灰比为0.25，粗骨料最大粒径为10 mm，选取砂率为0.4。综上所述，初定再生混凝土的基准组配合比参数为:净水灰比为0.25，砂率为0.4，单方净用水量为270 kg/m3，再生粗骨料掺量100%，水泥用量384 kg/m3，水泥体积(m3):

根据已确定的净用水量、水泥用量、砂率，通过式(7)和式(8)用体积法分别求得再生粗骨料、砂的用量:

式(7)中，α为再生混凝土的含气量百分数，初步取值为1%。

由此可得，再生粗骨料的用量mg=1 205 kg/m3，砂的用量301 kg/m3，水的用量mw=285 kg/m3。

因此再生混凝土初步配合比为:水灰比0.25，每立方米混凝土中各材料用量为:再生粗骨料用量1 205 kg/m3，水泥用量384 kg/m3，粉煤灰用量96 kg/m3，大田中砂用量301 kg/m3，水用量285 kg/m3。

再生粗骨料的取代率为100%，再生细骨料的取代率分别0%、50%、100%，玻化微珠掺量取占混凝土总体积比 120%、110%、100%、90%、80%、60%，进行再生混凝土的试配，则再生混凝土配合比初步设计如表4所示。表4中①为中砂用量，NC为301 kg/m3，其余为7.52 kg/m3，即再生细骨料取代率0%;②为再生细骨料和中砂，NC为150.5 kg/m3，其余为3.76 kg/m3，即再生细骨料取代率50%;③为再生细骨料，NC为301 kg/m3，其余为7.52 kg/m3，即再生细骨料取代率100%。

表4 再生混凝土配合比初步设计

2 玻化微珠保温混凝土试验结果分析

玻化微珠保温混凝土的测试结果详见表5及图1～图4。

图1 不同细骨料取代率时玻化微珠掺量和28 d抗压强度的关系

图2 不同细骨料取代率时玻化微珠掺量和导热系数的关系

图3 不同细骨料取代率时玻化微珠掺量和密度的关系

图4 不同细骨料取代率时密度和导热系数的关系

表5 再生保温混凝土试验结果

由表5及图1～图4可知:

1)不同再生细骨料取代率时，随玻化微珠体积掺量的增加，混凝土28 d抗压强度均降低;相同的玻化微珠体积掺量时，细骨料取代率越大，混凝土28 d抗压强度越低，但在玻化微珠体积掺量为80%、细骨料取代率50%时的强度反而比不掺加细骨料时略高，这可能是由于细骨料吸水率较大，导致有效水灰比降低而造成的，其机理有待于进一步深入研究。

2)随玻化微珠体积掺量的增加，不同再生细骨料取代率的混凝土导热系数均降低，表明其保温性能增加，且玻化微珠掺量为0% ～60%时导热系数降低的幅度更大;相同的玻化微珠体积掺量时，细骨料取代率越大，相应的导热系数越低。这与玻化微珠再生混凝土的自保温机理有关，即自保温的实现是由于玻化微珠本身是轻质的封闭气孔，其导热系数较低，保温性能较好，体积掺量越多，在再生混凝土分布的封闭气孔就越多，导致其密度、强度和导热系数均降低;但由于再生细骨料本身具有一定的孔隙，因此随着再生细骨料掺量的增加，使再生混凝土中孔隙分布更多，以致出现以上试验现象。

3)随着玻化微珠体积掺量的增加，混凝土密度均降低，玻化微珠体积掺量在0% ～60%区间时降低的幅度更大;玻化微珠体积掺量相同时，再生细骨料取代率越大，再生混凝土的密度越小。

4)再生混凝土导热系数随着密度降低而减小，且随再生细骨料取代率的增大，密度降低导致的导热系数降低的幅度也越大，这与以往的研究结论一致。［10］其原因如下:再生混凝土密度降低主要是由于玻化微珠体积掺量增大和再生细骨料取代率增加而导致的，而无论是玻化微珠还是再生细骨料，本身都有一定的空隙，掺量增加，使混凝土材料空隙更多，导致其密度下降，导热系数降低，保温性能增加。由图4可以预测，如采取适当掺加外加剂等措施，使再生自保温混凝土材料密度降低到1 800 kg/m3以下时，导热系数将进一步降低。

3 结论

本文探讨了玻化微珠保温混凝土的配合比设计，再生粗骨料取代率为100%，试验研究了再生细骨料取代率及玻化微珠体积掺量对玻化微珠保温混凝土性能的影响，试验结果表明:

随着玻化微珠体积掺量的增加，不同再生细骨料取代率时的玻化微珠保温混凝土的密度、导热系数及28 d抗压强度均降低;再生混凝土导热系数随着密度降低而减小，且随再生细骨料取代率的增大，密度降低导致的导热系数降低的幅度也越大，可以预测，如采取适当掺加外加剂等措施，使再生自保温混凝土材料密度降低到1 800 kg/m3以下时，导热系数将进一步降低。试验结果对于玻化微珠混凝土保温性能的优化设计具参考价值。

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