摘   要：主要研究了水膠比、頁巖陶粒密度等級(jí)、含水率三因素對(duì)頁巖陶粒混凝土的抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)的影響。結(jié)果表明：在一定范圍內(nèi)，水膠比與頁巖陶?；炷恋目箟簭?qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)分別呈負(fù)相關(guān)和正相關(guān)；頁巖陶粒的密度等級(jí)與抗壓強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)分別呈正相關(guān)和負(fù)相關(guān)，含水率與抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)均呈負(fù)相關(guān)。與普通C30混凝土相比，所制備的LC30頁巖陶?；炷恋母擅芏冉档土?5.5%，導(dǎo)熱系數(shù)降低了50%。

關(guān)鍵詞：頁巖陶粒混凝土；導(dǎo)熱系數(shù)；水膠比；陶粒密度等級(jí)；含水率

0   前言

隨著現(xiàn)代建筑向高層、大跨度、低能耗方向發(fā)展，混凝土的比表面積、強(qiáng)度、保溫等性能有了更高要求。輕骨料混凝土是由輕粗骨料、輕砂（或普通砂）、水泥和水配制而成的干密度不大于1950kg/m3的混凝土。輕骨料混凝土具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、保溫隔熱、耐火性能優(yōu)良等特點(diǎn)，可兼具承重、節(jié)能的功能，已成為現(xiàn)代混凝土材料主要發(fā)展方向之一。頁巖陶?；炷潦禽p骨料混凝土的一種，也受到越來越多的關(guān)注。

關(guān)于陶?；炷?，已有許多學(xué)者進(jìn)行過大量的研究。穆龍飛等研究了頁巖陶粒粒徑對(duì)混凝土強(qiáng)度和熱工性能的影響，結(jié)果表明，隨著陶粒粒徑的增大，抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)均隨之下降。劉喜等研究了輕骨料強(qiáng)度、粉煤灰用量以及水膠比對(duì)陶?；炷量箟簭?qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)，陶粒混凝土的強(qiáng)度與其骨料強(qiáng)度密切相關(guān)。何詩華研究了陶粒取代率對(duì)頁巖陶粒混凝土的力學(xué)性能和熱工性能的影響，結(jié)果表明，隨著陶粒取代率的增加，陶?；炷翆?dǎo)熱系數(shù)和抗壓強(qiáng)度呈下降趨勢。羅永磊使用石粉、陶粒、巖棉、爐渣等材料制備了陶?；炷?，發(fā)現(xiàn)，影響其抗壓強(qiáng)度的最大因素為陶粒的密度等級(jí)，其次為水膠比，最后為砂率。

C30混凝土應(yīng)用廣泛，但是強(qiáng)度相當(dāng)?shù)腖C30頁巖陶粒混凝土的制備和性能研究相對(duì)較少。為此，本文采用單因素分析法，研究水膠比、頁巖陶粒密度等級(jí)、含水率三因素對(duì)頁巖陶?；炷恋目箟簭?qiáng)度以及導(dǎo)熱系數(shù)的影響規(guī)律，以期為LC30頁巖陶粒混凝土的實(shí)際應(yīng)用提供參考。

1   試驗(yàn)概況

1.1   原材料

水泥：華新水泥有限公司生產(chǎn)的P·O 52.5級(jí)水泥。

粉煤灰：武漢市陽邏電廠生產(chǎn)的Ⅰ級(jí)粉煤灰，比表面積為450㎡/kg，密度為2 200kg/m3。

硅灰：挪威?？瞎旧a(chǎn)的硅灰，比表面積為25 000 m2/kg，密度為2200 kg/m3。

各膠凝材料的化學(xué)組成見表1。

粗骨料：頁巖陶粒由湖北宜昌某陶粒廠家提供，由天然礦石經(jīng)破碎、篩分、燒脹而成。粒徑為5~10mm，其密度等級(jí)有5級(jí)：500級(jí)、600級(jí)、700級(jí)、800級(jí)、900級(jí)，對(duì)應(yīng)的堆積密度分別為411kg/m3、525 kg/m3、663 kg/m3、795 kg/m3、874 kg/m3。

細(xì)骨料：標(biāo)準(zhǔn)砂，堆積密度為1325kg/m3，表觀密度為2650kg/m3。

外加劑：北京某公司生產(chǎn)的聚羧酸系高效減水劑，減水率≥25%，固含量為20%。

水：潔凈的自來水，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足JGJ 63—2006《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)規(guī)定。

1.2   頁巖陶粒預(yù)濕處理

考慮到陶粒的吸水特性，本試驗(yàn)對(duì)頁巖陶粒進(jìn)行預(yù)濕處理。先將陶粒置于塑料箱中，向塑料箱中注水直至沒過陶粒，浸泡24h后取出，再將陶粒倒入編織袋內(nèi)濾水30min后倒入擰干的濕浴巾上，分別握住兩端，使陶粒在浴巾上滾動(dòng)8~10次。

1.3   配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)JGJ/T 12—2019《輕骨料混凝土應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中的松散體積法對(duì)LC30頁巖陶?；炷吝M(jìn)行配合比設(shè)計(jì)。本試驗(yàn)減水劑用量為膠凝材料用量的0.25%；各膠凝材料占比分別為：水泥72%，粉煤灰20%，硅灰8%。

（1）為了探究不同水膠比對(duì)頁巖陶?；炷列阅艿挠绊?，采用頁巖陶粒密度等級(jí)為800級(jí)的頁巖陶粒為粗骨料，固定拌和水用量，選取水膠比為0.32、0.36、0.40、0.44和0.48成型試件，具體配合比見表2。

（2）為了探究不同頁巖陶粒密度等級(jí)對(duì)頁巖陶?；炷列阅艿挠绊?，固定水膠比為0.40，選取密度等級(jí)為500級(jí)、600級(jí)、700級(jí)、800級(jí)和900級(jí)的頁巖陶粒，具體配合比見表3。

（3）為了探究不同含水率對(duì)頁巖陶?；炷列阅艿挠绊?，以A3配合比為基準(zhǔn)，控制頁巖陶粒混凝土的含水率分別為飽和含水率的0、20%、40%、60%、80%、100%，相應(yīng)試件編號(hào)分別記作C1~ C6。

1.4   性能測試

抗壓強(qiáng)度：根據(jù)GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中抗壓強(qiáng)度測試方法，采用100mm×100mm×100mm的非標(biāo)準(zhǔn)立方體試件，在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境[溫度（20±2）℃，濕度在95%以上]養(yǎng)護(hù)7d、28d，采用TYE-3000型壓力試驗(yàn)機(jī)測試其抗壓強(qiáng)度，并乘以尺寸換算系數(shù)0.95。

導(dǎo)熱系數(shù)：采用防護(hù)熱板法，根據(jù)GB/T 10294—2008《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測定 防護(hù)熱板法》規(guī)定，試件為300mm×300mm×30mm的2塊混凝土板，采用雙平板導(dǎo)熱系數(shù)儀IMDRY3001測定試件的導(dǎo)熱系數(shù)。

含水率：采用重濕度法，先測量頁巖陶?；炷猎嚰诮^對(duì)干燥和飽和含水率下的質(zhì)量，再將養(yǎng)護(hù)好的試件放入電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中烘干至恒重，稱其重量記為m0，然后將試件放入水中浸泡至恒重，稱其重量記為m1，分別取質(zhì)量為（m1-m0）的20%、40%、60%、80%的水均勻的噴灑在試件表面，用保鮮膜包裹后密封養(yǎng)護(hù)8 h。試件進(jìn)行性能測試前用干毛巾對(duì)其表面進(jìn)行擦拭，防止其表面水分對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生誤差。

2   試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1   水膠比對(duì)頁巖陶?；炷列阅艿挠绊?/strong>

不同水膠比頁巖陶?；炷恋母擅芏纫姳?。不同水膠比頁巖陶?；炷?d與28 d抗壓強(qiáng)度和其絕對(duì)干燥狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果見圖1、圖2。

由表4可知，5組試件的干密度均＜1950kg/m3，屬于輕骨料混凝土，且干密度隨水膠比的增大而減小，這是由于水比膠凝材料密度小，同時(shí)水分會(huì)蒸發(fā)。

由圖1可知，隨著水膠比的增大，試件的7d、28d抗壓強(qiáng)度逐漸降低，反之亦然。但是，水膠比不能太小，水膠比過小時(shí)，試件的和易性降低，且膠凝材料的黏度增大,在振搗過程中，其內(nèi)部的空氣難以排出，會(huì)影響頁巖陶?；炷恋男阅堋Ｒ虼?，為保證頁巖陶?；炷恋膹?qiáng)度，需在合適的范圍內(nèi)盡量減小水膠比。

由圖2可知，隨著水膠比的增大，試件在絕干狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸降低，保溫性能逐漸提高。主要原因是：隨著水膠比的增大，含水量增加，水的導(dǎo)熱系數(shù)較水泥低，在混凝土硬化過程中，多余的水在試件內(nèi)部形成水泡或蒸發(fā)后產(chǎn)生較多孔隙，孔隙中空氣的導(dǎo)熱系數(shù)很小，最終導(dǎo)致試件的導(dǎo)熱系數(shù)降低，保溫性能提高。

2.2   頁巖陶粒密度等級(jí)對(duì)頁巖陶?；炷列阅艿挠绊?/strong>

不同頁巖陶粒密度等級(jí)試件的干密度結(jié)果見表5。不同頁巖陶粒密度等級(jí)頁巖陶粒混凝土的7d與28d抗壓強(qiáng)度和其絕對(duì)干燥狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果見圖3、圖4。

由表5可知，5組試件的干密度均＜1950kg/m3，屬于輕骨料混凝土，干密度隨頁巖陶粒密度等級(jí)的增加而增大，主要是由于在進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)時(shí)，保持膠凝材料、水以及骨料的體積不變，頁巖陶?；炷恋母擅芏入S頁巖陶粒密度等級(jí)提高而增加。

由圖3可知，隨著頁巖陶粒密度等級(jí)的增加，各試件的7d、28d抗壓強(qiáng)度逐漸提高。這是因?yàn)椋阂环矫?，隨著頁巖陶粒密度等級(jí)的增加，頁巖陶粒的密實(shí)程度增加，頁巖陶粒的彈性模量提高，在相同應(yīng)變的條件下，彈性模量越大，發(fā)生破壞前所能承受的荷載也就越大；另一方面，隨著頁巖陶粒密度等級(jí)的提高，骨料間的空隙率減少。膠凝材料和細(xì)骨料相同用量條件下，水泥砂漿與頁巖陶粒骨料之間的接觸更加充分，有利于強(qiáng)度增長。頁巖陶粒密度等級(jí)為500級(jí)和600級(jí)時(shí)，試件的抗壓強(qiáng)度過低，不滿足LC30頁巖陶?；炷恋膹?qiáng)度要求。

由圖4可知，隨著頁巖陶粒密度等級(jí)的增加，試件在絕干狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸增大，保溫性能逐漸降低。這是由于隨著頁巖陶粒骨料密度等級(jí)的增加，試件的比表面積變大，頁巖陶粒混凝土更加密實(shí)，內(nèi)部孔隙率降低，固體物質(zhì)的體積含量增大，進(jìn)而導(dǎo)致試件的導(dǎo)熱系數(shù)隨著頁巖陶粒骨料密度等級(jí)的增加而增大。

2.3   含水率對(duì)頁巖陶粒混凝土性能的影響

不同含水率頁巖陶?；炷恋目箟簭?qiáng)度和絕對(duì)干燥狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果見圖5、圖6。

由圖5可知，隨著含水率的增加，試件的抗壓強(qiáng)度逐漸降低。這是由于水泥膠凝顆粒之間主要通過范德華力相結(jié)合，結(jié)合力通過較薄的水膜發(fā)揮作用，一般情況下，結(jié)合力高于范德華力。當(dāng)試件處于干燥狀態(tài)下時(shí)，水膜變薄或者消失，其內(nèi)部的結(jié)合力變大，承受荷載的能力變大。而當(dāng)試件含水率增加時(shí)，其內(nèi)部水分子變多，削弱了內(nèi)部分子之間的連接，使得其承受荷載的能力降低。因此，隨著含水率的增加，頁巖陶?；炷恋目箟簭?qiáng)度下降。

由圖6可知，隨著含水率的增加，試件的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸增大，保溫性能逐漸降低。當(dāng)含水率較低時(shí)，熱量傳遞主要發(fā)生在固體與固體之間，其他兩種介質(zhì)之間的熱量傳遞可忽略。隨著含水率的增加，試件中存在3種介質(zhì)之間的熱量傳遞，水分子不斷填充陶粒內(nèi)部的孔隙，其導(dǎo)熱系數(shù)大于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)，試件的導(dǎo)熱系數(shù)也隨之變大。因此，隨著含水率的增大，頁巖陶粒混凝土的保溫性能呈下降趨勢。

2.4   頁巖陶粒混凝土與普通混凝土性能對(duì)比

為了比較相同強(qiáng)度等級(jí)下，LC30頁巖陶?；炷僚cC30普通混凝土的保溫性能，制備了C30普通混凝土，并將其與A3組性能進(jìn)行比較，結(jié)果見表6。其中，C30普通混凝土的粗骨料為最大公稱粒徑為16mm的碎石，稍大A3組，其他均與A3組相同。

由表6可知，LC30頁巖陶?；炷僚cC30普通混凝土相比，干密度和導(dǎo)熱系數(shù)降低，保溫性能提升。

3   結(jié)論

（1）一定范圍內(nèi)，水膠比與頁巖陶粒混凝土的抗壓強(qiáng)度、保溫性能分別呈負(fù)相關(guān)和正相關(guān)。在保溫性能滿足要求的情況下，要得到相對(duì)較高的抗壓強(qiáng)度，需要適當(dāng)減小試件的水膠比；在抗壓強(qiáng)度滿足要求的情況下，要得到相對(duì)較好的保溫性能，則需要適當(dāng)增大試件的水膠比。

（2）頁巖陶粒密度等級(jí)與頁巖陶?；炷恋目箟簭?qiáng)度、保溫性能分別呈正相關(guān)和負(fù)相關(guān)。在保溫性能滿足要求的情況下，要得到相對(duì)較高的抗壓強(qiáng)度，需要增加頁巖陶粒密度等級(jí)；在抗壓強(qiáng)度滿足要求的情況下，要得到相對(duì)較好的保溫性能，則需要減小頁巖陶粒密度等級(jí)。

（3）頁巖陶?；炷猎趯?shí)際應(yīng)用中，抗壓強(qiáng)度和保溫性能均與混凝土的含水率呈負(fù)相關(guān)，最好的狀態(tài)為絕對(duì)干燥狀態(tài)。因此，頁巖陶?；炷猎趯?shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)做好防水措施。

（4）LC30頁巖陶?；炷僚cC30普通混凝土相比，保溫性能提升。