霍 福 翠
(山阴县热力公司，山西 朔州 036999)
0 引言
近年来，随着科技的发展，建设资源节约型社会工作的不断深入，传统的小砌块建筑逐渐向节能建筑过渡。新型复合保温砌块逐渐取代了传统型黏土砖，是近年来出现的新型环保建筑材料之一，这类砌块是集保温、承重、装饰等于一体的混凝土空心砌块[1]。新型复合保温混凝土砌块实质是混凝土，新型复合保温混凝土砌块的承重性能与其组成材料的配合比密切相关。对该材料的配合比设计实质上是对组成该材料的混凝土进行配比研究，但与传统的混凝土空心砌块有所区别。新型复合保温混凝土砌块是由主体砌块和保温芯料组成，主体砌块属于轻骨料混凝土砌块，其集料主要包括陶粒、煤矸石、矿渣等，并具有一定的孔洞率[2]。由于孔洞的存在，所以组成其混凝土的强度与砌块本身的强度不等同，同时加压成型工艺的影响，即使配比设计一样，砌块强度仍然受振动方式的影响而不同。
随着新型复合保温混凝土砌块的广泛应用，由于各种原因导致其力学性能没有足够保障，根据文献[1][2]得出的结论可知，影响砌块强度的因素主要包括其组成材料强度、成型工艺、空心率以及养护条件等，其母材强度为首要因素，而母材混凝土强度实质因素是其配合比设计，在设计砌块配合比时充分考虑其成型工艺及物理特性，在统一其他因素下研究其材料配比对其强度的影响[1,2]。
1 材料与试验
1.1 试验材料
本次试验制作的混凝土砌块母材有水、水泥、砂子、陶粒。
水：普通生活用水。
水泥：选用山西山水水泥有限公司生产的普通硅酸盐水泥，等级为P.O42.5级，其主要力学性能参数见表1。
表1 水泥性能参数
砂子：文献[2][3]中制作的陶粒混凝土细骨料选为石粉，但砂子在本地应用更广，是施工中常选用的建筑材料，故本文制作传统的陶粒混凝土砌块，选用山西山水水泥有限公司生产预制混凝土砌块时的天然砂子作为细骨料。陶粒：是一种人造轻骨料，试验选用陶粒为南京星凯新型建材有限公司生产，其性能参数见表2。
表2 陶粒性能参数
1.2 试验设计
1.2.1试验设计总体思路
在设计试验时需先解决以下三个问题：
1)衡量砌块最优配比的指标。砌块的混凝土的配比即为母材的配比，以其母材制作标准混凝土试块进行强度试验，用其试验值反映砌块的强度。故本次试验以母材混凝土试块强度指标来探讨砌块的最优材料配比。
2)混凝土试块成型工艺。在母材一定情况下，砌块的成型工艺对强度影响较大[2]，因此在进行试验设计前，需保证试块振动加压工艺按照砌块成型工艺进行，本次试验采用文献[4]中对加压预制构件的试验方法进行。
3)配比设计参数。虽然本次试验母材种类不多，但根据实际施工经验，不同施工地点不同母材含水量对配比影响较大。本次试验选用水灰比、砂率及混凝土密度三个参数值来确定配比值。
由此本次试验总体设计分两步进行：第一步：正交试验设计方案。参照JGJ 51—2002轻骨料混凝土技术规程，可对混凝土配比中的水灰比、砂率以及混凝土密度确定一合理范围，根据长期实际施工经验，在各个因素范围内选取不同水平值，根据因素水平选取合适的正交表得到正交试验方案。第二步：抗压强度试验。按照GB/T 50081—2002普通混凝土力学性能试验方法标准中混凝土立方体试件的抗压强度试验法，对正交试验的每组方案制作三个尺寸为150 mm×150 mm×150 mm的立方体试块，在相同条件下进行养护，采用试验压力机进行抗压试验，并记录数据，每组试验抗压强度值取三个试块数据平均值。
1.2.2正交试验设计方案
根据JGJ 51—2002轻骨料混凝土技术规程中的设计参数选择，轻骨料混凝土宜采用松散体积法进行配合比计算。根据经验要求，混凝土试配强度选15 MPa～20 MPa，陶粒为600 kg/m3等级密度对应的水泥用量为300 kg/m3～400 kg/m3；本次试验预制试块是振动加压成型的，净用水量为45 kg/m3～140 kg/m3，维勃稠度为10 s～20 s；采用普通砂情况下，砂率可确定为30%～40%；作为轻粗骨料的陶粒属于圆球型，粗细骨料总体积为1.1 m3～1.40 m3，本次试验拟定每立方混凝土的粗细骨料松散状态下总体积为1.2 m3；主要用于承重构件或构筑物的结构轻骨料混凝土密度等级范围为1 400 kg/m3～1 900 kg/m3。通过计算及根据实际经验，分别选取砂率30%,40%,50%,60%进行试验，水灰比分别选取0.20,0.25,0.30,0.35进行试验，混凝土密度等级分别选取1 400 kg/m3,1 500 kg/m3,1 700 kg/m3,1 900 kg/m3进行试验。
通过上述分析，建立配比设计参数以水灰比、砂率以及密度等级为代表的正交因素水平表，见表3。
表3 配比设计参数的正交试验因素水平表
根据正交试验方案设计准则，表3中的三因素四水平的正交试验方案按四因素四水平表L16(44)进行，其中一因素为空列，共计16种试验方案[8]，具体方案排列见表4。
表4 正交试验设计方案及试验结果
1.2.3抗压强度试验
根据表4所示的正交试验方案，对每组设计配比方案制作三个尺寸为150 mm×150 mm×150 mm的立方体试块，在制作时采用Proctor试验法，结合成型工艺规范要求，以人工振捣、压力机压制成型，同时可记录压力大小[4]。由于试验标准试块的体积是固定的，根据每组配比设计方案对应的密度等级可计算出模具中填充料的总重量。试块成型后脱模，进行养护，养护参照文献[8]，等效养护龄期取日平均温度逐日累计达到600 ℃时对应的龄期。分别对每个试块进行抗压强度试验，当压力值逐渐上升过程中突然出现陡降拐点时，表明试块已受压破坏，该处压力值为试块最大承受压力，记录数据。
2 试验结果与分析
2.1 正交试验设计方案及抗压试验结果
正交试验设计方案及试验结果见表4。
2.2 抗压强度试验现象分析
本次试验进行16组，每组分别进行3次试验共计48个试块。通过对不同配比下试块48次抗压试验观察可知：当压力值出现陡降时，试块开裂破坏，破坏现象主要为破角、外皮脱落或裂纹、沿压力方向的细微贯穿裂缝等，但整体外观基本完好。破坏现象与配比设计无明显规律。根据文献对陶粒混凝土破坏试验，本次试验符合其破坏特点：裂而不散、无明显爆裂。由此表明新型复合保温混凝土(陶粒类)受压破坏无明显脆性。这点与文献得出结论一致。
将部分破坏试块沿细微贯穿裂缝打开，发现大部分试块破坏界面是沿陶粒颗粒处形成，少部分破坏界面是在砂浆体与陶粒结合处形成。主要原因为陶粒作为轻骨料，虽然其强度随水泥浆体的强度升高而增大，但其强度也有上限，当试块达到一定强度后陶粒强度增幅不明显，最终是陶粒处裂开。对于其他少部分的破坏界面，是因为浆体与陶粒粘结强度不够造成薄弱位置，其强度明显低于陶粒的强度值，从而形成砂浆体与陶粒结合处的破坏界面。
2.3 极差分析
对正交试验的抗压强度结果进行极差分析，并绘制试验因素水平与指标的关系趋势图[9]，如图1所示，并根据不同配比参数对抗压强度影响的程度进行排序，得出最优组合配比，见表5。
表5 抗压强度正交试验极差分析表
水平因素水灰比(A)砂率(B)密度等级(C)空列(D)总和∑均值K154.0847.3830.6848.17K242.4939.8737.7144.52K348.8947.9956.6149.36K441.5351.7561.9944.94K113.5211.857.6712.04K210.629.979.4311.13K312.221214.1512.34K410.3812.9415.511.24极差值R3.643.477.831.21主次排序C>A>B最优水平A1B4C4最优配比组合A1B4C4
2.4 方差分析
试块试验时，其抗压强度值总变异是由水灰比(A)、砂率(B)、密度等级(C)引起的变异和误差变异(D)组成。通过对各因素及误差进行方差分析并作F检验，可判断各个因素对抗压强度值引起的变异是否显著。由表4可知，总自由度df=16-1=15，A,B,C各因素自由度dfA=dfB=dfC=3，误差的自由度为dfD=df-dfA-dfB-dfC=6。由此对其进行方差分析并进行F检验，具体分析结果见方差分析表6。
表6 试块抗压强度正交试验方差分析表
2.5 试验结果分析
通过设计正交试验方案对试块进行抗压强度试验，系统研究了配合比设计中的参数水灰比、砂率、密度等级对试块抗压强度指标的影响，进而对试验结果进行了极差分析、方差分析可知：
1)从表4可知，本次正交抗压强度试验中，能使抗压强度最大的最优配比组合是A1B4C4，即水灰比为0.20，砂率为60%，密度等级为1 900 kg/m3。
2)从图1分析可知，试块抗压强度与配合比设计参数中的水灰比、砂率无明显规律，而密度等级在1 400 kg/m3～1 900 kg/m3范围内，抗压强度随密度等级升高而增大。结合极差分析表5分析，对试块抗压强度的影响程度大小排序为密度等级>水灰比>砂率，其中密度等级极差值最大，而水灰比和砂率的极差值接近，表明密度等级对抗压强度影响最大，而水灰比和砂率的影响相对较小。如表4中的第4组和第7组试验相比，密度等级一定，砂率和水灰比不同，第4组的抗压强度值是第7组的近1.5倍。因此，在进行设计新型复合保温混凝土砌块前先根据砌块力学性能确定密度等级，然后再考虑水灰比和砂率来满足其他功能及施工工艺要求。这与通常研究轻骨料混凝土抗压强度时要对密度等级进行评定是一致的。
3)从表6的方差分析中可知，因素A，B的水平变化对试验结果影响不显著，因素C的水平变化对试验结果影响显著，表明密度等级对抗压强度的影响显著，砂率和水灰比对抗压强度的影响不显著，与极差分析的结果一致。
4)综合分析可知，最优配比组合A1B4C4在文中成型工艺下，可以使复合保温混凝土砌块抗压强度达到最大，即复合保温混凝土砌块的承重性能最优。
3 结论
为研究新型复合保温混凝土配合比，选择以陶粒作为轻骨料制作混凝土试块。通过以试块抗压强度为目标，研究配合比设计参数水灰比、砂率、密度等级对抗压强度的影响，结合振动加压成型工艺制作16组48个立方块。通过对抗压强度正交试验的极差分析、方差分析可得出以下结论：
1)陶粒混凝土中低强度的陶粒通过包裹一层较厚的水泥浆层，依靠硬化水泥浆增加混凝土的强度，配合比设计参数水灰比、砂率、密度等级对抗压强度的影响程度为密度等级>水灰比>砂率。
2)以陶粒作为轻骨料的新型保温混凝土的最优配合比组合为A1B4C4：水灰比取0.2，砂率60%，密度等级为1 900 kg/m3。在该配比组合下，新型复合保温混凝土砌块的承重性能最优。
综上所述，针对复合保温混凝土砌块的承重性能，考虑加压成型工艺不同，结合陶粒混凝土强度机理，对配合比建议灵活取用。水灰比取0.2～0.4，砂率取40%～60%时基本能被水泥浆体完全包裹，该砂率取值下的密度等级取为1 400 kg/m3～1 900 kg/m3。
