夹芯式预制轻骨料混凝土外墙板的材料制备研究.pdf

中文科技期刊数据库（全文版）工程技术 171 夹芯式预制轻骨料混凝土外墙板的材料制备研究 胡永琪 姚乙宁 杭盈吉 张 蔚 扬州大学建筑科学与工程学院，江苏 扬州 225127 摘要：摘要：可持续性发展趋势是近年来全球发展的重要趋势，减少碳排放成为目前装配式建筑首要目标。为了达成这一目标，本文提出一种夹芯式预制轻骨料混凝土外墙板，其内外叶由轻骨料混凝土构成，内叶材料由聚苯颗粒混凝土构成。围绕该种新型墙板的材料的选择与制备开展研究，并通过单因素试验法找出轻骨料混凝土和聚苯颗粒混凝土最佳配合比。关键词：关键词：夹芯式；轻骨料混凝土；聚苯颗粒混凝土；材料制备；最佳配合比 中图分类号：中图分类号：TU7 0.引言 近年来人们的生活生产能源消耗成倍数增长，2022 年，我国碳排放量达到了惊人的 114.8 亿吨，而建筑能耗占到了总能耗的 27.5%。为了满足节能减排，预制混凝土构件的概念被提出，国外学者就这个课题进行了多角度研究。An Chen,Thomas G1等对不同厚度的 FRP 预制拉筋夹芯板的抗弯性能进行了实验研究和分析；Tomlinson,Douglas,Fam2等对玻璃纤维增强聚合物在预制混凝土夹芯板中作为拉筋对板的抗弯性能进行了受弯性能实验研究；Greg Woltman,Douglas Tomlinson3等对采用不同 GFRP 剪力连接件的夹芯板受力性能进行了研究。在国内，种迅4对预制混凝土保温夹心板采用GFRP作为拉杆时的墙平面外抗弯性能的研究，邱灿星5等人对带暗梁和暗柱的多孔混凝土复合墙板进行了受弯和偏心压缩性能的全面实验研究。但就目前来看，预制轻骨料混凝土还存在强度过低，可施工性较低，安全性能欠佳等缺点。本文提出一种夹芯式预制轻骨料混凝土外挂墙板（如图 1），墙板内外叶为轻骨料混凝土，夹芯层为聚苯颗粒混凝土。围绕外墙板的材料制备开展研究，借助试验得出轻骨料混凝土与聚苯颗粒混凝土的最佳配合比。聚苯颗粒混凝土填充在轻骨料混凝土墙板的空腔中，充当墙板的保温隔热层，通过在墙板内设置桁架能更好的连接内外墙板，提高墙板的整体性。较传统外墙板，本文介绍的预制外墙板具有自重轻，材料利用率高，内外叶胶凝材料一致，保温性能好，整体性好，便于批量化生产等诸多优点，有较为良好的发展和应用前景。图 1 带钢筋网与连接桥的复合外挂墙板剖面样式 1 轻骨料混凝土制备 1.1 配合比设计 1.1.1 制备目标 查找 JGJ51-2002轻骨料混凝土技术规程6的规定，制备一种有良好工作性能的轻骨料混凝土，用作混凝土外挂墙板的内外页。设计选取水胶比、胶凝材料总量、绝对体积砂率、掺和料种类和掺量等变量，凭借单因素分析法，试配调整找出轻骨料混凝土最优配合比。1.1.2 配合比设计（1）胶凝材料 参照 GB/T 50080-2016普通混凝土拌合物性能试验方法标准7，使用整体试件烘干法测定轻骨料混凝土的干表观密度，使用济南辰达试验机制造有限公司生产的 YAW-3000C 型微机控制全自动压力试验机，对养护完毕的混凝土试件均匀连续加荷直至破坏，记录破坏荷载，计算得出混凝土抗压强度值 fcc。试验以干密度与抗压强度为重要指标。取不同胶凝材料用量来改变轻骨料混凝土的粘度，分析粘度状态，找出最优胶凝材料。中文科技期刊数据库（全文版）工程技术 172 图 2 胶材总量与干密度关系 图 3 胶材总量与抗压强度关系 由上图可知，干密度受胶材总量影响较大，从而影响坍落度，而胶材总量为 460kg/m3 时干密度较低，3、7、28d 时抗压强度较高，综合分析选取胶凝材料总量为 460kg/m3。（2）水胶比 继上述试验，改变水胶比，进行不同水胶比的轻骨料混凝土试验，找出最佳水胶比。图 4 水胶比与干密度关系 图 5 水胶比与抗压强度关系 由上图可知，水胶比 0.27 时干密度较小，但 3、7、28d 时抗压强度较高，水胶比为 0.36 时虽然干密度低，但是 3、7、28d 时抗压强度较低，综合分析后选用水胶比为 0.27 作为实验配比。（3）绝对体积砂率 继上述试验，改变绝对体积砂率，对砂率不同时的轻骨料混凝土试验，找出最优砂率。图 6 绝对体积砂率与干密度关系 图 7 绝对体积砂率与抗压强度关系 中文科技期刊数据库（全文版）工程技术 173 由上图可知，砂率 34时干密度较小，3、7d 时抗压强度受砂率影响不大，而 28d 时随着砂率增大，抗压强度变化较明显，故选择砂率 34%为试验配比。下一步改变掺和料种类和掺量进一步优化配合比。（4）掺和料种类和掺量 1）粉煤灰 继上述试验，改变粉煤灰掺量，对不同掺量粉煤灰的轻骨料混凝土试验，找出最优粉煤灰掺量。图 8 粉煤灰掺量与干密度关系 图 9 粉煤灰掺量与抗压强度关系 由上图，可以看出适当的粉煤灰掺量可以提高混凝土的干密度和工作性，减少徐变。随着粉煤灰掺量增加达到 20%后，干密度显著降低，而 3、7、28d 时粉煤灰掺量为 10%时抗压强度较大，混凝土强度达到 30Mpa。为满足试验设计要求，故选取粉煤灰掺量 10%作为试验配比。2）矿渣 继上述试验，改变矿渣掺量，对矿渣掺量不同的轻骨料混凝土试验，找出最佳矿渣掺量。图 10 矿渣掺量与干密度关系 图 11 矿渣掺量与抗压强度关系 由上图，当矿渣掺量达到 20%后，干密度显著降低，矿渣在混凝土中发挥的作用与粉煤灰相似，适量掺入矿渣会提高混凝土工作性与抗压强度，而掺量为 10%时，抗压强度较为合理，满足试验需要，混凝土坍落度、工作性能达到目标。3）复掺掺和料 继上述试验，调整复掺掺和物掺量，提升轻骨料混凝土强度和工作性能，找出最佳复掺掺和料掺量。图 12 矿渣:粉煤灰与干密度关系 中文科技期刊数据库（全文版）工程技术 174 图 13 矿渣:粉煤灰与抗压强度关系 由上图，复掺掺和料在 5%12%时干密度受显著影响，而随着矿渣：粉煤灰掺量增加，抗压强度先升后降，故调整矿渣:粉煤灰掺量为 10%时，轻骨料混凝土最高强度为 34.1Mpa，同时在此基础上测得的混凝土的工作性达到配制的目标要求。4）纤维掺量 继上述试验，改变纤维掺量，提升混凝土性能，使混凝土工作性能满足设计要求，找出最优纤维掺量。图 14 PP 纤维掺量与干密度关系 图 15 PP 纤维掺量与抗压强度关系 由上图，聚丙烯纤维可提高混凝土抗压强度，可达到混凝土坍落度等要求。聚丙烯纤维掺量为 0.05%时，抗压强度较大，为 38.1Mpa 强度满足试验需要，混凝土工作性能达到目标。1.1.3 最优配合比 通过上述对轻骨料混凝土试验，选定最佳配合比如下表 1 所示：2.2 制备过程（1）备首先对各材料的称重与外加剂称重。（2）称重完毕后，将原料倒入搅拌锅均匀预拌 60s。（3）防止混凝土与外加剂的不充分反应，将外加剂与搅拌用水进行均匀混合同时加入混凝土、PP 纤维、外加纤维中进行搅拌。为保证试验可靠性、科学性，预拌时间改为 60s、搅拌时间改为 180s。（4）搅拌完成后，将混凝土拌合物倒入模具中，多次插捣，将装满混凝土的模具放在振动台上振动 23s，控制振动时间，完成后用抹刀抹去模具上多余混凝土，以备后续试验。2 聚苯颗粒混凝土制备 2.1 配合比设计 2.1.1 制备目标 查找 JGT158-2013 胶粉聚苯颗粒外墙外保温系统材料8。为了制备出达到要求的聚苯颗粒混凝土，用作墙板的保温层材料，我们选取导热系数0.095，干表观密度 180250 kg/m3，抗压强度0.2Mpa 的聚苯颗粒混凝土。2.1.2 配合比设计（1）可分散乳胶粉与 HPMC 选取不同的胶粉和 HPMC 的掺入量，改变聚苯颗粒混凝土粘性，使其粘度位于相对合理的状态。由图 17、18 可知，乳胶粉、HPMC 掺量与聚苯颗粒混凝土各粘性成正比。当可再分散乳胶粉与 HPMC 掺比为 1%和 2%时，浆体发散；4%和 5%时浆体粘度过大。只有当掺比为 3%时，聚苯颗粒混凝土状态状态最佳，干密度与 7d 抗压强度符合要求。表 1 最佳轻骨料混凝土配合比 水泥(kg)矿渣:粉煤灰(%:%)矿渣(kg)粉煤灰(kg)砂(kg)陶粒(kg)净用水量(kg)PP 纤维(%)PP 纤维(kg)减水剂(%)砂率(%)胶材总量(kg)水胶比 坍落度(mm)368 10:10 46 46 640 365 124 0.05 0.4550 1.60 34 460 0.27 90 中文科技期刊数据库（全文版）工程技术 175 图 16 轻骨料混凝土制备过程 0.010.020.030.040.05300350400450500干密度(kg/m3)可再分散乳胶粉:HPMC(%:%)图 17 可再分散乳胶粉:HPMC 与干密度关系 0.010.020.030.040.050.10.20.30.40.57d抗压强度(MPa)可再分散乳胶粉:HPMC(%:%)图 18 可再分散乳胶粉:HPMC 与抗压强度关系 1.51.82.12.42.73.0150200250300350400450干密度(kg/m3)胶材总量(kg)图 19 胶材总量与干密度关系 1.51.82.12.42.73.00.10.20.30.40.57d抗压强度(MPa)胶材总量(kg)图 20 胶材总量与抗压强度关（2）胶材总量 保持上述实验数据不变，选取不同的胶材总量，改变聚苯颗粒混凝土结构中空隙的大小，寻找最优用量。由上图 19、图 18 可知，胶材总量与混凝土的干密度、7d 抗压强度成正比。当每立方米混凝土胶材总量为 2.1kg 和 3.0kg 时混凝土浆体偏少，不利于施工，因而胶材总量 2.55kg 为最终用量。（3）粉煤灰掺量 保持上述实验数据不变，调整水泥与粉煤灰的占比，找出最佳粉煤灰掺量。0.00.10.20.30.4200250300350400干密度(kg/m3)粉煤灰掺量(%)图 21 粉煤灰掺量与干密度关系 0.00.10.20.30.40.10.20.30.40.57d抗压强度(MPa)粉煤灰掺量(%)图 22 粉煤灰掺量与抗压强度关系 中文科技期刊数据库（全文版）工程技术 176 由图 21、图 22 可知，粉煤灰掺量增加导致干密度下降再上升。各组试块状态良好，满足 7d 抗压强度要求。当水泥与粉煤灰占比为 10%时，干密度略高且抗压强度低于 20%占比，因此应选择水泥与粉煤灰占比为20%作为最终用量。（4）早强剂掺量 保持上述实验数据不变，寻找最佳早强剂掺量，提高聚苯颗粒混凝土的早期抗压强度。0.0000.0050.0100.0150.020200240280320360400干密度(kg/m3)硫酸钠:碳酸钠掺量(%:%)图 23 早强剂掺量与土干密度关系 0.0000.0050.0100.0150.0200.10.20.30.40.57d抗压强度(MPa)硫酸钠:碳酸钠(%:%)图 24 早强剂掺量与抗压强度关系 由图 23、图 24 可知，掺入早强剂后，各组混凝土均发散，保持其中碳酸钠掺量不变，硫酸钠掺量增加，7d 抗压强度先降后升，当硫酸钠:碳酸钠掺量为 1.0%和 2.0%时，混凝土浆体流动性较差，最终选取硫酸钠:碳酸钠掺量为 1.5%。（5）润滑剂剂掺量 保持上述实验数据不变，改变硬脂酸锌掺量，找出最佳用量，减小聚苯颗粒混凝土间空隙，提高耐久性。0.00.10.20.30.4230235240245250干密度(kg/m3)硬脂酸锌掺量(%)图 25 硬脂酸锌掺量与干密度关系 0.00.10.20.30.40.100.200.300.400.507d抗压强度(MPa)硬脂酸锌掺量(%)图 26 硬脂酸锌掺量与抗压强度关系 由图 25、图 26 可知，硬脂酸锌掺量增加，各试验组混凝土状态良好，干密度符合要求；7d 抗压强度先升后降，各组软化系数均有提升。考虑经济效益，选取硬脂酸锌占比 0.1%作为最终配比。2.1.3 聚苯颗粒混凝土最佳配合比 最终得到聚苯颗粒混凝土最佳配合比如下表 2 所示：2.2 制备过程（1）根据规程7，对各材料进行称重，注意避免聚苯颗粒飘散。（2）称重后，在搅拌锅中加入水泥和筛分后的聚苯颗粒，干拌 12min。（3）随后加入羟丙基甲基纤维素(HPMC)、胶粉、粉煤灰、PP 纤维后再次启动搅拌机，将水和减水剂混合后，边搅拌边倒入锅内，充分搅匀，搅拌 12min。（4）搅拌停止，倒出拌合物，从中取出一部分进行表观密度检测试验，其余部分装入 100mm100mm100mm 模具中以备后续试验。表 2 聚苯颗粒混凝土的最佳配合比 聚苯颗粒（kg）净用水量(kg)硬脂酸锌比例 硬脂酸锌质量 减水剂 缓凝剂 胶材总量(kg)水胶比 1.02 2.55 1.00%0.051 0.0765 0.0255 5.1 0.5 中文科技期刊数据库（全文版）工程技术 177 图 27 聚苯颗粒混凝土制备过程 3 小结 本文通过对夹芯式外墙板的结构形式、轻骨料混凝土制备、聚苯颗粒混凝土材料制备方面的研究，得到以下结论。轻骨料混凝土制备利用单一变量的原则，进行多组轻骨料混凝土配合比实验，得到最佳配比为砂 640kg，水泥 368kg，陶粒 365kg，0.05%PP 纤维 0.4550kg，净用水量 124kg，减水剂 1.60%，砂率 34%，胶材总量460kg，水胶比 0.27，坍落度 90mm 的陶粒轻骨料混凝土作为制备墙板外叶的材料。聚苯颗粒混凝土具有隔音减震、保温隔热、轻质高强、防火耐久、结合度好等优点。本实验聚苯颗粒混凝土材料的制备采用最佳配比为聚苯颗粒 1.02kg，净用水量 2.55kg，比例 1.00%硬脂酸锌 0.051kg，减水剂 0.0765kg，缓凝剂 0.0255kg，胶材总量 5.1kg，水胶比 0.5，软化系数 0.55 的聚苯颗粒混凝土作为制备复合墙板夹心保温层的材料。参考文献 1An Chen,Thomas G.Norris,Paul M.Hopkins,Mostafa Yossef.Experimental investigation and finiteelement analysis of flexural behavior of insulated concretesand wich panels with FRP plate shearconnectorsJ.Engineering Structures,2015(4):53-55.2Tomlinson,Douglas,Fam,Amir.Experimental Investigation of Precast Concrete Insulated Sandwich Panels with Glass Fiber-Reinforced Polymer Shear ConnectorsJ.ACI Structural Journal,2014(3):142-143.3Greg Woltman,Douglas Tomlinson,Amir Fam.Investigation of Various GFRP Shear Connectors for Insulated Precast Concrete Sandwich Wall PanelsJ.Journal of Composites for Construction,2013(5):84-86.4蒋庆,陈明,种迅,等.GFRP 拉结件预制混凝土夹心保温外墙板的数值模拟和组合性能分析J.合肥工业大学学报(自然科学版),2021,44(10):1363-1369.5邱灿星,季可凡.带暗梁柱的开洞混凝土复合墙板受弯和偏压性能足尺试验研究 J.建筑结构学报,2018(09):47-52.6季继强.轻骨料混凝土技术规程.M.北京:中国标准出版社,2002.7胡开思.普通混凝土拌合物性能试验方法标准M.北京:中国建筑工业出版社,2016.8王平.胶粉聚苯颗粒外墙外保温系统材料.M.北京:中国标准出版社,2013.基金项目：扬州大学大学生科技创新基金资助（X20220424）。