碎石型页岩陶粒混凝土的密度强度与导热系数的相关性研究.docx

碎石型页岩陶粒混凝土的密度 、强度与导热系数的相关性研究刘阳杰 1，吴 玮 2，陈 锥 1，邹凌凯 1（ 1.福建省建筑科学研究院、福建省建工建材科技开发有限公司，福建 福州 350025；2.福建省交通建设质量安全监督局）摘 要 本文通过汇集以往实验数据，对碎石型页岩陶粒混凝土的力学性能与保温性能的相关性进行分析，得到的结果表明：碎石型页岩陶粒混凝土的干表观密度、抗压强度与导热系数具有一定的线性相关，并且在制备lc10lc30 的轻骨料混凝土时，使用碎石型页岩陶粒作骨料可获得更好的综合性能。关键词 页岩陶粒；混凝土；密度；强度；导热系数；保温性能0 引言与传统的无机保温材料相比，页岩陶粒混凝土不仅具有 自保温性能，还具有较高的力学强度，适用于结构保温工程， 符合国家所提倡的重点发展节能、节土、利废、轻质高强与多 功能的新型墙体和屋面材料的要求1。但是如何制备出保温 性能和力学性能双优的页岩陶粒混凝土具有一定的技术难 度，因为在追求高强度的同时，必然会降低其保温效果。根据 试验研究发现，轻质水泥基材料的干表观密度与这两种性能 均具有一定的相关性，因此可以从研究页岩陶砂水泥砂浆 和页岩陶粒混凝土的干表观密度入手，来探讨它们的保温性 能和力学性能之间的关系。本文所研究的页岩陶砂水泥砂浆与页岩陶粒混凝土都 是以普通页岩陶粒经过破碎后得到的页岩陶砂或碎石型页 岩陶粒作为粗细骨料，以硅酸盐水泥为胶凝材料制备而成 的。因此这两种产品所用材料在本质上是一致的，差别只是 骨料粒径的不同而已，所以可以将页岩陶砂水泥砂浆和碎石 型页岩陶粒混凝土当做同一种物质来进行综合研究。因此将 页岩陶砂水泥砂浆视为低密度等级的碎石型页岩陶粒混凝 土，可以更加全面地探讨碎石型页岩陶粒混凝土的密度、强 度与导热系数之间的相关性。1 页岩陶粒混凝土的导热系数与干表观密度的相 关性干表观密度是指混凝土的绝干密度，是材料中的自由水被充分蒸发后剩下的单位体积密度。对于混凝土，当干表观 密度变小时其内部的孔隙率也会增加，在这些孔隙的内部中 含有静止的空气会明显降低材料的导热系数，然而当混凝土中孔隙过大时会使孔隙中的空气对流作用增强，对流换热增加，反而会造成混凝土的导热能力增强，导热系数变高。因此 如果只单纯靠降低水泥制品的密度来提高其保温性能是不 可取的。而轻骨料水泥基材料中存在的大量孔隙是封闭微 孔，这使其导热系数与干表观密度存在较大的相关性。ramazan2等人研究给出的陶粒混凝土的导热系数与表 观密度的线性表达式为：y=0.018x-3.7 王伟鉴3也对几组不同配合比的无机轻骨料的保温水泥砂浆进行干表观密度和导热系数测定，得出保温砂浆的干表 观密度与导热系数的关联式：y=(0.0002526)x-(0.01305)，r=0.92在这些学者的实验研究中都表明了轻骨料水泥制品的 干表观密度与导热系数具有很好的线性相关性。本实验通过 测试不同密度等级碎石型页岩陶粒混凝土的导热系数，数据 如表 1。表 1 干表观密度与导热系数的关系数据表3 yyy yyyyy /yk g /m y yyyy/ ( w /m ) yyyy 1234567891064073098010601100115012001400162017100.13940.18540.19030.21040.21120.22080.27360.29830.37270.3782yyyyyyyyyyyyyyyy yyyyyyyyyy yyyyyyyyyy yyyyyyyyyy yyyyyyyyyy yyyyyyyyyy yyyyyyyyyy yyyyyyyyyy yyyyyyyyyy从表 1 可以看出，随着混凝土干表观密度的增加，其导热系数也会变大，为了验证两者之间是否具有相关性，使用 origin 软件对这些数据进行拟合分析如图 1。试验研究2014 年差。为了验证这一个观点，本文统计了以往所制备的破碎页岩陶粒混凝土的试验数据 ，将其划分为 600 800 等 级 与8001750 等级，其中前者主要是页岩陶砂水泥砂浆为主，后 者主要是碎石型页岩陶粒混凝土，强度等级在 lc30 以下。对 它们依次进行线性分析，得到结果曲线如图 2 和图 3。图 1 6001700 等级干表观密度与导热系数的关系由拟合结果，可以得到当干表观密度为 6001800 时,碎 石型页岩陶粒混凝土的线性表达式为：y=(-0.01305)+(0.0002526)x， r=0.92式中：y导热系数； x干表观密度； r相关系数。（1）图 2600800 等级密度与强度拟合曲线相关系数达到了 0.92 可以看出碎石型页岩陶粒混凝土的导热系数与干表观密度相关性很强，两者的变化基本在一 条直线上。因此通过公式 1 可以直接从所制备的碎石型页岩 陶粒混凝土的干表观密度换算出导热系数，这与导热系数测 试的繁琐相比，用这种方法来估算导热系数可以为制备保温 型碎石型页岩陶粒混凝土提供极大的便利。2 页岩陶粒混凝土的抗压强度与干表观密度关系 的研究页岩陶粒混凝土的密度与其力学性能是否存在一定的线性关系，目前尚未获得足够的试验依据，一些学者也在各 自的领域对这方面的工作进行了探讨研究。段军 4 等人认为当页岩陶粒混凝土密度等级在 10001400 时，混凝土有着线性的密度与强度的关系，线性表达式 可以表示为：y=0.0437x-26.91，r=0.69李平江5对密度等级在 17001900 的高强页岩陶粒混 凝土的密度与强度之间的关系进行了研究，研究发现页岩陶 粒混凝土的比强度（抗压强度与干表观密度的比值）随抗压 强度的增加而增加，这表明密度与强度之间线性相关性较 低。从上面两个相反的结论可以看出，页岩陶粒混凝土的密 度和强度都较低时，两者之间的线性相关性较好；当密度和 强度等级都超过一定范围时，两者之间的线性相关性会变30282624222018161412900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 18001900图 3 8001700 等级密度与强度的拟合曲线从上面这两个图可以看出，当密度等 级 为 600 800 时，干表观密度与抗压强度的相关性达到了 0.97，而密度等 级在 8001700 时，两者之间的相关性只有 0.74。这表明随 着密度等级的提高，碎石型页岩陶粒混凝土的密度与强度之 间的相关性会变差，但是仍然具有较高的线性相关。因此可 以对上面两种等级的碎石型页岩陶粒混凝土进行汇总，得到 碎石型页岩陶粒混凝土在 6001700 时，干表观密度与抗压 强度之间的线性拟合曲线如图 4。由拟合结果，可以得到当干表观密度为 600 1700 时，强度等级在 lc30 以下时，页岩陶粒混凝土的抗压强度的 线性表达式为：12y=0.019x-5.51r=0.74第 10 期（总第 162 期）试验研究土；与普通型页岩陶粒混凝土相比，本文制备的碎石型页岩陶粒混凝土在同等强度下，导热系数更低、保温性能更好，但 是密度较高，这可能与使用的骨料筒压强度偏低有关。因此 与其他轻骨料混凝土相比，lc30 以下的碎石型页岩陶粒混 凝土作为结构自保温工程材料应用具有更大的优势。4 总结本文研究了碎石型页岩陶粒混凝土的干表观密度与抗 压强度、导热系数之间的关系式，建立了相对应的关系表，并 得到了以下结论：（1）碎石型页岩陶粒混凝土的干表观密度与导热系数的 线性相关性较好，线性表达性为：y=(-0.01305)+(0.0002526)x， 线性相关性为 0.92。（2）密度等级较低的碎石型页岩陶粒混凝土，其密度与 强度之间的线性相关性更好。当密度等级低于 800 时，干表 观密度与抗压强度的线性相关系数达到了 0.97，在 800 1700 时，两者的线性相关系数降低到 0.74；当密度等级在6001700 时，碎石型页岩陶粒混凝土混凝土的线性表达式 可以表示为 y=0.018x-3.7，相关系数为 0.87。（3）在制备 lc10lc30 的轻骨料混凝土时，使用碎石型 页岩陶粒作骨料可获得更好的综合性能。与普通型页岩陶粒 混凝土相比，碎石型页岩陶粒混凝土在同等强度下导热系数 更低，保温性能更好。3028262422201816141210864400 600 80010001200140016001800 ( ) * $ %k g / m 3&图 4 6001700 等级密度与强度的拟合曲线y=0.018x-3.7，r=0.87式中：y抗压强度； x干表观密度； r相关系数。（2）线性相关为 0.87，所以在使用碎石型页岩陶粒制备密度等级在 6001700 的水泥制品，可以通过公式 2 对抗压强度 进行估算，但是这个公式还具有一定的局限性，仅适合密度 强度等级在 lc30 以下，对于强度等级更高的碎石型页岩陶 粒混凝土还需要进一步研究。3碎石型页岩陶粒混凝土的力学性能和保温性能 的关系从以上所研究的结果可以推知，本文制备的碎石型页岩陶粒混凝土的干表观密度与其力学性能和保温性能具有较 强线性正相关，结合以往试验数据，由公式 1 和 2 可以推算 密度、强度与导热系数之间的关系表，并与轻骨料混凝土技 术规程( jgj51- 2002)中的普通轻骨料混凝土和相关文献4 中普通型陶粒做骨料的混凝土进行对比，得到数据如表 2。表 2 几种不同骨料混凝土的密度与强度、导热系数的关系数据表参考文献1 杨善勤, 外保温墙体保温隔热性能优势 j. 建设科技，2004（13）:38-39.2ramazan demirbo?a, rstem gl.the effects ofexpanded perlite aggregate, silica fume and fly ash on the thermalconductivity of lightweight concrete j. cement and concrete research, 2003, elsevie.3 王伟鉴.无机轻集料聚合物保温砂浆d.杭州：浙江大学,2008.4 段军,丁建彤,郭玉顺