刘卫东, 汤士海, 刘 佳, 欧阳瑞,, 陈 宁, 方乙涵

(1.上海理工大学 环境与建筑学院,上海 200093; 2.上海市建筑研究科学院,上海 201108)

尾矿砂制备装配式预制保温墙体性能分析

刘卫东1, 汤士海1, 刘 佳1, 欧阳瑞1,2, 陈 宁2, 方乙涵1

(1.上海理工大学 环境与建筑学院,上海 200093; 2.上海市建筑研究科学院,上海 201108)

针对我国目前尾矿的环境污染问题,利用尾矿砂作为主要原料制备加气混凝土,通过正交试验设计(L9(34)),运用权矩阵分析不同配比条件下加气砌块的干密度和力学性能.结果表明:水泥用量为150 g,石灰用量为96 g,尾矿砂用量为420 g,水料质量比为0.55时,加气混凝土的性能最优.采用自主研发的稳态平板导热仪测量砌块导热系数,实验结果说明砌块保温性能较好,可用于制备装配式预制保温墙体.最后,对仪器的实用性、创新性以及热电偶标定技术的精确性进行了验证.

尾矿砂; 权矩阵; 装配式预制保温墙体; 稳态平板法; 导热系数

我国矿产资源丰富,是国民经济发展的重要支柱.随着矿产资源的不断开采,尾矿数量也不断增加.据统计,每开采1 t金属矿就会产生0.92 t尾矿,尾矿的随意堆砌对土壤和水体造成严重污染[1].由于尾矿富含二氧化硅,故可作为加气混凝土的硅质原材料而有效利用,从而解决尾矿的环境污染问题[2-5].本文以浙江某尾矿为例制备蒸压加气混凝土砌块,利用正交试验设计,运用矩阵分析法以及自主研发的仪器对试验砌块进行热工性能的研究,从而得出生产加气混凝土的最优配合比[6-7].

1 试验概况

1.1 试验材料

水泥:万安P.O42.5,物理及力学性能指标见表1;尾矿砂:技术指标见表2;石灰:中速消化石灰,上海建研建材有限公司,主要化学性能见表3;石膏:主要化学指标见表4;铝粉:80 μm,筛余2%,山东兴源金属颜料有限公司;水:试块制备选用自来水,蒸压釜用水为蒸馏水.

表1 水泥物理及力学性能Tab.1 Physical and mechanical properties of cement

表2 尾矿主要化学成分Tab.2 Main chemical composition of tail sand %

表3 石灰主要化学成分Tab.3 Main chemical composition of lime %

表4 石膏主要化学成分Tab.4 Main chemical composition of gypsum %

1.2 试验流程及试验方法

本试验流程参照上海大来新型建筑材料有限公司生产工艺,具体试验流程[8-9]如图1所示.

试验参照国家标准GB 11969—2008 《蒸压加气混凝土试验方法》[10]进行,测试制品的干密度及抗压强度.经大量实验表明,石膏与石灰的质量比为4∶1,本试验石膏产量随石灰变化,按4∶1比例选用.同时试验按照L9(34)正交试验表设计试验,考虑的因素包括水泥掺量、尾矿砂掺量、石灰掺量和水料比,每个因素取3个水平,各因素水平见表5.本试验以B06加气砌块为参考,铝粉质量掺量为1‰,试验配合比见表6.砌块的抗压强度以及干密度为参考依据,进而确定最优基准配合比.

图1 试验的工艺流程示意图Fig.1 Schematic diagram of the experimental process表5 正交试验因素及水平设计Tab.5 Orthogonal test factors and level designs

kg/m3

表6 试验配合比Tab.6 Test mixing ratios kg/m3

2 试验结果分析

经试验测得加气砌块的干密度及抗压强度如表7所示.

表7 加气砌块的干密度及抗压强度值Tab.7 Dry density and compressive strength of aerated blocks

试验中,抗压强度指标越大性能越好,干密度指标越小性能越好.下述采用矩阵分析法,计算影响试验结果的各因素水平权重,根据权重大小,得出每个因素对应的水平对结果的影响权重,并最终得出最优配合比.影响试验指标值的权矩阵见式(1).

K=MTS

(1)

第一个考察指标为加气块的抗压强度,权矩阵计算如下:

本试验第二个考查的指标为干密度,显然干密度指标越低,加气块的质量越好,同理其权矩阵计算如下:

本正交试验考查指标的总权矩阵为两个指标值的权矩阵的平均值,计算如下:

由以上计算可知,A因素的3个水平对于试验结果影响的权重分别为:A1=0.145 0,A2=0.156 7,A3=0.157 3,A3占的权重最大;同理B因素中B1占的权重最大,C因素中C1占的权重最大;D因素中D2占的权重最大;因此本试验最优方案为A3B1C1D2,即水泥用量为150g,石灰用量为96g,尾矿砂用量为420g,水料比为0.55.由总权矩阵可知,各因素对正交试验的抗压强度指标以及干密度指标影响的顺序为:A>C>D>B,即水泥>尾矿砂>水料比>石灰.

3 热工性能分析

由于上述试验已得出,水泥对加气混凝土砌块影响最大,故本实验选取水泥用量相同的第7,8,9号配合比试块进行导热系数测量.

3.1 试验仪器简介

采用上海理工大学课题组专门设计的平板导热仪,核心方法是稳态平板法,是一种应用一维稳态导热过程的基本原理来测定材料导热系数的方法[11],适用于测定均质板材的导热系数.其原理是:加热板被加热时,热量由内向外传递,由于加热板两边的条件对称,故两侧传递的热量均为板加热量的一半[12].

本仪器低电压、小功率,保证了使用的安全性;在仪表选择、试件制作、箱体设计和制造方面注意了可靠性、耐用性和组装的便捷性;热电偶标定时直接使用本机仪表,保证了测试的精度.用于放置试块的保温材料为锌铜,隔热效果很好,并且采用三元乙丙进行密封,最大限度地降低不必要的散热.能同时测量两块试块,大大提高了试验效率,解决了稳态法测量周期较长的这个问题,很好地克服了稳态法的缺点,目前该仪器已经申请发明专利.试验装置示意图如图2所示.

图2 试验装置示意图Fig.2 Schematic diagram of the experimental installation

3.2 试验数据分析

由铜-康铜热电偶分度表可对应得出试块表面实际温度,从而得出导热系数[9].

(2)

式中:φ为板的总加热量(电功率),W;δ为单块试样的厚度,m;t1,t2分别为试材的内表面温度和试材的外表面温度,℃,按试材内侧的热电偶和试材外侧热电偶所测温度分别取其算术平均值;a为试材截面积,为0.2×0.12=0.024 m2.

以上数据可知,通过矩阵得出的最优配合比导热系数较小,并且三者均相差不大,即说明加气砌块保温性能较好,可作为装配式预制保温墙体.同时,该自主研发的仪器在试验中体现出使用方便、易操作,在干燥恒温环境便可使用等优点,故该仪器使用的稳态平板导热法是测定固体导热系数的优选方法.试验中测得的三组矿砂保温墙体材料导热系数值如表8所示.

表8 尾矿砂保温墙体材料导热系数值Tab.8 Thermal conductivity value of tail sand insulation wall material

4 结 论

a. 在强度权矩阵和干密度矩阵中,水泥的权重均为最大,分别为0.54和0.37,说明水泥对加气砌块的强度以及干密度影响最大,其用量直接影响料浆稠度,影响铝粉发起过程中料浆的粘滞阻力.

b. 综合强度和干密度两方面,各因素的影响顺序为水泥、尾矿砂、水料比、石灰.最优配合比为:水泥用量为150 g,石灰用量为96 g,石膏用量24 g,尾矿砂用量为420 g,水料比为0.55.本试验的试验分析可为各地尾矿砂用于加气砌块的生产提供一定的指导作用.

c. 通过对尾矿砂保温墙体材料导热系数进行测量,发现其热工性能较好,且最优配合比下的砌块保温性能较好,可作为装配式预制保温墙体,同时也对自主研发仪器的实用性以及创新性进行了验证,热电偶标定技术更体现了该仪器的精确性.

[1] 谭宝会,朱强,陈莹,等.我国尾矿综合利用现状及存在的问题和发展对策[J].矿山机械,2013,41(11):1-4.

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[11] 曾悠兵,李艳宁,张立雄,等.导热系数测定仪的系统稳定状态判定方法研究[J].仪表技术与传感器,2010(10):18-20.

[12] 冯毅,梁满兵.稳态平板导热系数测定仪的误差分析[J].广州华工,2006,34(1):56-58,64.

(编辑:丁红艺)

Performance Analysis of Prefabricated Insulating Walls Made by Tail Sand Blocks

LIU Weidong1, TANG Shihai1, LIU Jia1, OUYANG Rui1,2, CHEN Ning2, FANG Yihan1

(1.SchoolofEnvironmentandArchitecture,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China;2.ShanghaiInstituteofConstructionScience,Shanghai201108,China)

In order to solve the problem of environmental pollution in tail sand by China,the aerated concrete was prepared by using tail sand as the main raw material.The orthogonal test design (L9(34)) was used to analyze the dry density,mechanical properties and thermal insulation properties of aerated blocks under different matching conditions.The results show that when the cementing capacity is 150 g,the amount of lime is 96 g,the tail sand is 420 g and the ratio of water to material is 0.55,the performance of the aerated concrete is the best.Its thermal conductivity was measured by the steady plate method for practical engineering reference.The experimental results show that the heat preservation performance of aerated blocks is good and can be used to prepare prefabricated walls.The instrument’s practicality,innovativeness and the accuracy of the thermocouple calibration technology were verified.

tailsand;weightmatrix;prefabricatedinsulatingwall;steadyplatemethod;thermalconductivity

1007-6735(2017)03-0289-06

10.13255/j.cnki.jusst.2017.03.014

2017-03-14

刘卫东(1961-)，男，教授.研究方向：无机非金属建筑材料.E-mail:wdliu2010@126.com

TU 528.04

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