煤矸石陶粒混凝土的轻质化及保温性能研究

朱明，叶武平，，王发洲，王晶，楚云波

（1.武汉理工大学 材料学院，湖北 武汉　430070；2.中国建筑科学研究院建筑材料研究所，北京　100013；3.北京建工华创科技发展股份有限公司，北京　100044）

煤矸石陶粒混凝土的轻质化及保温性能研究

朱明1，叶武平1，2，王发洲1，王晶2，楚云波3

（1.武汉理工大学 材料学院，湖北 武汉430070；2.中国建筑科学研究院建筑材料研究所，北京100013；3.北京建工华创科技发展股份有限公司，北京100044）

研究了粉煤灰掺量和体积砂率对用煤矸石陶粒和陶砂作为骨料配制的轻骨料混凝土抗压强度和干表观密度的影响，测试了不同强度等级下轻骨料混凝土可以达到的最小干密度及相应的热导系数。结果表明：煤矸石陶粒混凝土的抗压强度和干密度均随着粉煤灰掺量的增加先增大后减小，当粉煤灰掺量为20%时抗压强度和干密度最高；而随体积砂率减小，抗压强度和干密度逐渐减小，满足LC10、LC15和LC20强度等级的最小干密度分别为1145、1220和1297 kg/m3，对应的导热系数分别为0.1941、0.2050、0.2341 W/（m·K）。

全轻混凝土；煤矸石；强度；干密度；热导系数

0　前言

煤矸石陶粒是将符合烧胀要求的煤矸石经过破碎、预热、烧胀、冷却、分级等工艺生产出来的，是人造轻骨料中的一种，堆积密度不大于1200 kg/m3。装配式住宅由于具备节能、节时、节地、节材、节水，建筑垃圾减少90%，施工模板减少85%，人工节省20%～30%，且施工现场基本无粉尘、无噪声等诸多功能特点和环保优势，在节能环保建筑的推广应用中得到越来越广泛的应用［1-3］。轻骨料混凝土不仅能保证强度，同时能大大减轻构件质量，极大减少了吊装和运输的成本，然而，为了进一步推广轻骨料混凝土在装配式住宅中的应用，需要将其做得更轻。目前，对于高强轻骨料混凝土的研究比较多，而对于轻骨料混凝土的轻质性关注的比较少，有学者用高性能陶粒配制轻骨料混凝土，28 d抗压强度达到35.5 MPa，干密度为1380 kg/m3［4］；也有研究者探讨了1000～1400级轻骨料混凝土密度和强度的关系，但线性关系并不理想［5］。在满足混凝土强度的前提下，轻骨料混凝土究竟能做到多轻，轻质化的极限又是怎样的，目前还没有进行深入的研究，轻骨料混凝土更优良的性能有待挖掘。因此，本研究利用废弃煤矸石烧制而成的环保型煤矸石陶粒和陶砂作为骨料对轻骨料混凝土进行轻质化的研究探讨，通过粉煤灰掺量和体积砂率等因素，研究其抗压强度和干表观密度的变化关系以及它们之间的具体关系，探讨不同强度等级下的最小干密度，为轻骨料混凝土在预制装配式住宅中的广泛应用提供理论基础和数据支撑。

1　实　验

1.1原材料

水泥：北京金隅牌P·O42.5水泥；粉煤灰：北京石景山电力公司生产的Ⅱ级灰。细骨料：北京建工华创有限公司提供的煤矸石陶砂，粒径为0.25～1 mm和2～5 mm，编号分别为S1和S2；粗骨料：北京建工华创有限公司提供的圆球形煤矸石陶粒，粒径为5～10mm，编号为G1，骨料的基本性能如表1所示。减水剂：江苏博特生产的液态聚羧酸减水剂，减水率为20%～25%。

表1　骨料的基本性能

1.2实验方法

试验中煤矸石陶粒混凝土的抗压强度采取100 mm×100 mm×100 mm的混凝土试件，用型号为SYE-3000的压力试验机进行7 d和28 d的抗压强度测试；导热系数的测试采用JTRG-Ⅲ型建筑热流计式导热仪；按照JGJ 51—2002《轻骨料混凝土技术规程》中的烘干法测试试件的28 d干表观密度。为保证轻骨料混凝土良好的工作性能，所使用的煤矸石陶粒均采取预湿30 min，并参考高性能轻骨料混凝土工作性能评价体系［6］。

煤矸石陶粒混凝土的配合比设计采取JGJ 51—2002中的绝对体积法，选取体积砂率和粉煤灰掺量为因素变量，具体配合比参数如表2所示。

表2　煤矸石陶粒混凝土实验配合比

2　实验结果及讨论

2.1粉煤灰掺量对煤矸石陶粒混凝土性能的影响

不同粉煤灰掺量下煤矸石陶粒混凝土的7 d、28 d抗压强度和干表观密度如表3所示。

表3　不同粉煤灰掺量煤矸石陶粒混凝土的性能

由表3可知，在净水胶比为0.30和0.36时，煤矸石陶粒混凝土的抗压强度均随粉煤灰掺量的逐渐增加先提高后降低，粉煤灰掺量为20%时抗压强度最高。煤矸石陶粒混凝土的7 d抗压强度均达到了28 d抗压强度的80%以上，前期强度发展很快，说明普通混凝土强度随龄期增长的规律不适用于轻骨料混凝土［7］。煤矸石陶粒混凝土前期强度增长较快，其原因主要是由陶粒的多孔特性所决定的，经过预湿的煤矸石陶粒在水泥浆中具有明显的吸水和返水特性，当水泥水化逐渐消耗水分，水泥浆中的相对湿度小于陶粒中相对湿度时，陶粒中的水会逐渐释放出来，起到内养护作用［8-9］，供水泥继续水化。

此外，由表3还可知，煤矸石陶粒混凝土干表观密度随粉煤灰掺量的增加先增大后减小，和抗压强度的变化规律一致，干表观密度和抗压强度有一定的内在关系，相关的研究也表明，轻骨料混凝土的强度和干密度之间存在良好的正相关关系［5］。

2.2体积砂率对煤矸石陶粒混凝土性能的影响

本研究使用的煤矸石陶粒为500级，筒压强度为3.2 MPa，混凝土配合比中体积砂率为0.35～1.00，净水胶比为0.3，混凝土配制过程中没有出现离析和泌水的情况，成型后进行7 d、28 d抗压强度以及28 d干表观密度的测试，结果见表4。

表4　不同体积砂率煤矸石陶粒混凝土的性能

由表4可知，从LS8到LS1，随着体积砂率的不断减小，煤矸石陶粒混凝土的28 d干表观密度和抗压强度逐渐降低，当体积砂率大于0.48时，干表观密度和抗压强度减小的趋势较缓；当体积砂率小于0.48时，干密度和抗压强度减小幅度增大。煤矸石陶粒混凝土干密度和抗压强度随体积砂率减小而减小，主要是由于混凝土中的陶砂强度比500级陶粒的强度高、密度比陶粒的大，体积砂率小，混凝土中的陶粒砂所占体积就小，从而干密度和抗压强度逐渐减小。可见，提高体积砂率可以提高混凝土强度，但轻骨料混凝土的密度也随之增大［10］。同时也可以看到，不同砂率下煤矸石陶粒混凝土的7 d 和28 d抗压强度相近，前期强度发展较快。

2.3LC10～LC20煤矸石陶粒混凝土的轻质化结果

图1为满足LC10～LC20强度等级下的28 d抗压强度随28 d干表观密度的变化规律。

由图1可知，LC10～LC20强度等级下的28 d抗压强度和干表观密度表现出良好的线性关系，通过线性拟合得到关系：

图1　LC10～LC20强度等级煤矸石陶粒混凝土28 d抗压强度和干密度的关系

将表3和表4中强度等级为LC10～LC20的煤矸石陶粒混凝土进行最小干表观密度的结果评价可知：

（1）符合LC10级煤矸石陶粒混凝土最轻的是编号为WF0的配合比，其28 d抗压强度为18.7 MPa，干表观密度为1145 kg/m3，密度等级达到1100级；

（2）符合LC15级煤矸石陶粒混凝土最轻的是编号为LS3的配合比，其28 d抗压强度为22.1 MPa，干表观密度为1220 kg/m3，密度等级达到1200级；

（3）符合LC20级煤矸石陶粒混凝土最轻的是编号为LS7的配合比，其28 d抗压强度为28.6 MPa，干表观密度为1297 kg/m3，密度等级达到1300级。

2.4LC10～LC20煤矸石陶粒混凝土的导热系数

得到LC10～LC20煤矸石陶粒混凝土的最小干密度后，对其导热系数进行测试，结果如表5所示。

表5　导热系数的测试结果及与标准的对比分析

由表5可知，本研究处于最小干密度的LC10～LC20强度等级下煤矸石陶粒混凝土的导热系数分别为0.1941、0.2050 和0.2341 W/（m·K），与JGJ 51—2002要求的导热系数相比，分别降低了37.39%、43.06%和44.26%，该区段的结构保温混凝土的保温性能得到了较大的提升，这将促进结构保温一体化混凝土的发展和应用。

3　结语

（1）通过调节粉煤灰掺量和体积砂率可以较好地控制轻骨料混凝土的干表观密度和强度，煤矸石陶粒混凝土强度等级为LC10级的最小干表观密度为1145 kg/m3，密度等级达到1100级；强度等级为LC15级的最小干表观密度为1220kg/m3，密度等级达到1200级；强度等级为LC20级的最小干表观密度为1297 kg/m3，密度等级达到1300级。

（2）随着粉煤灰掺量的增加，煤矸石陶粒混凝土的抗压强度先提高后降低，最佳掺量为20%；随着体积砂率的减小，煤矸石陶粒混凝土的抗压强度和干表观密度均逐渐减小，当体积砂率小于0.48时，干密度和抗压强度的减小幅度增大。将处于LC10、LC15和LC20强度等级煤矸石陶粒混凝土的抗压强度和干表观密度进行曲线拟合，通过线性拟合得到：y=0.073x-66.63，线性相关系数R2=0.82。

（3）用煤矸石陶粒和陶砂配制的LC10～LC20轻骨料混凝土的保温性能得到了较大的提升，和JGJ 51—2002标准要求相比，导热系数分别降低了37.39%、43.06%、44.26%，有利于促进结构保温一体化混凝土的发展和应用。

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Studies on lightweight and thermal properties of coal gangue ceramsite concrete

ZHU Ming1，YE Wuping1，WANG Fazhou1，WANG Jing2，CHU Yunbo3
（1.Institute of Materials，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，Hubei，China；
2.Institute of Building Materials，China Academy of Building Research，Beijing 100013，China；
3.Beijing Jiangong Huachuang Technology Development Co.Ltd.，Beijing 100044，China）

The influence of dosage of fly ash and volume sand ratio to the compressive strength and dry density of lightweight aggregate concrete（LWAC）which was prepared with coal gangue ceramsite and ceramic sand as lightweight aggregate were studied. And the minimum level of density and the corresponding thermal conductivity that LWAC can achieve under different strength grades were explored.The results show that：with the increase of dosage of fly ash，both the compressive strength and the dry apparent density of LWAC increases first and then decreases，and the best dosage of fly ash is 20%；But with the decrease of volume rate of sand，both of them decrease gradually.The minimum dry density grade under strength grade of LC10，LC15 and LC20 is 1145，1220 and 1297 kg/m3respectively.And their thermal conductivity are 0.1941，0.2050 and 0.2341 W/（m·K）.

full-lightweight aggregate concrete，coal gangue，strength，dry apparent density，thermal conductivity

TU528.041

A

1001-702X（2015）10-0054-04

国家科技支撑计划项目（2012BAC15B04，2014BAL03B01-01）

2015-07-08；

2015-08-19

朱明，男，1960年生，河南郑州人，博士，副教授，主要研究方向为水泥与混凝土材料性能、结构与相关技术。