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1、页岩陶粒混凝土砌块关键技术研究永安市荣达建材有限公司 林致清1. 项目背景在国外，陶粒的应用已非常广泛。国外用于墙体中的陶粒混凝土主要为建筑砌块和大型墙板。如东欧的一些国家，55%的大型墙板和95%的建筑砌块是用陶粒混凝土制成的；美国80%以上的陶粒用于制作墙体用的小砌块，其陶粒混凝土砌块约占混凝土砌块总量的50%左右；德国的天然陶粒也主要用于生产小型空心砌块。我国于60年代起开始研制人造陶粒，陶粒产品主要有页岩陶粒、粉煤灰陶粒和粘土陶粒等。据不完全统计，2000我国陶粒的产量已经达到460万m3。据统计，2002年我国的人造陶粒主要为粘土陶粒，约占总量的70%以上，其次是页岩陶粒，而粉煤灰陶
2、粒仅占8%左右。我国是个人多地少的国家，耕地只有世界水平的25%，而耕地年人均净减量却为世界人均净减量的两倍。因此，我国人造陶粒应采用以工业废料和其它不用土或少用土的人造陶粒为主。 目前，我国陶粒产业已经形成一定规模，陶粒混凝土砌块占70%左右；陶粒混凝土板材（空心隔墙板、复合保温墙板、楼板等）占15%左右；其它方面的应用（耐火隔热制品、吸声砖、园林和花卉、化工用品等）约占1213%。页岩陶粒是以页岩为原料，经高温快速焙烧膨胀而成的人造轻骨料。由于其内部具有封闭的微孔结构，表面有一层致密的釉面，外壳极为坚硬，因而作为骨料，可以配制轻质高强砌块。与粘土陶粒相比，页岩陶粒密度较大，强度较高，对应的
3、页岩陶粒混凝土砌块抗压强度和热惰性指标较高，砌块的收缩值也相对较小，因此具有较大的竞争优势。目前，对页岩陶粒混凝土砌块方面的研究还远远落后于工程应用，没有弄清楚岩页陶粒性能、页岩性陶粒混凝土性能与页岩陶粒混凝土砌块性能之间的内在关系，这样造成所生产的页岩陶粒混凝土砌块质量不稳定，离散性大等问题。另外，针对福建省地方性材料和气候条件，也应开展系统深入研究，为地方经济建设服务。页岩陶粒混凝土砌块作为一种即满足新型墙材改革要求，又满足建筑节能要求的具有保温隔热功能的新型墙体材料，具有广阔的应用前景。2. 国内外同类研究概况采用陶粒混凝土砌块替代使用了几千年的粘土砖，对保护耕地，促进经济可持续健康快速
4、发展具有着深远的意义。采用松散体积法进行强度等级为MU10.0的陶粒混凝土小型空心砌块的配合比设计，并且指出增加砌块的孔洞率，在传热方向上增加孔洞的排列数，可以提高砌块保温性能；在相同孔隙率情况下，错孔排列的传热系数小于齐孔排列的孔的传热系数，并设计了多种孔型，进行相应的热工分析。我们对砌块的传热形式、热工性能等影响因素进行分析，提出降低砌块的导热系数、改变空心砌块的孔型、增加孔洞的行列数、增大空心砌块的外形厚度、减小孔洞尺寸和孔壁厚度等有效的改善措施。通过陶粒混凝土自隔热保温砌块与陶砂成套应用技术研究等课题研究，开发出矩形错位盲孔陶粒混凝土空心砌块及自隔热保温砂浆成套应用技术。其研究成果各项
5、性能指标完全满足国家有关产品标准要求和节能建筑设计规定性要求。 目前，陶粒混凝土砌块的研究大多从孔型优化等宏观试验角度展开，很少从陶粒混凝土砌块配合比、孔型、空心率、抗压强度、传热系数和成本之间的内在关系和机理角度展开，尤其是还未有学者针对页岩陶粒的特点和福建省地方区域特点开展研究。福建省存储大量的页岩，结合这个特点，研究出性价比较高的页岩陶粒混凝土砌块，将有利于建筑节能和墙体改革工作在福建省的深入开展。3. 对社会经济发展的作用目前，加气混凝土砌块墙体为福建省政府主导的外墙自保温系统。然而该系统也存在施工程序复杂（如需采用专用砂浆和界面剂等）、空鼓和开裂现象较为普遍等问题。通过与加气混凝土砌
6、块进行对比，可以看出页岩陶粒混凝土砌块的经济和社会效益：加气混凝土砌块本身有较高的吸水率、较低的软化系数，并且“湿胀干缩”现象很严重，因此，加气混凝土砌块需要专门的配套砂浆和界面剂，这增加了材料的费用和人工费用。页岩陶粒混凝土砌块表面较为致密，无需专门的界面剂，施工方便，综合造价低，性价比高。福建省隶属于夏热冬暖地区，主要是隔热，热惰性指标D是评价墙体隔热性能的一项重要指标。D值越大，热量在墙体中衰减越快，隔热性能越好。同等厚度的墙体，加气混凝土砌块的D一般都小于2.5，页岩陶粒混凝土砌块的D值一般都大于3.0，为维持与页岩陶粒混凝土砌块一样的D值，必须增加加气混凝土砌块墙体厚度，这也增加了材
7、料费用。隔热性能越好的房子，住户夏天住得越舒服，因此页岩陶粒混凝土砌块必将受到住户欢迎。页岩陶粒混凝土砌块大量采用经过表面釉化、粒径较大的页岩陶粒，其体积稳定性远好于只有细骨料的加气混凝土砌块，所以页岩陶粒混凝土砌块墙体的抗裂性远好于加气混凝土砌块的。这延长了建筑的使用寿命，减少了房屋维修费用。页岩陶粒混凝土砌块是具有保温隔热功能的新型墙体材料，采用这种新型墙体材料，可简化施工，避免开裂、空鼓等工程质量通病，能创造很好的社会效益和经济效益。 2012-3-29(1) 总体目标研发一种采用福建省地方材料，各项指标（抗压强度、传热系数、热惰性指标等）满足要求，性价比较高的页岩陶粒混凝土砌块。(2)
8、 研究方案和技术路线1. 在现有的资料基础上继续收集相关资料，对已有的页岩陶粒混凝土砌块研究成果进行总结归纳，吸取别人的经验和教训，进行实际工程应用上的调查研究。2. 页岩陶粒混凝土配合比研究（1） 参考轻骨料混凝土技术规程（JGJ51-2002），研究页岩陶粒混凝土配合比设计理论。以配合比设计参数（粉煤灰取代水泥的比例、水灰比、页岩陶粒的级别、页岩陶粒的掺量等）为因素，设计几个水平，通过正交试验，研究配合比设计参数与页岩陶粒混凝土密度、导热系数、抗压强度及成本之间的关系。（2） 基于正交试验结果及理论分析，筛选出几组导热系数较低和抗压强度较高、性价比较高的页岩陶粒混凝土配合比。3. 页岩陶粒
9、混凝土砌块的研制（1） 通过对比试验，研究页岩陶粒混凝土砌块生产过程加压前后页岩陶粒混凝土水灰比、密度、抗压强度和导热系数的关系。（2） 通过对比试验，研究筛选出的几组页岩陶粒混凝土配合比、不同孔型、不同空心率与页岩陶粒混凝土砌块的吸水率、软化系数、传热系数、抗压强度及成本之间的关系，并进行机理分析。（3） 采用ANSYS大型有限元软件对页岩陶粒混凝土砌块孔型进行优化。通过试验和理论相结合的方法，得到性能满足相关规程要求，性价比较高的页岩陶粒混凝土砌块。4. 页岩陶粒混凝土砌块设计和性能预测方法通过ANSYS大型有限元软件和研究过程所建立的各种数学模型，给出页岩陶粒混凝土砌块设计和性能预测方法
10、。5. 工程应用（1） 将研制的页岩陶粒混凝土砌块委托一家砌块厂试生产，在工程中试点应用。（2） 将页岩陶粒混凝土砌块设计和性能预测方法在周边省份应用，根据当地的原材料及气候条件（主要影响砌块的厚度等），设计出适合于当地的页岩陶粒混凝土砌块。6. 形成技术总结报告，结题，鉴定。 (3) 研发内容l 页岩陶粒混凝土配合比。l 页岩陶粒混凝土砌块设计和性能预测有限元程序。l 采用福建省地方材料，研制性价比较高的页岩陶粒混凝土砌块。(4) 技术难点解决页岩陶粒混凝土砌块抗压强度与传热系数之间的矛盾。(5) 采用的关键技术l 在页岩陶粒混凝土中掺入一定量的粉煤灰，改善孔隙结构，提高抗压强度，降低导热系
11、数。l 采用ANASYS程序模拟页岩陶粒混凝土砌块的孔形，研究同时能满足抗压强度和传热系数要求的孔型结构。l 通过试验和有限元方法，建立页岩陶粒混凝土密度、水灰比、抗压强度、导热系数与页岩陶粒混凝土砌块水灰比、孔型结构、抗压强度和传热系数之间的关系。2、项目创新点l 采用福建省地方材料，特别是工业废料，以降低成本，提高性价比。l 综合考虑热传导、对流换热和热辐射，采用ANSYS内的流固弱耦合算法，建立计算陶粒混凝土砌块的传热系数和抗压强度的方法。3、项目主要技术指标与国内外同类技术或产品比较与加气混凝土砌块相比，页岩陶粒混凝土砌块具有如下几个优点：（1）由于页岩陶粒混凝土砌块具有粗骨料-页岩陶
12、粒，页岩陶粒通过焙烧得到，体积稳定性好；而加气混凝土砌块只有细砂骨，细骨料的比表面积比粗骨料的大，所以页岩陶粒混凝土砌块比加气混凝土砌块有更好的体积稳定性，采用页岩陶粒混凝土砌块可以减少墙体产生裂缝的可能性。（2）页岩陶粒混凝土的孔隙较小，而加气混凝土的孔隙结构是“墨水瓶”状。页岩陶粒混凝土砌块的吸水性远低于加气混凝土砌块的，所以即使不使用界面剂，页岩陶粒混凝土砌块墙体很少会出现抹面砂浆粉化和空鼓现象。（3）页岩陶粒混凝土有较大的容重，因此在传热系数相近的情况下，页岩陶粒混凝土具有更好的隔热性能，这对于南方以夏季隔热为主的建筑尤为重要。另外，这两者成本相差不多。因此在福建省大力推广应用陶粒混凝土有其明显的优势。福建省是属于夏热冬暖地区，有其特有的气候条件（如福建省较潮湿、沿海台风多、气温较高等）和地方材料（福建省粉煤灰较多等），国外和省外的陶粒混凝土砌块技术不能照搬到福建省，因此有必要结合区域特点进行页岩陶粒混凝土砌块的研究。与现有掺有粘土陶粒的陶粒混凝土砌块相比，所研制的页岩陶粒混凝土砌块具有更低的收缩性，更高的抗压强度。本课题采用福建省本土生产的页岩陶粒，生产出来页岩陶粒混凝土砌块质量稳定，性价比高，成为加气混凝土砌块强有力的竟争对手。本项目研制的页岩陶粒混凝土砌块技术立足福建，辐射广东、江西、浙江三省，必将受到市场的欢迎，具有良好的产业化前景。
