摘 要：主要研究了水胶比、页岩陶粒密度等级、含水率三因素对页岩陶粒混凝土的抗压强度和导热系数的影响。结果表明：在一定范围内，水胶比与页岩陶粒混凝土的抗压强度、导热系数分别呈负相关和正相关；页岩陶粒的密度等级与抗压强度、导热系数分别呈正相关和负相关，含水率与抗压强度和导热系数均呈负相关。与普通C30混凝土相比，所制备的LC30页岩陶粒混凝土的干密度降低了25.5%，导热系数降低了50%。

关键词：页岩陶粒混凝土；导热系数；水胶比；陶粒密度等级；含水率

0 前言

随着现代建筑向高层、大跨度、低能耗方向发展，混凝土的比表面积、强度、保温等性能有了更高要求。轻骨料混凝土是由轻粗骨料、轻砂（或普通砂）、水泥和水配制而成的干密度不大于1950kg/m³的混凝土。轻骨料混凝土具有轻质、高强、保温隔热、耐火性能优良等特点，可兼具承重、节能的功能，已成为现代混凝土材料主要发展方向之一。页岩陶粒混凝土是轻骨料混凝土的一种，也受到越来越多的关注。

关于陶粒混凝土，已有许多学者进行过大量的研究。穆龙飞等研究了页岩陶粒粒径对混凝土强度和热工性能的影响，结果表明，随着陶粒粒径的增大，抗压强度和导热系数均随之下降。刘喜等研究了轻骨料强度、粉煤灰用量以及水胶比对陶粒混凝土抗压强度的影响，发现，陶粒混凝土的强度与其骨料强度密切相关。何诗华研究了陶粒取代率对页岩陶粒混凝土的力学性能和热工性能的影响，结果表明，随着陶粒取代率的增加，陶粒混凝土导热系数和抗压强度呈下降趋势。罗永磊使用石粉、陶粒、岩棉、炉渣等材料制备了陶粒混凝土，发现，影响其抗压强度的最大因素为陶粒的密度等级，其次为水胶比，最后为砂率。

C30混凝土应用广泛，但是强度相当的LC30页岩陶粒混凝土的制备和性能研究相对较少。为此，本文采用单因素分析法，研究水胶比、页岩陶粒密度等级、含水率三因素对页岩陶粒混凝土的抗压强度以及导热系数的影响规律，以期为LC30页岩陶粒混凝土的实际应用提供参考。

1 试验概况

1.1 原材料

水泥：华新水泥有限公司生产的P·O 52.5级水泥。

粉煤灰：武汉市阳逻电厂生产的Ⅰ级粉煤灰，比表面积为450㎡/kg，密度为2 200kg/m³。

硅灰：挪威埃肯公司生产的硅灰，比表面积为25 000 m2/kg，密度为2200 kg/m³。

各胶凝材料的化学组成见表1。

粗骨料：页岩陶粒由湖北宜昌某陶粒厂家提供，由天然矿石经破碎、筛分、烧胀而成。粒径为5~10mm，其密度等级有5级：500级、600级、700级、800级、900级，对应的堆积密度分别为411kg/m³、525 kg/m³、663 kg/m³、795 kg/m³、874 kg/m³。

细骨料：标准砂，堆积密度为1325kg/m³，表观密度为2650kg/m³。

外加剂：北京某公司生产的聚羧酸系高效减水剂，减水率≥25%，固含量为20%。

水：洁净的自来水，各项指标均满足JGJ 63—2006《混凝土用水标准》相关规定。

1.2 页岩陶粒预湿处理

考虑到陶粒的吸水特性，本试验对页岩陶粒进行预湿处理。先将陶粒置于塑料箱中，向塑料箱中注水直至没过陶粒，浸泡24h后取出，再将陶粒倒入编织袋内滤水30min后倒入拧干的湿浴巾上，分别握住两端，使陶粒在浴巾上滚动8~10次。

1.3 配合比设计

根据JGJ/T 12—2019《轻骨料混凝土应用技术标准》中的松散体积法对LC30页岩陶粒混凝土进行配合比设计。本试验减水剂用量为胶凝材料用量的0.25%；各胶凝材料占比分别为：水泥72%，粉煤灰20%，硅灰8%。

（1）为了探究不同水胶比对页岩陶粒混凝土性能的影响，采用页岩陶粒密度等级为800级的页岩陶粒为粗骨料，固定拌和水用量，选取水胶比为0.32、0.36、0.40、0.44和0.48成型试件，具体配合比见表2。

（2）为了探究不同页岩陶粒密度等级对页岩陶粒混凝土性能的影响，固定水胶比为0.40，选取密度等级为500级、600级、700级、800级和900级的页岩陶粒，具体配合比见表3。

（3）为了探究不同含水率对页岩陶粒混凝土性能的影响，以A3配合比为基准，控制页岩陶粒混凝土的含水率分别为饱和含水率的0、20%、40%、60%、80%、100%，相应试件编号分别记作C1~ C6。

1.4 性能测试

抗压强度：根据GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》中抗压强度测试方法，采用100mm×100mm×100mm的非标准立方体试件，在标准环境[温度（20±2）℃，湿度在95%以上]养护7d、28d，采用TYE-3000型压力试验机测试其抗压强度，并乘以尺寸换算系数0.95。

导热系数：采用防护热板法，根据GB/T 10294—2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定 防护热板法》规定，试件为300mm×300mm×30mm的2块混凝土板，采用双平板导热系数仪IMDRY3001测定试件的导热系数。

含水率：采用重湿度法，先测量页岩陶粒混凝土试件在绝对干燥和饱和含水率下的质量，再将养护好的试件放入电热恒温鼓风干燥箱中烘干至恒重，称其重量记为m0，然后将试件放入水中浸泡至恒重，称其重量记为m1，分别取质量为（m1-m0）的20%、40%、60%、80%的水均匀的喷洒在试件表面，用保鲜膜包裹后密封养护8 h。试件进行性能测试前用干毛巾对其表面进行擦拭，防止其表面水分对试验结果产生误差。

2 试验结果与分析

2.1 水胶比对页岩陶粒混凝土性能的影响

不同水胶比页岩陶粒混凝土的干密度见表4。不同水胶比页岩陶粒混凝土7d与28 d抗压强度和其绝对干燥状态下的导热系数试验结果见图1、图2。

由表4可知，5组试件的干密度均＜1950kg/m³，属于轻骨料混凝土，且干密度随水胶比的增大而减小，这是由于水比胶凝材料密度小，同时水分会蒸发。

由图1可知，随着水胶比的增大，试件的7d、28d抗压强度逐渐降低，反之亦然。但是，水胶比不能太小，水胶比过小时，试件的和易性降低，且胶凝材料的黏度增大,在振捣过程中，其内部的空气难以排出，会影响页岩陶粒混凝土的性能。因此，为保证页岩陶粒混凝土的强度，需在合适的范围内尽量减小水胶比。

由图2可知，随着水胶比的增大，试件在绝干状态下的导热系数逐渐降低，保温性能逐渐提高。主要原因是：随着水胶比的增大，含水量增加，水的导热系数较水泥低，在混凝土硬化过程中，多余的水在试件内部形成水泡或蒸发后产生较多孔隙，孔隙中空气的导热系数很小，最终导致试件的导热系数降低，保温性能提高。

2.2 页岩陶粒密度等级对页岩陶粒混凝土性能的影响

不同页岩陶粒密度等级试件的干密度结果见表5。不同页岩陶粒密度等级页岩陶粒混凝土的7d与28d抗压强度和其绝对干燥状态下的导热系数试验结果见图3、图4。

由表5可知，5组试件的干密度均＜1950kg/m³，属于轻骨料混凝土，干密度随页岩陶粒密度等级的增加而增大，主要是由于在进行配合比设计时，保持胶凝材料、水以及骨料的体积不变，页岩陶粒混凝土的干密度随页岩陶粒密度等级提高而增加。

由图3可知，随着页岩陶粒密度等级的增加，各试件的7d、28d抗压强度逐渐提高。这是因为：一方面，随着页岩陶粒密度等级的增加，页岩陶粒的密实程度增加，页岩陶粒的弹性模量提高，在相同应变的条件下，弹性模量越大，发生破坏前所能承受的荷载也就越大；另一方面，随着页岩陶粒密度等级的提高，骨料间的空隙率减少。胶凝材料和细骨料相同用量条件下，水泥砂浆与页岩陶粒骨料之间的接触更加充分，有利于强度增长。页岩陶粒密度等级为500级和600级时，试件的抗压强度过低，不满足LC30页岩陶粒混凝土的强度要求。

由图4可知，随着页岩陶粒密度等级的增加，试件在绝干状态下的导热系数逐渐增大，保温性能逐渐降低。这是由于随着页岩陶粒骨料密度等级的增加，试件的比表面积变大，页岩陶粒混凝土更加密实，内部孔隙率降低，固体物质的体积含量增大，进而导致试件的导热系数随着页岩陶粒骨料密度等级的增加而增大。

2.3 含水率对页岩陶粒混凝土性能的影响

不同含水率页岩陶粒混凝土的抗压强度和绝对干燥状态下的导热系数试验结果见图5、图6。

由图5可知，随着含水率的增加，试件的抗压强度逐渐降低。这是由于水泥胶凝颗粒之间主要通过范德华力相结合，结合力通过较薄的水膜发挥作用，一般情况下，结合力高于范德华力。当试件处于干燥状态下时，水膜变薄或者消失，其内部的结合力变大，承受荷载的能力变大。而当试件含水率增加时，其内部水分子变多，削弱了内部分子之间的连接，使得其承受荷载的能力降低。因此，随着含水率的增加，页岩陶粒混凝土的抗压强度下降。

由图6可知，随着含水率的增加，试件的导热系数逐渐增大，保温性能逐渐降低。当含水率较低时，热量传递主要发生在固体与固体之间，其他两种介质之间的热量传递可忽略。随着含水率的增加，试件中存在3种介质之间的热量传递，水分子不断填充陶粒内部的孔隙，其导热系数大于空气的导热系数，试件的导热系数也随之变大。因此，随着含水率的增大，页岩陶粒混凝土的保温性能呈下降趋势。

2.4 页岩陶粒混凝土与普通混凝土性能对比

为了比较相同强度等级下，LC30页岩陶粒混凝土与C30普通混凝土的保温性能，制备了C30普通混凝土，并将其与A3组性能进行比较，结果见表6。其中，C30普通混凝土的粗骨料为最大公称粒径为16mm的碎石，稍大A3组，其他均与A3组相同。

由表6可知，LC30页岩陶粒混凝土与C30普通混凝土相比，干密度和导热系数降低，保温性能提升。

3 结论

（1）一定范围内，水胶比与页岩陶粒混凝土的抗压强度、保温性能分别呈负相关和正相关。在保温性能满足要求的情况下，要得到相对较高的抗压强度，需要适当减小试件的水胶比；在抗压强度满足要求的情况下，要得到相对较好的保温性能，则需要适当增大试件的水胶比。

（2）页岩陶粒密度等级与页岩陶粒混凝土的抗压强度、保温性能分别呈正相关和负相关。在保温性能满足要求的情况下，要得到相对较高的抗压强度，需要增加页岩陶粒密度等级；在抗压强度满足要求的情况下，要得到相对较好的保温性能，则需要减小页岩陶粒密度等级。

（3）页岩陶粒混凝土在实际应用中，抗压强度和保温性能均与混凝土的含水率呈负相关，最好的状态为绝对干燥状态。因此，页岩陶粒混凝土在实际应用时，应做好防水措施。

（4）LC30页岩陶粒混凝土与C30普通混凝土相比，保温性能提升。