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利用陶粒制备承重墙砌块的研究

发表时间：2020/7/3 来源：《基层建设》2020年第6期作者：朱英英

[导读] 摘要：本文主要通过实验研究讨论利用轻质陶粒作为骨料，水泥、矿粉、煤灰、磨细砂等粉料作为胶料，制备用于建筑承重墙体砌块的可能性。

        宝业集团浙江建设产业研究院有限公司
        摘要：本文主要通过实验研究讨论利用轻质陶粒作为骨料，水泥、矿粉、煤灰、磨细砂等粉料作为胶料，制备用于建筑承重墙体砌块的可能性。
        关键词：抗压强度、经济性
        前言：2019年1月2日，国务院办公厅印发了关于“无废城市”建设试点方案的通知，全国各地都纷纷行动，为工业固废寻找出路。建筑陶粒由于其优异的各项性能、宽泛的应用领域、广阔的应用前景，成为了工业固废的最好出路。但是，目前的探索出的陶粒应用领域虽然很多，但每年消耗的陶粒总量还很小，需要探索出大宗的陶粒需求的领域。
        综合各类原材料的价格比对和制备工艺比对，选定了以陶粒、水泥、磨细石英砂为主要原材料，采用蒸压工艺制备15MPa和20MPa强度等级的陶粒混凝土砌块的研究开发工作。
        一、研制过程
        1、提供的原材料品种与性能
        (1) 水泥，强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥，按国家标准测得的水泥胶砂3d和28d强度。
        (2) 磨细石英砂粉，参照普通硅酸盐水泥细度测定方法——负压筛析法，测得其80μm方孔筛筛余百分数为1.4%。
        (3) 高效减水剂1#和2#。
        (4) 陶粒为市场购置，包括四种规格的陶粒，粗、中、细和陶砂。按GB/T17431.1-1998对陶砂进行筛分分析，并测得各种规格陶粒的堆积密度。
        2、LC15和LC20等级陶粒混凝土砌块砖试配
        考虑到陶粒混凝土用于生产承重实心砌块砖，参考《烧结普通砖》(GB/T 5101-2003)对普通砖的强度等级要求，LC15强度等级的陶粒混凝土砌块砖的配制强度即为设计强度等级值，即配制强度fcu,0为：

        LC20强度等级陶粒混凝土砌块砖配制强度fcu,0为：

        根据JGJ51-2002《轻集料混凝土技术规程》，配制强度为15~20MPa时，陶粒混凝土的水泥用量推荐范围为280~380kg/m3，其水泥强度等级应选择32.5#水泥。本研究采用42.5水泥，同时加入磨细石英砂粉调节其强度等级。
        由于生产陶粒混凝土砌块时，优选成型工艺为振动加压成型，故陶粒混凝土的净用水量按JGJ51-2002推荐，在45~140kg/m3范围内选择。
        采用陶砂作为轻集料，预制陶粒混凝土砌块，其砂率选择为35~50%。
        按上述参数进行试配，首次探索性实验配方1和配方2如表4所示。按表4中配方试拌，拌合后的新拌混凝土状态如图1(a)所示。成型70.7×70.7×70.7mm试件，采用插捣成型和振动成型方法，成型后的试样如图1(b)所示。由图1可见，由于混凝土中未加入陶砂，导致配方1和配方2所得到的混凝土拌合物水泥浆量过多，无论是插捣成型还是振动成型，均导致拌合物中的粗陶粒向上浮起，并突出表面。可见，按配方1和配方2生产陶粒混凝土砌块不合适。
        表4 陶粒混凝土配方1和配方2

        图1 按配方1试拌得到的混凝土拌合物及配方1和2拌合物振动成型得到的试样
        采用购置的陶粒，采用压碎指标测定仪自制陶砂，在配方1和配方2基础上加入陶砂，陶粒粗骨料按粗、中、细三种规格比例为3：2：1进行试配，得到配方3，试拌得到的混凝土拌合物状态如图2(a)所示，插捣成型并抹平后的表面状况如图2(b)所示。由图2可见，配方3拌合物水泥浆数量也明显偏多。此外，按该比例得到的轻粗骨料中粗颗粒明显偏多。
        调整轻粗骨料混合比例，按粗、中、细三种规格比例为1：2：3进行试配，得到配方4，成型得到的试件表面状况与配方3相近，见图3。

        图2 按配方3试拌得到的混凝土拌合物和经插捣成型得到的试样

        图3 按配方4制备的混凝土试件表面(插捣成型)
        成型的试件静养12h后，采用实验室压蒸釜进行蒸压养护，养护制度为30~50min内升温至100℃，然后关闭阀门，至蒸汽压力为1.5MPa时，开始计时，蒸压养护时间为8h。将养护得到的试件在105℃左右烘干后，测定其干体积密度和抗压强度，其测定结果见表5。由表5可见，配方3和配方4的干体积密度在1550~1600之间，略偏大；而配方3的强度明显低于配方4的强度，可见，轻粗骨料级配对轻骨料混凝土的强度影响较大。进一步研究时均采用该混合比例。按该比例进行混合后，测得其颗粒级配如表6所示。由表6可见，按1:2:3混合得到的粗集料级配为5~16mm，满足国家标准要求。
        表5 配方3和4及其性能测定结果

        表6 陶粒粗集料级配分析结果

        在配方4基础上，磨细砂粉替代水泥比例分别为10%~40%，考虑到工业化生产的可能性成型时应采用压制成型，并即时脱模，同时考虑到成型性能，故试配时仅采用轻粗骨料中的细颗粒进行配料，并进一步减小水泥和水用量，同时掺加适量粉煤灰，配方及其性能如表7所示。对比可见，用水量较小时，虽然得到的混凝土干体积密度明显减小，仅约为1206 kg/m3，但其强度也明显低于用水量较大的混凝土，这显然是由于水泥用量过小，对混凝土成型极为不利所致。配方7得到的混凝土拌合物无法成型，其原因是由于其砂率过大，而水泥用量和用水量较低所致。对比配方8和配方9可见，采用粉煤灰取代部分磨细砂时，对蒸压养护后的混凝土强度反而不利。
         表7 配方16~19及其性能

        由表8中配方10~14、配方17~20进一步表明，随磨细砂粉掺量增加，蒸压养护后的轻骨料陶粒混凝土强度呈先增大和减小趋势。对比可见，在满足成型要求情况下，随用水量减小，即随水灰比减小，混凝土强度得到有效提高，但随水灰比进一步下降，由于混凝土成型困难，混凝土强度反而有所下降。
        表8 配方21~32及其性能测试结果

        综合上述配方调整结果可见，配方14为最佳配方，得到的混凝土成型性能和压蒸养护后的混凝土力学性能均最优，但由表8可见，配方14的强度测定结果较高，远远超出陶粒混凝土强度等级要求，因此，在此基础上调整磨细砂粉替代水泥百分数，得到配方21和配方22，其性能测定结果如表9所示。
        由表9可见，随磨细石英砂粉掺量进一步增大，得到的混凝土强度下降速度加快，当磨细石英砂掺量达到65%时，得到的混凝土强度仅为26.4MPa，磨细石英砂掺量达到70%时，得到的混凝土强度仅为20.3 MPa。考虑到混凝土试件的尺寸效应，配方22和配方23应分别能够满足15MPa和20MPa陶粒混凝土砌块砖的强度等级要求。
        表12配方21~23及其性能测试结果

        按配方23成型陶粒混凝土砌块砖，其平面尺寸为240×115，成型时由于条件限制，采用先边振动边压实，然后采用压力成型的方法进行，拌合物搅拌情况、成型压制过程见图8。和蒸压养护得到的砌块砖

        图4 陶粒混凝土拌合物搅拌和砌块成型过程

        图5 蒸压养护后得到的陶粒混凝土砌块砖
        二、成本分析、比较
        将配方22和23换算成单方材料用量，并根据市场价格计算得到砌块单方材料成本，计算结果见表10所示，其中陶粒用量按单方混凝土陶粒用量1m3，由表10可见，陶粒混凝土砌块单方材料成本分别为393.2元/m3和395.5元/m3，其中陶粒成本为主要成本，预计市场售价需要在430元/m3以上才能有利润，与市场普通页岩砖400元/m3的售价相比有差距；容重上陶粒混凝土砌块约1.38吨/m3，页岩砖为1.25吨/m3，相差不远，当时用时由于湿度、空隙等因素的存在，砌筑后实际容重还是陶粒混凝土砌块偏轻；实际使用时，页岩砖由于孔隙、平整度等因素，砂浆的使用量是陶粒混凝土砌块的6-8倍，所以陶粒混凝土砌块的综合使用成本比页岩砖要低10%左右。
        表10配方22和23的单方材料用量