一种适用装配式建筑的新型聚丙烯/煤矸石保温材料性能试验

马晓鸣 袁静 贺晓帅

摘要：为了降低建筑能耗量，对新型保温混凝土在装配式建筑中的应用进行了探究。利用正交实验以及矩阵分析的方法，对各种配比下的混凝土材料的各种性能参数进行对比分析，选出各种性能最优的新型混凝土材料，利用相关的软件，对不同温度下所选定的新型保温混凝土材料的温度场、温度应力/应变进行分析。结果表明：伴随着聚丙烯纤维含量的增大，抗压性能先增大后下降，导热系数相比于传统的混凝土材料有所下降；但仍能保留传统的煤矸石保温混凝土强度大等优良特性。

关键词：聚丙烯纤维；煤矸石；保温混凝土；装配式建筑；能耗；温度场

中图分类号：TQ342+.62文献标志码：A文章编号：1001-5922（2023）05-0057-04

Performancetestof anewpolypropylene/ganguethermal insulationmaterialsuitableforprefabricatedbuildings

MA Xiaoming1，YUAN Jing1，HE Xiaosai2

（1. Xi'an University of Architecture And Technology Huaqing College，Xi'an 710038，China；

2. Henan SunacJiahe Industrial Co.， LTD.， Zhengzhou 451200， China）

Abstract：In order to reduce building energy consumption， the application of new thermal insulation concrete in pre? fabricated buildings was explored. Using the methods of orthogonal experiment and matrix analysis， various perfor? mance parameters of concrete materials with various proportions were compared and analyzed. The new concrete mate? rials with the best performance were selected， and the temperature field， temperature stress and strain of the selected new thermal insulation concrete materials at different temperatures were analyzed by using relevant software. The re? sults showed that with the increase of polypropylene fiber content， the compressive performance first increased and then decreased， and the thermal conductivity decreased compared with traditional concrete materials. However，it still retained the excellent characteristics of high strength of traditional coal gangue thermal insulation concrete.

Keywords：polypropylene fiber gangue；thermal insulation concrete；prefabricated building；energy consump? tion；temperature field

与传统的构件相比，装配式混凝土建筑能够实现预制装配化[1]。装配式建筑的能耗较低，能耗量只有传统混凝土建筑的77％[2]。

研究影响建筑结构保温性能的混凝土材料，显得尤为重要[3]。以往的煤矸石混凝土材料，是一种绿色的混凝土，其具有的优点是节能性良好、绿色环保等[4]；但强度较差。研究将聚丙烯纤维加入到传统的煤矸石混凝土中[5]，选取掺量50％的煤矸石，作为基础配比，选用正交实验方案，将其他配比作为自变量进行对比分析[6]。运用Ansys 软件，构建装配式建筑的构件模型，在不同的温度下进行温度应力的分析[7]。同时运用相关软件对普通煤矸石保温混凝土材料与混用了聚丙烯纤维的煤矸石保温混凝土材料进行对比分析，研究出一种新型的保温混凝土材料，并应用于装配式建筑中，实现能耗降低的目的[8]。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

P·O42.5级水泥，太原狮头水泥厂；砂子（含泥量3％），山西忻州豆罗中砂）；粗骨料（5～25 mm），山西忻州产；聚丙烯纤维，长沙市博塞特建筑工程材料有限公司；玻化微珠（20～30、30～50目），河南信阳某工厂；萘系高效减水剂，山东省临沂市某化工厂。本次实验混凝土的基础配比：掺量为50％的煤矸石，选用Ⅰ型外加剂，水灰比为0.51，砂率26.9％，各个材料的配比如图1所示。

从图1可以看出，通过相关测试，混凝土的抗压强度为37.8 MPa，密度为2066 kg/m3，导热系数为0.64 W/（m·K）。在此基础配比的条件下，进一步优化配比，使各参数达到更理想的要求。

1.2 仪器与设备

微机控制电液WAW-2000kN 型号伺服万能试验机；TC3000E导热系数测定仪，西安夏溪电子科技有限公司。

1.3实验方法

选择基础配比为50％的煤矸石保温混凝土，根据正交实验，以聚丙烯纤维量、煤矸石量和水灰比為3个因素，确定出4个平行的正交实验方案，进一步采用矩阵分析的方法，构建出各个性能参数最为理想的配合比[9]。

采用Ansys 软件构建出装配式建筑的模型[10]，并且进一步分析此模型在不同的温度下，如温度-10、40℃所对应的温度场、温度应力应变。

将聚丙烯纤维煤矸石保温混凝土应用在装配式建筑中，分析计算出建筑用料的能耗，与传统的煤矸石保温混凝土进行对比分析。将二者应用于装配式建筑中，选择能耗最低的混凝土材料，将其作为新型的保温混凝土应用于装配式建筑中[11]。

1.3.1 抗压强度的测定

参考国家规范，每组选取3个平行样块，样品为28 d 立方体，对抗压强度进行测定。当样品开始呈现出较为明显的变形，直至被破坏时，分别记录下数据，测出每组样品的抗压强度，进而对数据进行对比分析，得出样品中最大的抗压强度数值，最小的抗压强度数值[12]。每组内的3个样品，在数据不超过15%的差值时，取3个样品的数据的算数平均值。

1.3.2 导热系数的测定

选用边长大于等于1 cm、厚度大于等于0.3 mm 的表面光滑的样品。参考相关测定标准，采取十字热线法，导热系数的测定如式（1）所示[13]。

式中：λ为试样导热系数，W/（m·k）；V 为热线单位长度的电压降，V/m；I 为电流，A；t1、t2为测试时间， min。Δθ1、Δθ2为热线的温升，K。

1.3.3 干密度的测定

根据混凝土应用规程[14]，可以对比出3种混凝土的干表观密度，具体如表1所示。

由表1可知，3种混凝土中，轻骨料混凝土的干表观密度最低；相比于普通混凝土，煤矸石保温混凝土的干表观密度相对较低。综合各种因素，最终选用煤矸石保温混凝土与聚丙烯纤维进行混合，从而测定其干表观密度。

称出混凝土样品的质量，之后烘干混凝土样品；然后称取烘干后样品的质量，计算出样品的含水量。含水量的测定[15]：

式中：Wc为混凝土样品的含水率，%；m1为烘干前混凝土样品的质量，g；m2为烘干后混凝土样品的质量， g。最后，计算出混凝土样品的干表观密度，干表观密度的测定：

式中：A 为混凝土样品的干表观密度；m2为烘干后混凝土样品的质量，g；V 为混凝土样品的体积。

1.3.4 最终选定的配合比

根据正交实验，最终选定各物料的配合比，具体如表2所示。

2 结果与分析

2.1 建筑构件在-10℃下的温度场

将聚丙烯纤维煤矸石保温混凝土应用在装配式建筑中，构建出模拟建筑墙体，将温度设置为-10℃ ， 内外侧的温度场曲线如图2所示。

从图2可以看出，模拟出的建筑墙体外侧温度的变化趋势相较于内测的建筑墙体而言较大，由最初的14.5℃大幅降低，稳定在最终的-8.1℃ ， 二者差值为22.6℃。内测建筑墙体的温度，开始为15℃ ， 随着时间的推移，最终的温度稳定在17.1℃ ， 二者差值为2.1℃。这与文献[16]所研究过的挤塑聚苯板相比，聚丙烯煤矸石的导热系数较大、热阻较小、与外界交换的热量多，表明聚丙烯煤矸石保温混凝土具有较为良好的保温性、隔热性。

2.2 建筑构件在40℃下的温度场

在其他条件不变的情况下，将温度设置为40℃ ，内外侧的温度场曲线如图3所示。

从图3可以看出，模拟出的建筑墙体外侧温度的变化趋势相较于内测的建筑墙体而言较大，由最初的20.2℃大幅升高，稳定在最终的38.5℃ ， 二者差值为18.3℃。内测的建筑墙体的温度，开始为15℃ ， 随着时间的推移，最终的温度稳定在21.6℃ ， 二者差值为6.6℃ ，仍能保持在一个较低的范围。这与文献[16]所研究过的挤塑聚苯板对比分析，聚丙烯煤矸石保温混凝土可以保证温差低，且升温慢，表明聚丙烯煤矸石保温混凝土在实际应用中，保温性能理想，适宜在装配式建筑中投入使用。

2.3 建筑构件在-10℃下的应力应变

将聚丙烯纤维煤矸石保温混凝土应用在装配式建筑中，构建出模拟建筑墙体，将温度设置为-10℃ ， 内、外侧墙面的应变云图如图4所示；内、外侧墙面的应力云图如图5所示。

从图4、图5可以看出，室外环境为-10℃时，墙体的温度为15℃ ，模拟出的墙面在6 h内产生应变的部分，主要分布在墙体的内部，外侧墙体的四周，呈环绕型分布，外侧发生的应变相较于内侧墙面变化较大。

从图5可以看出，模拟墙体产生应力的部分，主要发生在边角区。可以推断出，在冬季的时候，由于自然环境与墙体之间存在温差，因而导致建筑中墙体的边角部分易受到应力产生的破坏[17]。

2.4 建筑构件在40℃下的应力应变

在其他条件不变的情况下，将温度设置为40℃ ， 内、外侧墙面的应变云图如图6所示；内、外侧墙面的应力云图如图7所示。

从图6可以看出，在其他条件不变的情况下，更改自然环境的初始值为40℃ ， 墙体的温度为26℃ ， 在6 h 的实验过程中，外侧墙体产生的应变相较于内测墙体变化较大，并且模拟墙体的中心位置应变较大。

从图7可以看出，在自然环境与墙体间产生的温差中，建筑中墙体产生的应力主要集中在墙体的四周。这证实了装配式建筑，较易受到应力破坏的为墙体的边角区。因此，在日后装配式建筑中，应该加强维护墙体的边角区，从而避免应力带来的破坏。

3 结语

本文选取的基础配比是掺量为50％的煤矸石保温混凝土，运用正交实验的方法，确定出各种性能参数都最佳的配比，并测定出各种性能参数。当抗压强度为43.08 MPa，干密度为1937 kg/m3，导热系数为0.6854 W/（m·K）时，最优配比：聚丙烯纤维掺量0.05%，煤矸石为575.5 kg/m3，水泥634 kg/m3，玻化微珠大颗粒为53.94 kg/m3，小颗粒为26.64 kg/m3，石子575.5 kg/m3，减水剂为6.34 kg/m3。在冬季，墙体外侧的温度由最初的14.5℃降至-8.1℃;内测墙体的温度设置为18℃ ， 由开始15℃降至17.1℃。在夏季，外侧墙体的温度由20.2℃升至38.5℃;内侧墙体的温度由15℃升至21.6℃。说明聚丙烯煤矸石保温混凝土具有较为良好的保温性、隔热性。在应力应变的实验测定中，无论是在夏季还是在冬季，墙体的边角部分都较易遭到应力带来的破坏，实际应用中应该对这些边角部分加强保护。对传统煤矸石保温混凝土进行优化，研究出一种新型的保温混凝土——聚丙烯纤维煤矸石保温混凝土，进而将其应用在装配式建筑中，达到了预期的目的。

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