甘 立 王 慶 甘 偉 梁宇航 麥頌廣 凌文軒 楊鋒杰
(1廣州建筑產(chǎn)業(yè)研究院有限公司;2廣州大學(xué);3廣州一建建設(shè)集團(tuán)有限公司)
我國的輕質(zhì)混凝土墻板主要有兩類,一是條形水泥混凝土輕質(zhì)墻板(面密度<100㎏/m2),二是蒸壓加氣混凝土墻板(密度<700㎏/m3)。兩類材料的抗壓強(qiáng)度在3.5~7.5MPa之間,其中前者只有非承重內(nèi)隔墻條板品種,后者也多用于非承重內(nèi)墻。目前,裝配式建筑體系中的承重、非承重水泥混凝土外墻板,主要采用預(yù)制鋼筋混凝土板、預(yù)應(yīng)力空心板及鋼筋混凝土復(fù)合節(jié)能墻板等。然而,上述外墻板普遍存在密度高、自重大、吊運(yùn)困難等問題。因此,研究開發(fā)一種具有輕質(zhì)、高強(qiáng)且節(jié)能的水泥混凝土外墻板是墻板產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢[1]。采用密度適中、強(qiáng)度較高的陶粒作為混凝土的主要原料之一,能夠顯著降低制品的密度,達(dá)到輕質(zhì)高強(qiáng)的效果,其產(chǎn)品可應(yīng)用于裝配式建筑工程中的非承重輕質(zhì)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)板,如外墻掛板、外墻嵌板、外墻門窗板、清水板、裝飾板等,前景廣闊。
輕集料混凝土的密度一般要求低于1950㎏/m3,對于非承重輕質(zhì)水泥混凝土外墻板而言,其強(qiáng)度等級多在LC15~LC30之間。本研究旨在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)用陶?;炷羀2]、高強(qiáng)陶粒混凝土[3]性能研究及應(yīng)用[4]的基礎(chǔ)上,研發(fā)出一種密度在1460~1650㎏/m3范圍內(nèi),保溫隔熱性能優(yōu)異,且抗壓強(qiáng)度在20~35MPa之間的中密度陶?;炷?,制備能夠滿足裝配式外墻要求的圍護(hù)結(jié)構(gòu)板,同時(shí)兼具節(jié)能環(huán)保、構(gòu)造簡單、施工方便等特性,為非承重輕質(zhì)混凝土外墻板提供新思路和新途徑。
本研究采用的陶粒是由工業(yè)固廢瓷渣、建筑固廢和淤泥混合燒制得到的一種粒徑在0~15mm之間的灰色球形瓷渣陶粒(如圖1a和b所示)。該陶粒的堆積密度為580㎏/m3,筒壓強(qiáng)度為5MPa,空隙率為36%,吸水率為3%。另外,以同樣制備工藝制成的球形陶砂(如圖1c所示)用作為陶粒混凝土中的一種細(xì)骨料,其堆積密度為730㎏/m3,粒徑在5mm以下。
圖1 不同粒徑范圍的球形瓷渣陶粒
本試驗(yàn)采用普通硅酸鹽水泥P.O42.5R作為膠凝材料。除陶砂外,還將機(jī)制砂用作另一種細(xì)骨料,其堆積密度為1560㎏/m3。此外,粉煤灰,礦渣砂粉和沸石粉作為輔助膠凝材料摻入體系中,以提高陶?;炷恋墓ぷ餍阅芎土W(xué)性能;同時(shí)添加防裂增強(qiáng)劑以及硅烷可再分散乳膠粉改性劑,以改善陶?;炷恋目沽押头浪阅堋2捎檬鵂畹男鋷r纖維(如圖2所示),直徑為20μm,長度為25mm,密度為2800㎏/m3,斷裂強(qiáng)度在1.8×103MPa~2.0×103MPa之間,彈性模量在7.8×104MPa~8.0×104MPa之間,以獲得優(yōu)異的抗彎性能;采用聚羧酸高效減水劑確保新拌混凝土良好的工作性能。
圖2 玄武巖纖維形貌
⑴陶?;炷僚浜媳仍O(shè)計(jì)采用“三段法”,即根據(jù)所設(shè)計(jì)的混凝土密度范圍和用途,將陶粒混凝土分為低密度、中密度、高密度三段,分別進(jìn)行配合比計(jì)算,分段方法見表1。
⑵本研究所設(shè)計(jì)的陶粒混凝土外墻板密度等級為D1500~D1600,并且在用途上屬于圍護(hù)結(jié)構(gòu),從表1來看,屬于中密度的陶?;炷粒源藶樵O(shè)計(jì)基礎(chǔ),按《輕骨料混凝土應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》JGJ/T 12-2019[6]來計(jì)算和確定配合比。下面以密度等級D1500、強(qiáng)度等級LC25的陶?;炷翞槔M(jìn)行計(jì)算。
表1 陶?;炷痢叭畏ā?/p>
每立方米的混凝土中各材料的用量按松散體積法進(jìn)行計(jì)算。另外,每1m3混凝土采用1m3陶粒,砂漿用量,根據(jù)所用陶粒粗骨料空隙率(36%),按體積增加3%。按圍護(hù)結(jié)構(gòu)要求:水泥用量不少于400㎏/m3。同時(shí),為滿足陶?;炷恋拿芏鹊燃塂1500(干密度1460~1550㎏/m3)的要求,砂漿的用量不得大于970㎏/m3。其他材料每立方米的用量分別為:礦渣砂粉為160㎏,陶砂為230㎏,粉煤灰為60㎏,玄武巖纖維為2㎏,硅烷改性可再分散乳膠粉為0.4㎏,聚羧酸高效減水劑為0.15㎏,水為160㎏。
⑶得到的兩種密度等級的陶?;炷粮鞑牧蠁畏接昧恳姳?。
表2 陶粒混凝土配合比
攪拌過程中應(yīng)該注意拌合料的添加順序、方法與攪拌時(shí)間。先加入陶粒、陶砂(機(jī)制砂)、水泥、輔助性膠凝材料(粉煤灰、礦渣砂粉、沸石粉),攪拌90s,然后將聚羧酸高效減水劑、硅烷改性可再分散乳膠粉和水的混合溶液倒入拌合料中,攪拌180s,在攪拌的過程中以緩慢灑落的方式均勻?qū)⑿鋷r纖維加入拌合物中,最后形成具有一定稠度的混凝土拌合物。測試完流動(dòng)度和坍落度后,將拌合物均勻放入100mm×100mm×100mm的模具中,經(jīng)24小時(shí)成型后脫模,并在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境中養(yǎng)護(hù)28天。制備流程如圖3所示。
圖3 陶?;炷林苽涔に?/p>
混凝土拌合物的坍落度和濕密度、混凝土干密度、28d立方體抗壓強(qiáng)度等測試結(jié)果見表3。
表3 陶?;炷恋脑囼?yàn)結(jié)果
從試驗(yàn)結(jié)果可以看到,得到的兩種陶粒混凝土的干密度基本在1460~1650㎏/m3之間,28天抗壓強(qiáng)度分別為28MPa和39MPa;導(dǎo)熱系數(shù)在0.57~0.66W/m·K之間;吸水率在3%~6%之間;坍落度在80~120mm之間,所有基礎(chǔ)性能指標(biāo)符合規(guī)范的要求。陶粒混凝土試塊強(qiáng)度試驗(yàn)和切割后得到的斷面分別如圖4和圖5所示。從斷面照片來看,陶粒在混凝土中分布均勻,沒有發(fā)生上浮和局部集中等現(xiàn)象,顆粒級配性較好,且與水泥基結(jié)合情況較好,未見到明顯的孔隙。因此,本實(shí)驗(yàn)所研究的陶?;炷潦怯糜谥苽淠繕?biāo)陶粒混凝土外墻板的理想材料。
圖4 瓷渣陶?;炷猎嚰嗝?/p>
圖5 瓷渣陶粒混凝土切割面
外墻板采用上述陶粒混凝土制備而成。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,這種陶?;炷撩芏仍?460~1650㎏/m3之間,強(qiáng)度等級達(dá)LC20~LC35,可以達(dá)到輕質(zhì)高強(qiáng)的目標(biāo)。無論是外墻掛板[7-8]、外墻嵌板、門窗板、裝飾板等外墻,該陶粒混凝土都具有適用性,并且自重方面比普通的混凝土(密度2400㎏/m3)降低了30%以上。
外墻板的外觀、尺寸、板邊結(jié)構(gòu)構(gòu)造,按所在建筑物的非承重外維護(hù)墻板的建筑設(shè)計(jì)確定。當(dāng)外墻板的外立面為裝飾面時(shí),可采用清水混凝土或復(fù)合飾面層(如改性無機(jī)粉復(fù)合建筑飾面片材等)一次反打成型工藝制作;而對表面要求不高的外墻板,陶粒混凝土也基本可以滿足其要求;外墻板的尺寸則根據(jù)建筑圖紙?jiān)O(shè)計(jì)而定;在板邊構(gòu)造方面,用于外墻掛板的豎向板邊可為平接頭,或是設(shè)有榫頭、榫槽的榫卯結(jié)構(gòu);水平方向板邊,板上端和下端分別設(shè)有外低、內(nèi)高的梯狀榫頭結(jié)構(gòu);用于外墻嵌板的豎向板邊可為平接頭,或是設(shè)有榫頭、榫槽的榫鉚結(jié)構(gòu);水平方向板邊,板上端和板下端為平接頭或分別設(shè)有凸榫和凹槽狀榫鉚結(jié)構(gòu)(與結(jié)構(gòu)基層上的凹槽和凸榫相嵌合)。
外墻板配置的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造鋼筋、預(yù)埋件等,可按國家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖集預(yù)制混凝土外墻掛板[9]設(shè)計(jì)要求確定,其位置布置不得阻礙陶?;炷翝{體在模具內(nèi)部流動(dòng),以減少由于澆筑缺陷而產(chǎn)生的孔隙,并且保證混凝土有效地包裹住鋼筋,以提高外墻板的耐久性能。外墻板鋼筋可采用HPB300級、HRB335級、HRB400級熱軋光圓鋼筋或熱軋帶肋鋼筋。鋼筋網(wǎng)片采用冷軋帶肋鋼筋,或冷拔低碳鋼絲焊接網(wǎng)片。鋼筋保護(hù)層的厚度≥15mm。外立面為清水墻,鋼筋保護(hù)層的厚度≥20mm。
由于該陶?;炷翆?dǎo)熱系數(shù)(0.57~0.66W/m·K)比普通混凝土(1.28~1.51W/m·K)小,具有節(jié)能保溫的性能,因此,它可以作為外墻板的單一板材,無需其他復(fù)合保溫隔熱材料。
用于制備墻板的陶粒在使用前需要經(jīng)過預(yù)濕,以減小因早期收縮變形而導(dǎo)致的開裂風(fēng)險(xiǎn)[10]。陶粒、膠凝材料以及輔助性膠凝材料在加水拌合前預(yù)先干拌1分鐘,可以抑制由于陶粒自重輕而引起的上浮問題。在澆筑外墻板前,根據(jù)所設(shè)計(jì)的墻板尺寸安裝平鋼模具,并且在模具中,置入結(jié)構(gòu)鋼筋、預(yù)埋件、連接件等構(gòu)件。安裝完畢后,將陶?;炷翉哪>咭贿吘壍搅硪贿吘夗樞蚓鶆驖仓?,振搗密實(shí),若板厚大于120mm,則分兩次澆筑,并每次澆筑都需要振搗,振動(dòng)時(shí)間控制在30秒以內(nèi)。另外,振搗時(shí)不得采用強(qiáng)力震動(dòng),避免出現(xiàn)陶粒上浮、分層現(xiàn)象。在混凝土終凝之前,對混凝土表層進(jìn)行收漿抹面處理,在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)一定時(shí)間后脫模。脫模后,需要對外墻板表面進(jìn)行噴霧或?yàn)⑺B(yǎng)護(hù),以抑制其表面微裂縫的生成。
本研究采用了高性能瓷渣陶粒,配制兩種中密度(D1500和D1600)陶?;炷?,探究其用于制備裝配式建筑體系外墻用大型板材的可行性。通過對其性能的試驗(yàn),并與現(xiàn)有建筑外墻板技術(shù)相比,得出以下結(jié)論:
⑴本研究使用的中密度陶粒在混凝土中分布均勻,與水泥基材結(jié)合情況好;
⑵使用中密度陶粒制備得到的混凝土實(shí)現(xiàn)了輕質(zhì)、高強(qiáng)的目標(biāo);
⑶該中密度陶粒混凝土的性能符合國家現(xiàn)行規(guī)范要求,適用于多種外墻板;
⑷采用該中密度陶?;炷林苽涞陌宀挠捎诒旧砭邆浔匦阅芎玫膬?yōu)勢,無需其他保溫材料,且可降低重量30%;
⑸本次研發(fā)的中密度陶粒混凝土板材是一種利廢環(huán)保、輕質(zhì)、節(jié)能等優(yōu)勢一體化的建筑產(chǎn)品。