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102Industrial Construction Vol. 44， No. 12， 2014工业建筑2014 年第 44 卷第 12 期 基于结构自保温的高性能页岩陶粒混凝土试验研究 * 杨健辉1， 2陈静2张鹏2秦本东2赵红兵 3 1． 河南理工大学深部矿井建设重点学科开放实验室，河南焦作454000; 2． 河南理工大学土木工程学院，河南焦作454000; 3． 焦作市住建局，河南焦作454000 摘要为了配制出高性能页岩陶粒混凝土， 以强度和导热系数为设计目标， 通过正交试验， 得到了强度 等级不低于 LC40 的页岩陶粒混凝土最佳配合比， 并分别研究了河砂、 不同纤维对陶粒混凝土性能的影响。 结果表明， 河砂对混凝土强度影响不大， 而钢纤维掺量为 2 时， 其抗压、 抗折、 劈拉强度均有明显提高， 并优 于其他纤维品种; 陶粒混凝土的轴心与立方体抗压强度接近， 且弹性模量较低， 峰值应变与总应变较大。最 后， 对假定的几种结构混凝土和围护结构的保温措施， 采用热工模拟计算， 得到了节能率不低于 65 的一体 化建筑保温系统。 关键词页岩陶粒混凝土;增强纤维;强度;本构关系;抗震验算;导热系数 DOI 10. 13204/j． gyjz201412020 EXPEＲIMENTAL STUDY ON HIGH- PEＲFOＲMANCE SHALE CEＲAMSITE CONCＲETE BASED ON INSULATION STＲUCTUＲE Yang Jianhui1， 2Chen Jing2Zhang Peng2Qin Bendong2Zhao Hongbing3 1． Opening Project of Key Laboratory of Deep Mine Construction，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454000，China; 2． School of Civil Engineering of Henan Polytechnic University， Jiaozuo 454000，China; 3． Housing Construction Bureau of Jiaozuo，Jiaozuo 454000，China AbstractIn order to make up high perance ceramsite concrete HPCCand be applied in engineering practice， the best mixture ratio of high- strength shale ceramsite concrete HSSCCno less than LC40 is obtained by orthogonal tests based on the inds of strength and thermal conductivity，then the effects of sand and different fibers on physical- mechanical properties of CC are studied． The test results show that the sand has little effect on strength，but steel fibers have a great deal when added 2，the compressive strength，splitting strength and flexural strength are all higher than ordinary one． Besides，the axial strength is similar to cube compressive strength，and the elastic modulus is lower，the peak strains and the total strains are larger． In the end，the integration system of insulation building is founded and the economy energy rate is not less than 65 by aseismic check based on the upper test results，including of the physical- mechanical properties，and the supposed several types of structure concretes and outer protective structures． Keywordsshale ceramsite concrete;strengthen fiber;strength;constitutive relation;aseismic check;thermal conductivity coefficient * 国家自然科学基金项目 41172317 ; 深部矿井建设省重点学科开 放实验室开放基金 2011KF － 01 ; 河南省教育厅科技攻关项目 2010A560010 。 第一作者 杨健辉， 男， 1969 年出生， 博士 后 ， 教授。 电子信箱 yjh． dr163． com 收稿日期 2014 －08 －16 虽然我国对轻骨料混凝土的研究及应用始于 40 多年前， 但由于当时经济、 技术等各方面原因， 并 没有在实际工程中被广泛应用［1 ］。但近几年来， 随 着我国国民经济的飞速发展， 人民生活水平日益提 高， 带动着建筑技术的更新换代周期日趋缩短。同 时， 伴随着建筑向大跨度、 高层和超高层等多样化方 向发展， 尤其是 居住建筑节能设计 65标准 的执 行以及 20102020 年中国长期科学和技术发展目 标规划纲要 要求， 轻骨料混凝土因其具有保温、 隔 热、 保湿、 耐火、 抗冻、 轻质高强、 良好的抗震性和抗爆 炸冲击性、 高耐久性和抗裂性以及显著的综合经济效 益等优点， 而获得了前所未有的广阔发展前景。 目前， 我国陶粒混凝土主要应用于低强度的非 承重结构， 而在承重结构中应用还较少。但随着轻 基于结构自保温的高性能页岩陶粒混凝土试验研究 杨健辉， 等103 骨料生产的多样性以及轻骨料混凝土制备技术的进 步， 其性能得到了极大提高， 高强轻骨料的生产也已 形成一定的规模 ［2 ］。在此背景下， 轻骨料混凝土逐 渐在高层建筑和大跨度桥梁等工程中获得应用。如 珠海国际会议中心采用了 LC30 泵送轻骨料混凝 土， 武汉证券大厦 64 ～68 层楼板使用了 LC35 轻骨 料混凝土， 云南建工医院主体结构使用 LC40 轻骨 料混凝土， 天津永定新河大桥引桥应用了预应力 LC40 高强轻骨料混凝土， 京珠高速公路湖北段蔡甸 汉江大桥和洛阳新区牡丹桥桥面均使用了 LC40 泵 送纤维增强轻骨料混凝土［3 ］。 虽然高强轻骨料混凝土在桥梁工程方面已经 取得一定的市场份额， 但还仅仅是很小的一部分， 而且在不同的国家， 高强轻骨料混凝土的应用情 况相差很大［4 －6］。因此， 本课题组针对页岩陶粒素 混凝土和陶粒纤维混凝土的物理力学性能以及单 轴压应力下的本构关系进行试验研究， 并按目前 常用的几种保温围护结构， 对焦作市一具体民用 建筑工程进行了热工模拟计算， 以期为相关工程 提供借鉴。 1试验原材料 1. 1粗骨料 采用河南美赛克科技有限公司生产的页岩陶 粒， 密度等级为 800 级， 堆积密度为755 kg/m3， 经预 防水处理后， 24 h 吸水率由 10. 9降为 6. 3， 粒径 为 5 ～20 mm， 颗粒级配良好。 1. 2细骨料 采用河南美赛克科技有限公司生产的页岩陶 砂， 密度等级为 900 级， 堆积密度为806 kg/m3， 经预 防水处理后， 24 h 吸水率由 23. 8 降为 13. 4， 粒 径不大于 5 mm， 颗粒级配良好。 1. 3水泥 采用焦作市坚固水泥厂生产的 PO 42. 5Ｒ 坚 固牌普通硅酸盐水泥。 1. 4矿物外加剂 粉煤灰 采用平顶山姚孟电厂所生产的Ⅰ级粉 煤灰。其化学成分见表 1。 表 1粉煤灰化学成分 Table 1The chemical composition of fly ash SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOK2ONa2O 58. 9628. 943. 511. 700. 742. 240. 52 硅灰 采用新乡海运特种水泥公司所生产的硅 灰， 化学成分见表 2。 表 2硅灰化学成分 Table 2The chemical composition of silica fume SiO2Fe2O3Al2O3CaO 烧失量水分 85 ～903. 22. 2＜1. 8＜4. 2＜2 1. 5化学外加剂 采用河南银洲新型建材有限公司生产的 EAST- SAF 型高效减水剂和早强剂。其中， 减水剂掺量为 水泥质量的 1. 8， 减水率为 22， 采用后掺法; 早 强剂掺量为水泥质量的 2 ～4。 1. 6增强纤维 钢纤维 郑州禹建钢纤维有限公司生产的波浪 形钢纤维 、 仿钢纤维 山东泰山工程材料有限公司 生产的波浪形仿钢纤维 和聚丙烯纤维 山东泰安 智荣工程材料有限公司生产的聚丙烯束状单丝纤 维 ， 其性能指标如表 3 所示。 表 3不同纤维的物理性能指标 Table 3The physical properties of different kinds of fibers 纤维种类 密度 ρ/ g m －3 抗拉强度 ft/MPa 弹性模量 E/GPa 极限伸长率 δ/ 聚丙烯纤维0. 91350 ～7003. 0 ～5. 015 ～35 钢纤维7. 8 ～7. 91 470 ～2 500176 ～1961. 0 ～2. 0 仿钢纤维0. 91＞4907. 1 2最佳配合比设计及试验结果分析 混凝土配合比设计采用松散体积法， 即以给定的 1 m3混凝土的粗细骨料松散总体积为基础进行计算， 然后按照设计要求以混凝土干表观密度为依据进行 校核， 最后通过试验调整得出配合比。配合比按照 JGJ 512002 轻骨料混凝土技术规程 规定进行， 正 交试验设计为6 因素3 水平， 如表4 所示。 表 4因素水平 Table 4The factors and level charts of orthogonal experimentskg/m3 水平 水泥 A 粉煤灰 B 硅灰 C 陶粒 D 陶砂 E 水 F 14005035520700140 24506040535750150 35007045550800160 搅拌采用强制式搅拌机。先将粗骨料和细骨料 充分搅拌均匀 干拌 ， 然后加入水泥、 粉煤灰等干 拌， 使其充分混合后， 加水搅拌1 min， 最后将剩余水 和减水剂同时加入拌和 2 min。 试验步骤及试验方法参照 GB 500812002普 通混凝土力学性能试验方法标准 、 GB/T 1743. 1 2010轻集料及其试验方法 和 JGJ/T 102010轻 104工业建筑2014 年第 44 卷第 12 期 骨料混凝土技术规程 ， 采用标准试验方法测试。 其中， 立方体抗压、 劈裂抗拉、 干表观密度与吸水率 试件的规格均为 150 mm 150 mm 150 mm， 抗折 试件规格为 100 mm 100 mm 400 mm， 轴心抗压 强度试件的规格为 100 mm 100 mm 300 mm。试 验结果分别如表 5表 7 所示。 因抗压强度权重大于导热系数权重， 综合表 6 与 表7 的结果， 最终选择最优组合为 D1A2E1B2C2F3 ， 即 各材料的质量比为 水泥∶ 粉煤灰∶ 硅灰∶ 陶粒∶ 陶砂∶ 水 1∶0. 133∶0. 089∶1. 156∶1. 556∶0. 356， 混凝土水泥 用量为450 kg/m3。 普通混凝土材料导热系数为 1.74 W/ m2 K ［ 7 ］ 以内， 而页岩陶粒混凝土导热系数在 1. 0 W/ m2 K 以内， 如表 7 所示。较低的导热系数， 可有效减 少热量的传递， 增大蓄热功能， 从而实现能源节约。 3物理力学性能 根据表 6、 表 7 中所得到的最佳配合比， 28 d 龄 期时混凝土的物理力学性能指标如表 8 所示。 表 5试验设计与结果 Table 5The designs and results of orthogonal experiments 试验 号 水平因素 1A2B3C4D5E6F7 fcu/ MPa λ/ W m －2 K －1 1111111157. 120. 61 2122222243. 340. 69 3133333345. 110. 71 4211223342. 960. 82 5222331152. 770. 93 6233112250. 260. 66 7312132356. 980. 96 8323213145. 140. 84 9331321247. 870. 95 10113322142. 270. 71 11121133241. 630. 76 12132211340. 090. 64 13212313254. 750. 72 14223121346. 410. 80 15231232144. 450. 92 16313231247. 250. 98 17321312350. 320. 88 18332123148. 560. 85 注 λ 表示导热系数。 表 628 d 抗压强度 fcu分析 Table 6The analysis of compressive strengths fcu 水平因素 K1K2K3k1k2k3 极差 Ｒ因素主次 最优方案 1A269. 56291. 60296. 1244. 9348. 6049. 354. 42 2B301. 33279. 61276. 3450. 2246. 6046. 064. 16 3C284. 35296. 49276. 4447. 3949. 4246. 073. 35 4D300. 96263. 23293. 0950. 1643. 8748. 856. 29DAEBCFD1A3E1B1C2F1 5E297. 68271. 41288. 1949. 6145. 2448. 034. 37 6F291. 51287. 62278. 1548. 5947. 9446. 362. 23 7290. 31285. 10281. 8748. 3947. 5246. 981. 41 表 7导热系数 λ分析 Table 7The analysis of thermal conductivity λ 水平因素 K1K2K3k1k2k3 极差 Ｒ因素主次 最优方案 1A4. 124. 855. 460. 690. 810. 910. 22 2B4. 84. 94. 730. 800. 820. 790. 03 3C4. 944. 794. 70. 820. 800. 780. 04 4D4. 644. 894. 90. 770. 820. 820. 04AED CF BA1E1D1C3F3B3 5E4. 354. 825. 260. 730. 800. 880. 15 6F4. 914. 824. 70. 820. 800. 780. 04 74. 864. 764. 810. 810. 790. 800. 02 表8以最优配合比配制的页岩陶粒混凝土物理力学性能指标 Table 8The physical and mechanical properties of shale ceramsite concrete according to the optimal proportion 立方体抗 压强度 fcu/MPa 轴心抗压 强度 fc/ MPa 劈裂抗拉 强度 fts/ MPa 抗折强度 fr/ MPa 干表观密度 ρg/ kg m －3 55. 7251. 783. 875. 061 828. 2 经过反复试验， 试验结果稳定， 达到了结构陶粒 混凝土的设计强度要求。 轴心抗拉强度采用普通混凝土的关系式计 算 ［8 ］ fcu ft 6. 4 0. 122 3fcu 1 由式 1 得计算结果为 4. 22 MPa， 略高于劈裂 抗拉强度， 但低于抗折强度。 此外， 由表 8 可知， 全轻页岩陶粒混凝土的 轴心抗压强度接近于其立方体抗压强度， 二者比 值约为 0. 93， 不同于采用轻粗骨料、 普通砂的轻 基于结构自保温的高性能页岩陶粒混凝土试验研究 杨健辉， 等105 骨料混凝土 二者比值为 0. 815 和普通混凝土 二者比值为 0. 76 。其主要原因是全轻混凝土 孔隙率大、 材质疏脆， 在轴向荷载作用下， 试件横 向约束作用较轻粗骨料、 普通砂的半轻骨料混凝 土和普通混凝土弱， 导致其立方体抗压强度与轴 心抗压强度相比增加不多， 且较普通混凝土略 大些［9］。 3. 1河砂替代率对混凝土性能的影响 由于河砂远较页岩陶砂便宜， 以致在工程中大 量采用河砂替代陶砂， 从而导致混凝土性能劣化。 为探讨河砂对页岩陶粒混凝土的和易性与强度的影 响， 在最佳配合比条件下， 分别以 0、 5、 10 和 15的普通河砂去替代页岩陶砂， 如表 9 所示， 其试 验结果如表 10 所示。 表 9 LC50 页岩陶粒混凝土配合比设计 Table 9The proportioning design of shale ceramsite concrete for LC50kg/m3 编号水泥粉煤灰硅灰陶粒陶砂河砂水减水剂早强剂 1 －1450604052070001608. 018. 78 1 －24506040520665351608. 018. 78 1 －34506040520630701608. 018. 78 1 －445060405205951051608. 018. 78 表 10LC50 页岩陶粒混凝土试验结果 Table 10The test results of shale ceramsite concrete for LC50 编号 坍落度 T/mm 黏聚性保水性 28 d 抗压强度 fcu/MPa 1 －1165良好良好55. 7 1 －2173良好一般49. 6 1 －3179一般一般53. 2 1 －4185一般稍微沁水54. 6 由表 10 可知， 1 页岩陶粒混凝土拌合物的和 易性随着河砂替代率的增大而变差; 2 当河砂替 代率为 0 时强度最大。和易性变差是原本由陶砂 所吸附的一部分水分， 不能被替代的普通河砂所 吸附而成为游离水， 从而使坍落度逐渐增大。这 说明， 在最佳配合比条件下， 不需要用河砂替代陶 砂， 陶粒混凝土即可满足工程要求。另一方面， 河 砂替代部分或完全替代陶砂， 虽然在适当配合比 条件下也能满足要求， 但在泵送过程中将会增大 堵管的风险， 这是因为河砂密度较大会在新拌混 凝土中快速沉淀， 导致混凝土质量事故出现， 如增 加裂缝风险、 增加导热系数等弊病。此外， 由于陶 粒与陶砂的多孔性， 在混凝土养护中， 可以配合粉 煤灰等活性掺材充分发挥内养护功能， 从而可有 效提高后期强度。 3. 2钢纤维掺量对混凝土的影响 为探讨钢纤维对陶粒混凝土的和易性及其他力 学性能的影响， 在最佳配合比条件下， 分别选择体积 率 ［10 －12 ］为 0、 0. 5、 1、 1. 5、 2、 3 和 5 进 行试验， 如表 11 所示， 其试验结果如表 12 所示。 表 11不同掺量钢纤维的混凝土配合比 Table 11The concrete proportioning design under different contents of steel fibers 编号 水泥/ kg m －3 粉煤灰/ kg m －3 硅灰/ kg m －3 陶粒/ kg m －3 陶砂/ kg m －3 钢纤维/ 水/ kg m －3 减水剂/ kg m －3 早强剂/ kg m －3 2 －145060405207000. 01608. 018. 78 2 －245060405207000. 51608. 018. 78 2 －345060405207001. 01608. 018. 78 2 －445060405207001. 51608. 018. 78 2 －545060405207002. 01608. 018. 78 2 －645060405207003. 01608. 018. 78 2 －745060405207005. 01608. 018. 78 表 12试验结果 Table 12The experimental results 编号 T/ mm 黏聚性保水性 fcu/ MPa fr/ MPa fts/ MPa 2 －1165良好良好55. 75. 13. 9 2 －2160良好良好58. 55. 94. 6 2 －3156良好良好61. 86. 85. 3 2 －4152良好良好63. 17. 46. 5 2 －5143良好良好66. 38. 27. 9 2 －6141一般一般66. 58. 17. 6 2 －7138不太好一般63. 47. 97. 1 由表12 可知， 1 当钢纤维掺量从 0增加到 5 时， 坍落度逐渐变小， 即流动性变差， 和易性越来越 差; 2 当钢纤维掺量增加到 2 时， 立方体抗压强度 的增长率最大可达 20。但随着钢纤维掺量的继续 增加， 强度虽有增长， 但增幅并不大; 3 当钢纤维掺量 由0增加到 2， 陶粒混凝土的抗折强度增幅达 65， 但钢纤维掺量增加到 3和 5时， 抗折强度反 而会减小; 4 当钢纤维掺量达 2 时， 劈裂抗拉强度 106工业建筑2014 年第 44 卷第 12 期 的增幅可超过 1 倍， 但如果掺加过量， 其强度并不能 有效提高; 5 钢纤维对劈裂抗拉强度的增强效果优于 抗折强度。这表明， 钢纤维的最大掺量为 2 时， 钢 纤维陶粒混凝土的韧性已经得到了明显提高。 4单轴压应力条件下混凝土的本构关系 4. 1应力 －应变曲线 分别制作最优配合比页岩陶粒素混凝土试件， 以及钢纤维 2. 0、 仿钢纤维和聚丙烯纤维掺量分 别为 0. 5［13 ］的混凝土试件以及混掺仿钢纤维与 聚丙烯纤维掺量分别为 0. 35 和 0. 15 的混凝土 试件， 其试验结果如表 13 所示。 由图 1 和试验现象可知， LC50 页岩陶粒混凝土 试件在受力初期处于弹性变形状态; 到达比例极限 时， 应力、 应变继续增长， 并随着时间的推移， 能听到 试件的劈裂声， 说明试件已进入弹塑性阶段， 此时应 变增长速率大于应力的增长速率; 当压应力接近峰 值应力时， 试件表面出现了竖向短小细微裂缝， 应变 急剧增长; 接着细微裂缝继续扩展， 形态逐渐变粗变 长， 直至试件完全破坏， 且破坏是突发性的， 能够听 到破坏时的爆裂声， 这表明高强页岩陶粒混凝土的 破坏也属于脆性破坏。 表 13应力 － 应变试验数据 Table 13The experimental data of stress- strain 4 －1 组 陶粒混凝土 4 －2 组 聚丙烯纤维 陶粒混凝土 4 －3 组 钢纤维 陶粒混凝土 4 －4 组 仿钢纤维 陶粒混凝土 4 －5 组 聚丙烯纤维 仿 钢纤维陶粒混凝土 应力/MPa 纵应变/10 －6 应力/MPa 纵应变/10 －6 应力/MPa 纵应变/10 －6 应力/MPa 纵应变/10 －6 应力/MPa 纵应变/10 －6 0. 0000. 0000. 0000. 0000. 000 1. 49705. 213987. 464126. 434218. 75486 10. 5050413. 2152119. 3461212. 7053614. 74693 14. 5171217. 5364232. 401 17516. 7267221. 351 104 18. 4293727. 151 05746. 781 41326. 211 17928. 311 285 25. 501 24532. 071 30952. 822 86333. 171 34735. 501 587 33. 551 83642. 791 47654. 413 12041. 271 52146. 501 563 38. 722 35753. 573 01249. 843 86147. 841 45752. 172 912 51. 802 90551. 672 95139. 254 69952. 452 96446. 103 503 43. 473 41545. 714 01730. 144 87649. 892 89339. 253 706 36. 153 74536. 214 53122. 356 03442. 343 78528. 734 205 27. 504 12123. 745 10313. 218 10432. 794 41222. 374 715 18. 474 65814. 717 13510. 7910 89626. 174 64713. 546 532 17. 455 87410. 1311 2139. 8113 21317. 215 3949. 719 500 7. 908 3459. 7613 5417. 0512. 457 3266. 3511 657 5. 6211 2769. 016. 1210. 9710 3573. 0312 708 2. 7112 5458. 8913 2472. 79 2. 137. 32 ■4 －1;●4 －2;▲4 －3;4 －4;4 －5 图 1单轴受压应力 － 应变曲线 Fig．1The stress- strain curves of different kinds of concrete under uniaxial stresses 将 LC50 页岩陶粒混凝土与 C50 普通混凝土的 应力 － 应变曲线相比较可知 1 上升段相似; 2 对 于下降段， 在同等应力条件下， 陶粒混凝土较普通混 凝土的应变大 如峰值应变约 700 10 －6 ， 这表明 陶粒混凝土的延性较好。 由各纤维混凝土的峰值应力比较可知， 其峰值 应力与延性遵循同一规律， 即钢纤维陶粒混凝土﹥ 聚丙烯纤维陶粒混凝土﹥仿钢纤维陶粒混凝土﹥仿 钢纤维 聚丙烯纤维。 根据试验结果和 JGJ 12 － 2006轻骨料混凝土 结构设计规程 中推荐公式， LC50 页岩陶粒混凝土 分段式应力 － 应变方程如式 2 所示。 σc fc 1． 5 εc ε0 － 0． 5 εc ε 0 2 ε ≤ ε0 2a σc fc b 2εc ε0 1 b εc ε0 εc ε 0 2 ε ＞ ε0 2b 式中 符号规定同 JGJ 122006; b 取 －1. 868。 基于结构自保温的高性能页岩陶粒混凝土试验研究 杨健辉， 等107 4. 2弹性模量 本试验中， 页岩陶粒混凝土的轴心抗压强度为 51. 78 MPa， 在 20 ～ 40 的抗压强度范围内处于 弹性变形阶段， 因此选取 20 ～40 抗压强度范围 内的控制荷载和纵向形变作为计算弹性模量的依 据。其中， 实测弹性模量和由 JGJ 512002 中的公 式计算得到的理论弹性模量 干表观密度取表 8 中 的实测值 1 828. 2 kg/m3 如表 14 所示。 表 14弹性模量的试验结果与理论结果 Table 14The test results and theoretical results of elastic modulus 编号F/kN占轴心抗压强度比例/σ/MPaE/103MPa fcu， k/MPaEt/103MPa 相对误差/ 110. 7420. 310. 5228. 3155. 72. 73 5 －1155. 2628. 514. 7527. 6955. 727. 5580. 48 193. 3735. 518. 3727. 4555. 70. 39 注 F 表示控制荷载; σ 表示压应力; E 表示实测弹性模量; Et表示理论弹性模量; fcu， k表示立方体抗压强度标准值。 由表 14 可知， 弹性模量的实测值与理论计算值 非常接近， 说明本试验结果的可靠性以及所提出的 应力 － 应变模型的合理性。 5建筑结构热工模拟计算及造价分析 5. 1工程概况 焦作市某大厦为九层框架结构， 属中高层建 筑 ［14 ］， 无地下室， 长 46. 8 m， 宽 15. 9 m， 建筑高度 31. 2 m， 层高3. 3 m， 建筑面积6 924. 24 m2。楼梯间 采暖， 采暖期天数为 98 d［15 ］， 采暖期室外平均温度 为 1. 4 ℃［15 ］， 建筑体积 22 850 m3， 换气体积 V 为 14 852. 49 m3。 5. 2热工模拟计算 本方案中， 框架结构采用承重页岩陶粒混凝土， 内、 外墙均分别采用 100 mm 厚、 200 mm 厚粉煤灰 砌块， 20 mm 厚陶砂发泡保温砂浆 导热系数为 0. 106 W/ m2 K ， 屋顶为不上人屋面， 采用发泡 页岩陶砂 陶粒 混凝土 导热系数为 0. 141 3 W/ m2 K ， 由文献［ 15］中的公式计算可得， 采暖耗 煤量为 4. 72 kg/m2。根据 1980 年我国通用设计能 耗水平 耗煤量为 25. 2 kg/m2 ， 可知本方案的节能 率为 79. 9。由文献［ 12］ 可知， 若框架结构采用普 通混凝土， 外墙外保温采用聚苯板保温， 其节能率为 67. 8， 采暖耗煤量为 8. 113 kg/m2。 分别将钢纤维陶粒混凝土框架结构、 聚丙烯纤 维陶粒混凝土框架结构、 仿钢纤维陶粒混凝土框架 结构、 混掺仿钢纤维和聚丙烯纤维陶粒混凝土框架 结构取代本方案中的页岩陶粒混凝土框架结构， 其 节能率分别为 76. 2、 81. 06、 77. 62、 81. 19。 如宜昌滨江国际大厦采用了页岩陶粒混凝土框 架剪力墙结构， 对该工程分别用普通混凝土和陶粒 混凝土进行位移角计算， 结果如表 15 所示。 由表 15 可知， 在地震作用下， 轻骨料混凝土标 准层层间位移角最大可减少 17. 4， 符合各国规范 及工程经验［16 ］。此外， 文献［ 17］ 也指出， 与普通混 表 15地震力作用下不同混凝土结构的层间位移角 Table 15The displacement angles between layers for two kinds of concrete structures under the action of earthquake force 类型周期/s 结构总 质量/t 最大层间位移角 X 方向Y 方向 LC40 轻骨料混凝土 12 个标准层 2. 066 753 784. 3751/5 1671/4 240 C40 普通混凝土 11 个标准层 2. 053 953 886. 3591/4 3991/3 701 凝土框架结构相比， 在 El centro 波作用下， 层间位 移减小最大可达 24. 2; 在天津波作用下， 层间位 移角减小最大达到 32. 0。因层间位移角的减小 对结构破坏起到抑制作用， 从而减少地震作用对结 构的破坏。 5. 3造价分析 在本工程中， 若采用页岩陶粒混凝土， 建筑物自 重可由原来的 104 986 kN 降至 87 443. 73 kN， 重量 减轻了 17。因此， 原来的桩径可减小 200 mm， 每 根桩可因此节省 C20 普通混凝土用量 9. 33 m3， 32 根桩总共可节省混凝土用量 298. 56 m3。焦作市 C20 商品混凝土的价格为 270 元/m3， 因此仅基础一 项即可节省造价约 8. 1 万元。综合考虑， 可减少劳 动强度 20， 减少材料运输重量 30 ～ 40， 降低 工程造价 10。 6结语 1 通过对页岩陶粒混凝土的性能影响分析， 采 用正交试验的方法， 得到了强度等级不低于 LC40 的最佳配合比。即， 水泥∶ 粉煤灰∶ 硅灰∶ 陶粒∶ 陶砂∶ 水 1∶ 0. 133∶ 0. 089∶ 1. 156∶ 1. 556∶ 0. 356， 混凝土水 泥用量为 450 kg/m3。 2 对河砂替代页岩陶砂的试验发现， 随着替代 率增加， 混凝土拌合物的和易性逐渐变差， 虽然强度 有所增大， 但均未能超出 0 替代率时的强度。 3 通过不同纤维掺量试验， 表明随着钢纤维掺 108工业建筑2014 年第 44 卷第 12 期 量的增加， 页岩陶粒混凝土的抗压、 抗折和劈拉强度 均有所增加， 但抗压强度的增幅不大， 而抗折强度和 劈裂抗拉强度的增加则较为显著， 其最佳掺量为 2。其他纤维也有类似规律， 其对抗压强度的增强 效果依次是 钢纤维、 聚丙烯纤维、 仿钢纤维、 30 聚 丙烯纤维 70仿钢纤维。 4 由于轻骨料混凝土的孔隙率较大， 在轴向荷 载作用下， 试件横向约束作用较弱， 使得全轻页岩陶 粒混凝土的轴心抗压强度接近于其立方体抗压强 度， 二者比值约为 0. 93。 5 LC50 页岩陶粒混凝土与 C50 的普通混凝土 应力 － 应变曲线类似， 但应变较大。各纤维混凝土 的峰值应力大。依次为有钢纤维陶粒混凝土﹥聚丙 烯纤维陶粒混凝土﹥仿钢纤维陶粒混凝土﹥仿钢纤 维 聚丙烯纤维陶粒混凝土。同时， 其弹性模量也 较低， 因此当结构采用轻骨料混凝土时可最大程度 提高抗变形能力， 从而减少地震作用对结构的破坏， 因此更适宜于抗震、 防爆等结构。抗震验算结果也 证明了这一观点。 6 通过对焦作市一具体建筑的框架结构分别 采用上述不同种类混凝土的热工模拟计算结果可 知， 当采用页岩陶粒混凝土， 内、 外墙均采用 20 mm 厚陶砂发泡保温砂浆， 屋顶保温也采用发泡页岩陶 砂 陶粒 混凝土时， 节能率为 79. 9， 满足 65 节 能标准。同时， 可减轻劳动力强度 20， 减少材料 运输重量 30 ～40， 降低工程造价 10。 参考文献 ［ 1］姚燕． 新型高性能混凝土耐久性的研究与工程应用［M］． 北 京中国建筑材料工业出版社， 2004 23 －57． ［ 2］高振华，郭玉顺，木村薰，等． 高性能轻骨料的生产、 性能及 成因剖析［J］． 混凝土， 2001 2 3 －6． ［ 3］王玉， 杨健辉， 吕凌艳， 等． 基于陶粒骨料的混凝土试验研究 ［J］． 工业建筑， 2011， 41 S1 635 －637． ［ 4］孙海林，丁建彤，叶列平． 高强轻骨料混凝土在桥梁工程中 的应用［C］/ /中国土木工程学会桥梁及结构工程分会第十