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 摘   要：主要研究了水膠比、頁巖陶粒密度等級、含水率三因素對頁巖陶粒混凝土的抗壓強度和導熱系數的影響。結果表明：在一定范圍內，水膠比與頁巖陶粒混凝土的抗壓強度、導熱系數分別呈負相關和正相關；頁巖陶粒的密度等級與抗壓強度、導熱系數分別呈正相關和負相關，含水率與抗壓強度和導熱系數均呈負相關。與普通C30混凝土相比，所制備的LC30頁巖陶粒混凝土的干密度降低了25.5%，導熱系數降低了50%。

關鍵詞：頁巖陶粒混凝土；導熱系數；水膠比；陶粒密度等級；含水率

0   前言

隨著現代建筑向高層、大跨度、低能耗方向發展，混凝土的比表面積、強度、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、高強、保溫隔熱、耐火性能優良等特點，可兼具承重、節能的功能，已成為現代混凝土材料主要發展方向之一。頁巖陶粒混凝土是輕骨料混凝土的一種，也受到越來越多的關注。

關于陶粒混凝土，已有許多學者進行過大量的研究。穆龍飛等研究了頁巖陶粒粒徑對混凝土強度和熱工性能的影響，結果表明，隨著陶粒粒徑的增大，抗壓強度和導熱系數均隨之下降。劉喜等研究了輕骨料強度、粉煤灰用量以及水膠比對陶粒混凝土抗壓強度的影響，發現，陶粒混凝土的強度與其骨料強度密切相關。何詩華研究了陶粒取代率對頁巖陶粒混凝土的力學性能和熱工性能的影響，結果表明，隨著陶粒取代率的增加，陶粒混凝土導熱系數和抗壓強度呈下降趨勢。羅永磊使用石粉、陶粒、巖棉、爐渣等材料制備了陶粒混凝土，發現，影響其抗壓強度的最大因素為陶粒的密度等級，其次為水膠比，最后為砂率。

C30混凝土應用廣泛，但是強度相當的LC30頁巖陶粒混凝土的制備和性能研究相對較少。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、含水率三因素對頁巖陶粒混凝土的抗壓強度以及導熱系數的影響規律，以期為LC30頁巖陶粒混凝土的實際應用提供參考。

1   試驗概況

1.1   原材料

水泥：華新水泥有限公司生產的P·O 52.5級水泥。

粉煤灰：武漢市陽邏電廠生產的Ⅰ級粉煤灰，比表面積為450㎡/kg，密度為2 200kg/m3。

硅灰：挪威埃肯公司生產的硅灰，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，由天然礦石經破碎、篩分、燒脹而成。粒徑為5~10mm，其密度等級有5級：500級、600級、700級、800級、900級，對應的堆積密度分別為411kg/m3、525 kg/m3、663 kg/m3、795 kg/m3、874 kg/m3。

細骨料：標準砂，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，各項指標均滿足JGJ 63—2006《混凝土用水標準》相關規定。

1.2   頁巖陶粒預濕處理

考慮到陶粒的吸水特性，本試驗對頁巖陶粒進行預濕處理。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8~10次。

1.3   配合比設計

根據JGJ/T 12—2019《輕骨料混凝土應用技術標準》中的松散體積法對LC30頁巖陶粒混凝土進行配合比設計。本試驗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頁巖陶粒混凝土性能的影響，采用頁巖陶粒密度等級為800級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對頁巖陶粒混凝土性能的影響，固定水膠比為0.40，選取密度等級為500級、600級、700級、800級和900級的頁巖陶粒，具體配合比見表3。

（3）為了探究不同含水率對頁巖陶粒混凝土性能的影響，以A3配合比為基準，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%，相應試件編號分別記作C1~ C6。

1.4   性能測試

抗壓強度：根據GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》中抗壓強度測試方法，采用100mm×100mm×100mm的非標準立方體試件，在標準環境[溫度（20±2）℃，濕度在95%以上]養護7d、28d，采用TYE-3000型壓力試驗機測試其抗壓強度，并乘以尺寸換算系數0.95。

導熱系數：采用防護熱板法，根據GB/T 10294—2008《絕熱材料穩態熱阻及有關特性的測定 防護熱板法》規定，試件為300mm×300mm×30mm的2塊混凝土板，采用雙平板導熱系數儀IMDRY3001測定試件的導熱系數。

含水率：采用重濕度法，先測量頁巖陶粒混凝土試件在絕對干燥和飽和含水率下的質量，再將養護好的試件放入電熱恒溫鼓風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護8 h。試件進行性能測試前用干毛巾對其表面進行擦拭，防止其表面水分對試驗結果產生誤差。

2   試驗結果與分析

2.1   水膠比對頁巖陶粒混凝土性能的影響

不同水膠比頁巖陶粒混凝土的干密度見表4。不同水膠比頁巖陶粒混凝土7d與28 d抗壓強度和其絕對干燥狀態下的導熱系數試驗結果見圖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，同時水分會蒸發。

由圖1可知，隨著水膠比的增大，試件的7d、28d抗壓強度逐漸降低，反之亦然。但是，水膠比不能太小，水膠比過小時，試件的和易性降低，且膠凝材料的黏度增大,在振搗過程中，其內部的空氣難以排出，會影響頁巖陶粒混凝土的性能。因此，為保證頁巖陶粒混凝土的強度，需在合適的范圍內盡量減小水膠比。

由圖2可知，隨著水膠比的增大，試件在絕干狀態下的導熱系數逐漸降低，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，水的導熱系數較水泥低，在混凝土硬化過程中，多余的水在試件內部形成水泡或蒸發后產生較多孔隙，孔隙中空氣的導熱系數很小，最終導致試件的導熱系數降低，保溫性能提高。

2.2   頁巖陶粒密度等級對頁巖陶粒混凝土性能的影響

不同頁巖陶粒密度等級試件的干密度結果見表5。不同頁巖陶粒密度等級頁巖陶粒混凝土的7d與28d抗壓強度和其絕對干燥狀態下的導熱系數試驗結果見圖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的增加而增大，主要是由于在進行配合比設計時，保持膠凝材料、水以及骨料的體積不變，頁巖陶粒混凝土的干密度隨頁巖陶粒密度等級提高而增加。

由圖3可知，隨著頁巖陶粒密度等級的增加，各試件的7d、28d抗壓強度逐漸提高。這是因為：一方面，隨著頁巖陶粒密度等級的增加，頁巖陶粒的密實程度增加，頁巖陶粒的彈性模量提高，在相同應變的條件下，彈性模量越大，發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的提高，骨料間的空隙率減少。膠凝材料和細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，有利于強度增長。頁巖陶粒密度等級為500級和600級時，試件的抗壓強度過低，不滿足LC30頁巖陶粒混凝土的強度要求。

由圖4可知，隨著頁巖陶粒密度等級的增加，試件在絕干狀態下的導熱系數逐漸增大，保溫性能逐漸降低。這是由于隨著頁巖陶粒骨料密度等級的增加，試件的比表面積變大，頁巖陶粒混凝土更加密實，內部孔隙率降低，固體物質的體積含量增大，進而導致試件的導熱系數隨著頁巖陶粒骨料密度等級的增加而增大。

2.3   含水率對頁巖陶粒混凝土性能的影響

不同含水率頁巖陶粒混凝土的抗壓強度和絕對干燥狀態下的導熱系數試驗結果見圖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合，結合力通過較薄的水膜發揮作用，一般情況下，結合力高于范德華力。當試件處于干燥狀態下時，水膜變薄或者消失，其內部的結合力變大，承受荷載的能力變大。而當試件含水率增加時，其內部水分子變多，削弱了內部分子之間的連接，使得其承受荷載的能力降低。因此，隨著含水率的增加，頁巖陶粒混凝土的抗壓強度下降。

由圖6可知，隨著含水率的增加，試件的導熱系數逐漸增大，保溫性能逐漸降低。當含水率較低時，熱量傳遞主要發生在固體與固體之間，其他兩種介質之間的熱量傳遞可忽略。隨著含水率的增加，試件中存在3種介質之間的熱量傳遞，水分子不斷填充陶粒內部的孔隙，其導熱系數大于空氣的導熱系數，試件的導熱系數也隨之變大。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比

為了比較相同強度等級下，LC30頁巖陶粒混凝土與C30普通混凝土的保溫性能，制備了C30普通混凝土，并將其與A3組性能進行比較，結果見表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頁巖陶粒混凝土與C30普通混凝土相比，干密度和導熱系數降低，保溫性能提升。

3   結論

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

（2）頁巖陶粒密度等級與頁巖陶粒混凝土的抗壓強度、保溫性能分別呈正相關和負相關。在保溫性能滿足要求的情況下，要得到相對較高的抗壓強度，需要增加頁巖陶粒密度等級；在抗壓強度滿足要求的情況下，要得到相對較好的保溫性能，則需要減小頁巖陶粒密度等級。

（3）頁巖陶粒混凝土在實際應用中，抗壓強度和保溫性能均與混凝土的含水率呈負相關，最好的狀態為絕對干燥狀態。因此，頁巖陶粒混凝土在實際應用時，應做好防水措施。

（4）LC30頁巖陶粒混凝土與C30普通混凝土相比，保溫性能提升。