采用正交设计配制聚苯乙烯混凝土

采用正交设计配制聚苯乙烯混凝土郑秀华,葛勇,张宝生,于纪寿哈尔滨工业大学材料学院,黑龙江哈尔滨150006摘要本文采用正交设计试验方法对影响聚苯乙烯混凝土主要性能的因素进行探讨,找出影响聚苯乙烯混凝土主要性能的规律,确定基准配合比,在此基础上优化配合比,配制出满足格构建筑体系基本要求的聚苯乙烯混凝土。关键词正交设计格构建筑体系聚苯乙烯混凝土中图分类号TU52812文献标识码A文章编号10023550200407004503POLYSTYRENECONCRETECOMPOUNDINGBYORTHOGONALDESIGNZHENGXIU2HUA,GEYONG,ZHANGBAO2SHENG,YUJI2SHOUINSTITUTEOFMATERIALS,HARBINUNIVERSITYOFTECHNOLOGY,HARBIN150006,HEILONGJIANG,CHINAABSTRACTTHEINFLUENCINGFACTORSOFBASICPROPERTIESOFPOLYSTYRENCONCRETEWEREDISCUSSEDBYORTHOGONALDESIGNEXPERI2MENTSINFLUENCINGLAWSOFBASICPROPERTIESOFPOLYSTYRENCONCRETEWEREFOUNDANDDATUMPROPORTIONWASDEFINED,THENTHEPOLYSTYRENCONCRETEWASCOMPOUNDEDBYOPTIMIZEDPROPORTION,WHICHCANSATISFYTHEBASICNEEDSOFTHECHECKER2STRUCTUREARCHI2TECTURALSYSTEMKEYWORDSORTHOGONALDESIGNCHECKER2STRUCTUREARCHITECTURALSYSTEMPOLYSTYRENCONCRETE31111骨料采用废弃的发泡聚苯乙烯塑料,经破碎后,粒径小于8MM,堆积密度15KG/M3。经破碎后的发泡聚苯乙烯塑料颗粒表面粗糙,有利于与水泥石之间的粘接,提高强度。31112水泥3215R普通水泥,哈尔滨市水泥厂生产。31113粉煤灰为了取代部分水泥而掺入粉煤灰,以保证聚苯乙烯混凝土有足够的浆量,使水泥浆呈连续相,同时,粉煤灰的密度比水泥的小,还可降低其体积密度。粉煤灰有原灰、磨细灰。原灰为哈尔滨市热电厂的干排灰,01045MM方孔筛余为46磨细灰是将原灰磨细后,01045MM方孔筛余为10。31114外加剂自制复合外加剂A和自制复合外加剂B。312试验方法31211试件制备不掺外加剂的聚苯乙烯混凝土,采用砂浆搅拌机搅拌,将水泥和粉煤灰混合均匀,加入适量的水,拌成均匀的浆体,然后将聚苯乙烯颗粒倒入,搅拌均匀,人工挤压成型,24小时后脱模。掺外加剂的聚苯乙烯混凝土,将水泥和粉煤灰混合均匀,加入适量的水,拌成均匀的浆体,然后将用外加剂润湿处理后的聚苯乙烯颗粒倒入,搅拌均匀,人工挤压成型,24小时后脱模。31212试验方法抗压强度试验采用100MM100MM100MM试件,将其养护至28D后,测定其抗压强度。干体积密度和吸水率参照GB64861985进行,烘干温度555。导热系数试验采用100MM200MM30MM试件,参照GB102941988进行。1前言针对北方地区特点,为了寻求适应发展新型墙体材料和推广节能建筑的需要,参阅国内外各种建筑体系特点,提出了“格构建筑体系”1。它只要求外墙砌块起保温和围护作用,同时兼作施工模板,而承重作用由墙内形成的格构式混凝土梁柱承担。该体系对砌块的强度要求不高,只要能承受自重,在装卸搬运、砌筑时不破碎即可。众所周知,发泡聚苯乙烯作为包装材料用量大,废弃的发泡聚苯乙烯随处可见,污染环境和土壤,已成为社会一大公害。然而发泡聚苯乙烯不但具有优良的保温隔热性和极低的吸水率,而且具有轻质、韧性高、不宜破损、抗震等优点,是一种理想的保温隔热材料,因此用它作集料制作该体系用轻骨料混凝土砌块具有显著的经济效益、社会效益和环境效益。为了快速找到聚苯乙烯混凝土的配合比,采用正交设计方法进行研究。2研究方案211研究目标配制的聚苯乙烯混凝土应满足格构建筑体系对墙体材料的基本要求强度015MPA体积密度500KG/M3600KG/M3导热系数0110W/MK0114W/MK抗冻性满足冻融循环次数25次憎水或低吸水率。212试验方案21211依据正交设计,找到不加外加剂的基准配合比。21212在此基础上,用改良对比设计法,通过加入复合外加剂解决抗冻性问题并进一步提高强度,优化配合比。3原材料及试验方法311原材料抗冻性试验采用慢冻法。包裹骨料的表面,而且能充分填充骨料的空隙,聚苯乙烯混凝土的结构密实度增加,强度会有较大幅度提高。因此要使聚苯乙烯混凝土获得足够的强度,水泥石必须形成连续相。掺入粉煤灰取代部分水泥,既可增加水泥浆量,又可节约水泥和降低混凝土的体积密度。因此胶凝材料以水泥和粉煤灰为主,水泥用量和粉煤灰掺量是两个很重要的因素。在拌制聚苯乙烯混凝土时,保持混凝土拌合物的稠度一定,用水量视流动性而定,因此用水量不作为因素考虑。考虑粉煤灰品种对聚苯乙烯混凝土的强度也可能产生影响,因此最后将水泥用量、粉煤灰掺量、粉煤灰品种作为确定基准配合比的主要因素。由于对混凝土的强度要求不高,水泥用量选为170KG/M3250KG/M3依据经验粉煤灰掺量为2040粉煤灰品种为原灰、磨细灰、混合灰原灰和磨细灰的混合物。选用三因素三水平,采用L934正交设计表安排试验,三因素三水平表见表1。4正交设计411正交设计中控制指标的确定聚苯乙烯混凝土性能中,抗冻性可通过掺入外加剂来解决。体积密度和导热系数关系密切,一般来说,体积密度越小,导热系数越小,体积密度测试较导热系数快捷、方便。因此,导热系数暂不作正交设计中的控制指标,以体积密度为控制指标。体积密度和强度的关系是,体积密度越小,强度越低。欲配制的聚苯乙烯混凝土要满足质量轻,又具有足够强度的要求,两者存在一定的矛盾。因此,在聚苯乙烯混凝土性能中,以体积密度和强度为控制指标,研究各因素对体积密度和强度的影响规律,其它性能指标作为最后的验证指标。412正交设计中因素及水平的确定从理论上讲,聚苯乙烯混凝土的强度由水泥石的强度、聚苯乙烯骨料的强度、水泥石与聚苯乙烯骨料的界面粘接强度决定。聚苯乙烯混凝土破坏时,聚苯乙烯骨料并没有被压碎,而只是被压缩。它在混凝土中,就像空气泡一样2,主要起保温隔热,降低体积密度的作用,对强度贡献很小,可忽略不计。聚苯乙烯混凝土的强度主要由水泥石的结构强度和水泥石与聚苯乙烯骨料的界面粘接强度决定,而水泥石与聚苯乙烯骨料的界面粘接强度又与水泥石的结构强度关系密切,故聚苯乙烯混凝土的强度主要由水泥石的结构强度决定。若水泥浆与聚苯乙烯骨料比,即浆骨比较低时,浆体仅能包裹骨料的表面,不能充分填充骨料的空隙,浆体硬化后,聚苯乙烯混凝土的结构不密实,孔隙率较大,强度较低随着浆体量的增加,浆体不但能表1因素水平表因素水泥用量A粉煤灰掺量B/粉煤灰品种C/KG/M3水平原灰磨细灰混合灰1231702102504030205试验结果分析511正交设计试验结果及极差分析L9349组正交设计及极差分析见表2,正交设计中,极差的大小可反映因素作用的大小。从极差分析结果知,影响体表2L934正交试验结果及极差分析干体积密度/KG/M3抗压强度/MPA水泥用量A粉煤灰掺量B粉煤灰品种C空列D12312312345678911122233312312312312323131212331223132731030839135734244744640331931830939235434644945040632931431339635434744544540603540342025403970344035005500442041203200339025004010359033405140453045903580351023403900365032405380485044946K1干体K2密度K3R284732793897349533483180335133363336325533183450总和10023101368误差平方和5610000000087200008723210000000007878E051410000000022400002241410000000006262E05610000000023400002341410000000034400003448100000000672000067214100000000998000099861000000012260001226小计16410000000471总平方和69792166667017537411616735100116721167K1抗压K2强度K3R21802312644130231822314831066314231543140831423164231306011667010840010147010373积密度的因素由大到小的顺序为水泥用量粉煤灰掺量粉煤灰品种。水泥在聚苯乙烯混凝土中密度最大,故水泥用量越大,混凝土的体积密度也越大。当水泥用量为250KG,最大的体积密度为447KG/M3,已满足体积密度小于500KG/M3的要求。随着粉煤灰掺量的增加,混凝土的体积密度也增加。即使掺量达40,其体积密度仍能满足要求。粉煤灰品种对体积密度的影响最小。总之,三因素在选定水平范围内,均能满足体积密度的要求。从满足体积密度和导热系数的角度考虑,体积密度越小越好,其最优组合为A3B1C2,考虑该混凝土还要满足强度要求,因此在满足强度的前提下,选用水泥用量小,粉煤灰掺量小的配比。从强度的极差分析可知,影响强度的因素由大到小的顺序为水泥用量粉煤灰掺量粉煤灰品种。水泥的活性比粉煤灰大得多,因此它对强度的贡献最大。随着水泥用量的增加,水泥水化产物增多,混凝土的强度提高。由于水泥用量对强度的影响最大,若水泥用量选择不当,对强度的影响比其它因素都大,故水泥用量的确定非常关键。粉煤灰对混凝土强度的贡献主要来自其“活性效应”和“微集料效应”,粉煤灰掺量对混凝土强度的影响比粉煤灰品种大。随着粉煤灰掺量的增加,混凝土的强度提高。这主要是由于粉煤灰掺量增加,拌合物内浆量增加,不仅能包裹聚苯乙烯骨料,而且能更好地填充聚苯乙烯骨料之间的空隙,使水泥石形成连续相,即形成封闭结构3,这有利于强度的提高。极差最小的是,粉煤灰品种,掺磨细灰的强度高,这是由于磨细灰的活性比原灰的高的缘故。但从极差结果看,粉煤灰品种对强度影响很小。说明在低强混凝土中“,活性效应”对混凝土的强度的影响不如“微集料效应”明显。从强度的极差分析知,其最优组合为A3B1C2。在表2中,编号7一组的配比,即A3B1C3水泥250KG,粉煤灰40,混合灰强度最高,达到01534MPA。为了寻求更合理的配合比,需要对正交设计试验结果进行方差分析,找出各因素对体积密度和强度影响的显著性,以便更科学地确定基准配合比。512正交设计试验方差分析由表3的方差分析结果可知,水泥用量和粉煤灰掺量对体积密度的影响水平非常显著,粉煤灰品种对体积密度的影响程度已被试验误差淹没,影响水平不显著。三因素对体积密度的影响水平排序与直观极差分析一致。另外,通过方差分析得知,水泥用量和粉煤灰掺量两者有交互作用,而且两者的交互作用对体积密度有非常显著的影响。水泥用量和粉煤灰掺量越小,水泥浆量越少,水泥浆填充聚苯乙烯骨料之间的空隙越不充分,聚苯乙烯混凝土的孔隙率会增大,故其质量轻,保温性好,但对强度产生不利的影响。因此,在选择因素水平时,应在满足强度的条件下,尽量选用水泥用量和粉煤灰掺量较小的配方,以降低体积密度,提高保温性。由于正交设计试验中,各配合比均满足体积密度的要求,因此,重点分析各因素对强度的影响。从强度方差分析结果可知,水泥用量和粉煤灰掺量及两者的交互作用对强度的影响都非常显著,其中,水泥用量最为显著,说明要得到质量轻,又有一定强度的聚苯乙烯混凝土,水泥用量必须严格控制,故水泥用量选为250KG/M3。粉煤灰掺量及水泥用量和粉煤灰掺量两者的交互作用对强度的贡献不容忽视,当水泥用量为250KG/M3和粉煤灰掺量为40时,两者的交互作用对强度的贡献最大。因此,粉煤灰掺量确定为40。粉煤灰品种对强度的影响程度已被试验误差淹没,这一点非常重要。说明对于低强轻骨料混凝土,粉煤灰的品种对强度的影响程度不如粉煤灰掺量大,这同以往粉煤灰掺量和粉煤灰品种对普通混凝土强度的影响程度的研究结果不同。考虑磨细粉煤灰较原灰能耗大,成本高等不利因素,且粉煤灰品种对强度影响几乎可以不予考虑,故在配制强度要求不高的聚苯乙烯混凝土时,完全可用原灰代替磨细粉煤灰,以进一步降低成本。从性能和经济方面综合考虑,对各因素进行平衡分析,确定基准配合比为A3B1C1。表3方差分析考核指标方差来源平方和自由度均方F值显著性临界值干体密度ABCD空列重复取样误差S合并后的误差618901675520167161672200167164100CS6979216722221820263094513327601333425168305157非常显著非常显著被误差淹没AB交互作用非常显著F01012,205185F01052,203149F0112,20215911001331211819103总和考核指标方差来源平方和自由度均方F值显著性临界值0113114401031848010011840100648801004710CS01175374010655720101592411710928144F01012,205185F01052,203149F0112,202159抗压强度ABCD空列重复取样误差S合并后的误差22221818226非常显著非常显著被误差淹没AB交互作用非常显010032441110101000295总和513优化配合比在基准配比基础上,掺入不同复合外加剂,仍以强度和体积密度为主要考核指标,进行试验研究。结果发现复合外加剂A对强度影响不明显,即使粘接剂与复合外加剂A一起加入使用,增强效果也不明显,强度只提高了5。复合外加剂B的增强效果明显,由原来的0152MPA增加到0192MPA,强度提高了75。当掺入粘接剂后,聚苯乙烯混凝土的强度得到进一步提高,强度达到1111MPA,强度提高了91。由此看来,选择外加剂时,应重视外加剂与水泥、粉煤灰等材料的相容性问题,外加剂选择正确与否,对提高强度很重要。为保证所选因素水平的可靠性,合理性,对制定的配合比进行复试,同时检测其它性能指标。从试验结果得知,聚苯乙烯混凝土的抗压强度为0188MPA1121MPA,体积密度为400KG/M3450KG/M3,下转第57页47压时间和方法,抹压时应用力,以闭合已产生的微裂纹和泌水孔5抹面后应立即用塑料薄膜、草帘子等对混凝土表面进行覆盖,养护,防止表面水分过分蒸发6设置临时挡风墙或设置遮阳蓬。25,应采取进一步保温措施。在对五里河家园项目监理过程中,针对混凝土裂缝问题,监理与施工单位项目经理,技术负责人,对设计图纸及现场实际情况进行了详细研究,决定从混凝土材料和施工工艺方面进行重点控制取得了较好的效果。如筏板基础施工中,该筏板长9717米,厚113米,采取设置两条800MM宽后浇带,及时用塑料薄膜,草帘覆盖养护等措施。基础混凝土未发现开裂现象,有效地解决了混凝土温度裂缝的问题。又比如在楼板混凝土施工时,采取对商品混凝土坍落度的不定期抽查,严禁现场加水,加强了二次抹压并及时用塑料薄膜覆盖养护等技术措施,对控制混凝土的塑性收缩裂缝效果显著。总之,混凝土裂缝问题一直严重困扰着混凝土的施工质量,在建筑施工中应尽可能采取有效的技术措施控制裂缝,使结构尽量不出现裂缝,或尽量减少裂缝的数量和宽度。特别是避免有害裂缝的出现,以确保工程质量。5混凝土温度裂缝的控制措施材料方面1水泥应考虑选择粉煤灰水泥、矿渣水泥,火山灰水泥或复合水泥,对于大体积混凝土,应优先选择中热甚至低热水泥。并尽量降低水泥用量,以降低水泥水化热导致的混凝土内部温度过高。可通过减小混凝土坍落度,掺加减水剂等措施降低混凝土单位用水量2在混凝土中掺加一定量的缓凝剂,以延缓水泥的水化速度3在采用普通水泥浇筑大体积混凝土结构时,在保证强度指标情况下,掺加一定量活性掺合料如粉煤灰、矿渣粉等,以降低混凝土温升的效果4正确设置伸缩缝,以避免结构超长因外界温度变化过大而引起开裂。施工方面1对大体积混凝土,应控制混凝土的入模温度。一般可以通过防止集料受日晒而温度升高,或用冷水搅拌。降低混凝土入模温度是进行大体积混凝土施工常用措施2掌握好混凝土的浇筑时间。在春、秋季节昼夜温差较大,一般在下午或晚上浇筑混凝土比较适宜3对大体积混凝土浇筑后应及时做好保温及测温工作。如混凝土内外温差超过作者简介邴玉新1969,男,1995年东北大学工业与民用建筑专业毕业,助理工程师。沈阳大东区小北关街272号,沈阳精协工程建设监理有限公司1100410248851732413998262787单位地址联系电话上接第47页导热系数为01089W/MK01118W/MK,抗冻性25次冻融循环合格,体积吸水率为1315。其结果完全满足格构建筑体系对墙体材料的基本要求,因此聚苯乙烯混凝土的最佳配合比为,水泥C粉煤灰F发泡聚苯乙烯骨料EPS101401085,复合外加剂B为0151。土时,完全可用原灰代替磨细粉煤灰,以进一步降低成本。614聚苯乙烯混凝土具有优良的综合性能一定的强度,保温性好,抗冻性好,吸水率较低,完全满足格构建筑体系对墙体材料的基本要求。参考文献6结论611通