巷道隔热喷射混凝土强度及导热性能试验研究

2018-03-05庞建勇黄金坤姚文杰姚韦靖

长江科学院院报 2018年2期

庞建勇，黄金坤，姚文杰，刘欢，姚韦靖

（安徽理工大学土木建筑学院，安徽淮南 232001）

1 研究背景

玻化微珠是一种玻璃材质无机材料，由岩粉膨化加工形成的不规则球体，具有轻质、隔热、保温、吸水率小等优良特性，将其掺入到混凝土中形成保温隔热混凝土。

张建隽等［1］、张泽平等［2］由正交试验分析了玻化微珠保温混凝土里面玻化微珠的掺量和重度、水泥的强度等级和用量、砂的用量对混凝土抗压强度和导热系数的影响关系。冯文党等［3］研究了水灰比和水泥用量等因素对玻化微珠混凝土强度的影响关系，选出了最佳的混凝土抗压强度配合比，建立了轴心抗拉强度与抗压强度的数学关系式。宋雪娇等［4］提出了玻化微珠（替换细骨料）和再生粗骨料替换率与混凝土抗压强度和导热系数之间的关系，结果表明：提高再生粗骨料的替换率和玻化微珠的掺量能够减小混凝土的抗压强度和导热系数。作为近年来研制出的新型建筑材料，陶粒具有高效的隔热保温性能、良好的抗渗性、较强的耐蚀性和抗冲击性等特点［5］。李瑞等［6］、刘喜等［7］、龚平［8］通过正交试验对陶粒混凝土进行配合比和性能研究。杨健辉等［9］、李培涛等［10］对页岩陶粒混凝土分别进行了保温性能和强度试验研究。粉煤灰作为矿物掺合料掺入到混凝土中用来降低对水泥的需求量，同时降低成本。孙阳等［11］将粉煤灰掺入混凝土中研究混凝土导热系数的变化，王锋峰等［12］研究了原状粉煤灰混凝土强度特性。

在上述研究基础上，本文研究陶粒、憎水玻化微珠及粉煤灰的掺量，以期研制出一种新型的保温隔热混凝土配方，在满足强度要求的同时降低导热系数，解决煤矿巷道热害问题和满足巷道喷层强度要求。

2 试验

2.1 试验原材料

水泥：淮南产P·O 42.5级复合硅酸盐水泥。拌合水：普通自来水。砂子：中砂，细度模数为2.8，含泥量低于2%，堆积密度为1 470 kg／m3。石子：淮南产瓜子片石，颗粒级配5～10 mm，压碎指标为7.5%，含泥量低于0.2%，堆积密度为1 580 kg／m3。玻化微珠：河南信阳产憎水玻化微珠，密度为80 kg／m3，闭孔率＞95%，吸水率为 10%，导热系数为0.022～0.044 W／（K·m），耐火度在1 300～1 400℃之间，使用温度低于1 000℃，粒度为0.6～1.6 mm，筒压强度（1 MPa压力的体积损失率）为29%～41%，主要化学成分为SiO2和Al2O3。陶粒：安徽省淮南市八公山某厂家生产，最大粒径为15 mm，吸水饱和率10%，软化系数0.81，堆积密度637 kg／m3。减水剂：聚羧酸减水剂。粉煤灰：淮南产I级粉煤灰，细度8%，需水量95%，SO3低于3%，烧失量5%，含水量低于1%，游离氧化钙低于1%。

2.2 正交试验设计

为保证试验结果可靠，减少工作量，选用正交试验法来设计试验，本次试验共有4个影响因素：陶粒取代石子用量（A）、憎水玻化微珠体积占混凝土体积百分比（B）、粉煤灰取代水泥用量（C）和砂子用量（D），每个影响因素设计3个水平，查看正交表L9（34），试验设计方案见表 1。

表1 试验因素与水平Table1 Factors and levels of orthogonal design

2.3 试件制作

试验试件总共分为4个大组，分别用来测定试件的抗压强度、抗拉强度、抗折强度以及导热系数，而每一个大组又分为9个小组，每个小组有3个试块，总共制作108个试块。尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的试块用来测定抗压和抗拉强度，尺寸为400 mm×100 mm×100 mm的试块用来测定抗折强度，尺寸为300 mm×300 mm×30 mm的试块用来测导热系数，试块在制作好后的第2天拆模，然后在标准养护条件下养护28 d，各组试块的最终配比见表2。

表2 混凝土材料配合比Table2 Mix proportions of concrete specimens kg／m3

3 试验结果及分析

3.1 试验结果

对试验过程中记录的数据进行处理，整理分析后的试验结果见表3。

表3 各项正交试验结果Table3 Results of the orthogonal experiment

3.2 极差分析

对表3给出的试验结果进行极差分析，求出各个因素对不同测试对象的极差，极差分析结果见表4。

表4 正交试验各因素极差分析结果Table4 Ranges of the orthogonal experiment on each element

表4的结果显示，对导热系数，各因素的影响顺序为憎水玻化微珠＞陶粒＞砂子＞粉煤灰；对抗压强度，各因素的影响顺序为憎水玻化微珠＞陶粒＞砂子＞粉煤灰；对抗拉强度，各因素的影响顺序为憎水玻化微珠＞陶粒＞砂子＞粉煤灰；对抗折强度，各因素的影响顺序为陶粒＞憎水玻化微珠＞砂子＞粉煤灰。对混凝土的导热系数、抗压强度和抗拉强度的极差分析表明，憎水玻化微珠和陶粒是影响混凝土性能的主要因素且其数值较为接近，但对于抗折强度的极差分析，陶粒是主要影响因素且超过憎水玻化微珠对混凝土性能的影响。

3.3 方差及贡献率分析

根据极差分析的结果可以将试验中各个因素的影响按顺序得出，但不能将试验过程中因素水平的变化和试验的误差所引起的变化区分开来，所以需要对数据再进行方差分析。方差分析仅可以反映各因素及误差的重要性，为了求出各因素在试验结果中所占的比例，再引入贡献率分析［13－14］。表 5—表8分别对各因素对导热系数、抗压强度以及劈裂抗拉强度作了方差分析以及贡献率分析。

表5的方差分析表明，憎水玻化微珠的影响最显著，陶粒次之，粉煤灰与砂子的影响较小，与极差分析的结果一致。再由各因素与误差的贡献率得出，憎水玻化微珠的贡献率最大，其引起的数据波动占总的纯离差平方的42.11%，接近误差贡献率的4倍；陶粒引起的数据波动占总的纯离差平方和的36.84%，接近误差的3倍；粉煤灰对导热系数几乎没有影响，其贡献率为0；砂子引起的数据波动较之误差所引起的数据波动的贡献率略有不足，在试验数据处理时需注意。

表6的方差分析表明，憎水玻化微珠、陶粒、粉煤灰和砂子对混凝土抗压强度的影响均特别显著，且重要性与极差分析结论相同。贡献率结果表明，憎水玻化微珠引起的数据波动占总的纯离差平方和的37.34%；陶粒引起的数据波动占总的纯离差平方和的30.67%；砂子引起的数据波动占总的纯离差平方和的23.14%；粉煤灰引起的数据波动占总的纯离差平方和的8.46%。各因素对混凝土抗压强度的贡献率均远大于误差的贡献率，故试验结果可不考虑误差的影响。

表7的方差分析表明，憎水玻化微珠对混凝土抗拉强度影响显著，陶粒有一定的影响，粉煤灰和砂子几乎没有影响。由贡献率分析得出，憎水玻化微珠引起的数据波动占总的纯离差平方和的44%，为误差的5.5倍；陶粒引起的数据波动占总的纯离差平方和的30%；砂子引起的数据波动占总的纯离差平方和的10%；粉煤灰引起的数据波动为误差所引起的数据波动的0.75倍，与极差的分析结果吻合。

表8的方差分析表明，陶粒对混凝土抗折强度的影响特别显著，憎水玻化微珠和粉煤灰相当，砂子影响最小。由贡献率分析得出，陶粒引起的数据波动占总的纯离差平方的60.61%，远远超过误差的贡献率；粉煤灰引起的数据波动占总的纯离差平方和的15.00%；憎水玻化微珠引起的数据波动占总的纯离差平方和的14.91%；砂子引起的数据波动为误差引起的数据波动的3.51倍，该项与极差分析结果不吻合，需进一步通过试验研究其原因。

表5 导热系数方差分析及各因素与误差贡献率结果Table5 Variance analysis and contribution rate of factors and errors to heat conductivity coefficient

表6 抗压强度方差分析及各因素与误差贡献率结果Table6 Variance analysis and contribution rate of factors and errors to compressive strength

表7 抗拉强度方差分析及各因素与误差贡献率结果Table7 Variance analysis and contribution rate of factors and errors to tensile strength

表8 抗折强度方差分析及各因素与误差贡献率结果Table8 Variance analysis and contribution rate of factors and errors to flexural strength

3.4 正交试验层次分析

正交试验层次分析［15］是处理正交试验试验结果的另一种有效方法，通过该方法可得出各因素水平对混凝土性能的的影响权重，分析结果见表9。

由表9可见：

（1）对于抗压强度，陶粒的3个水平中，A1（20%）的影响权重为最大；憎水玻化微珠的3个水平中，以B1（60%）的影响权重最大；粉煤灰的3个水平中，以C2（20%）的影响权重最大；砂子的3个水平中，以D2（571 kg／m3）的影响权重最大。

（2）对于抗拉强度，陶粒的 3个水平中，以A1（20%）的影响权重最大；憎水玻化微珠的3个水平中，以B1（60%）的影响权重最大；粉煤灰的3个水平中，以C2（20%）的影响权重最大；砂子的3个水平中，以 D2（571 kg／m3）的影响权重最大。

（3）对于抗折强度，陶粒的 3个水平中，以A1（20%）的影响权重最大；憎水玻化微珠的3个水平中，以B1（60%）的影响权重最大；粉煤灰的3个水平中，以C2（20%）的影响权重最大；砂子的3个水平中，以 D3（428 kg／m3）的影响权重最大。

（4）对于导热系数，陶粒的 3个水平中，以A1（20%）的影响权重最大；憎水玻化微珠的3个水平中，以B1（60%）的影响权重最大；粉煤灰的3个水平中，以C1（10%）的影响权重最大；砂子的3个水平中，以 D1（856 kg／m3）的影响权重最大。

3.5 因素指标分析

根据正交试验法，对所有的试验数据进行因素指标分析［16］。由表2可以求出各因素在各个水平下的指标平均值，同时为了方便在图表上表示，此处将各因素的各个变化水平的值简化为数值1，2和3。

由图1（a）可看出：

图1 各因素水平与4个性能之间的关系Fig.1 Relationship between factor levels and four properties

表9 因素各水平对各性能的影响权重Table9 Impact weight of each level of factor on concrete properties

（1）陶粒的掺量从20%增加到40%，混凝土的导热系数减小了9.33%；而当陶粒的掺量从40%增加到60%，混凝土的导热系数减小了4.95%，这表明陶粒的掺量在20%～40%之间时对保温隔热混凝土的导热系数影响较大。

（2）当憎水玻化微珠的掺量从60%增长到100%时，导热系数降低了11.68%；而掺量从100%增长到140%时，导热系数降低了2.67%，说明憎水玻化微珠的掺量在60%～100%之间较为适宜。

（3）当粉煤灰的掺量为10%～20%时，导热系数降低了3.36%；而掺量从20%增加到30%时，导热系数增加了3.08%。通过对图 1中的（b），（c）和（d）观察可知粉煤灰掺量取在20%最好，此时导热系数最低，抗压、抗拉以及抗折强度均达到最大；砂子的用量从856 kg／m3降低到 571 kg／m3时，导热系数降低了3.5%，而用量从571 kg／m3降低到428 kg／m3时，导热系数又降低了4.65%，所以砂子用量宜在571～428 kg／m3之间。

图 1（b），1（c）和 1（d）表明，混凝土的抗压、抗拉和抗折强度随着陶粒和憎水玻化微珠的掺量的增加而降低，随着粉煤灰掺量的增加和砂子用量的减少而先增加后减少，区别在于波动幅度不同。