引言2017年，中国用于城区供热的能源消耗量约2.01万亿标准煤，占建筑能耗的21%，外墙散热量占整体围护结构耗热量的比例高于28%，可以通过降低建筑传热系数和提高生物质能源占比两种方式降低供暖能耗[1-2]。目前，锅炉仍是城市热源的主要提供形式，煤炭燃烧会排放大量的污染气体[3-4]。为了实现建筑节能，应采用保温节能建筑材料[5]。吉林省具有丰富的秸秆资源与巨大的供暖需求，秸秆资源的利用率为70%。秸秆混凝土砌块能够充分利用秸秆，提高墙体的保温性能[6-7]。以秸秆粉的种类、秸秆粉的掺量、粉煤灰的掺量、水胶比为变量，通过正交试验，研究秸秆粉煤灰混凝土砌块的配合比，确定最优配合比，促进农村绿色建设的发展。1材料选取与试验方法1.1原材料秸秆混凝土的配合比方案文中建筑材料设计外墙抗压强度目标大于20 MPa。随着秸秆掺量的增加，混凝土强度会变低，混凝土初始设计强度为C25，秸秆混凝土砌块达到C20强度等级即满足农村建筑外墙强度要求。按照《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ 55—2011）普通混凝土配合比设计规范进行设计[8]，计算试验材料用量时提及的“规范”均指此规范。秸秆粉末用量为1%；选用P.O42.5普通硅酸盐水泥，用量为430 kg；粗骨料粒径为5~20 mm，用量为1 105.65 kg；细骨料选用河砂，含泥率小于等于3%，用量为649.35 kg；用水为实验室自来水，用量为215 kg。1.2秸秆-粉煤灰混凝土正交试验设计采用四因素四水平的正交试验，选择秸秆材料、秸秆掺量、粉煤灰掺量、水胶比作为正交试验的自变量，每个因素设置4个不同的水平。混凝土基本配合比确定后，在普通混凝土中掺入粉煤灰和秸秆粉，粉煤灰的掺入范围应符合《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ 55—2011）要求[8]。正交试验因素水平设计如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.01.010.T001表1正交试验因素水平设计水平因素秸秆种类A秸秆掺量B/%粉煤灰掺量C/%水胶比D1油菜1100.452芝麻2150.503花生3200.554大豆4250.60考虑试验的准确性，以3块试样为1组，并设置1组对照组，每个指标共设置17组。将3个样品的测试值的平均值作为这组试件的测试结果。试件设计参数如表2所示。正交试验设计材料用量如表3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.01.010.T002表2试件设计参数基本性能指标试件尺寸/mm×mm×mm组数每组个数养护天数/d立方体抗压强度150×150×15017328导热系数300×300×301732810.3969/j.issn.1004-7948.2023.01.010.T003表3正交试验设计材料用量试验组材料秸秆粉掺量/%粉煤灰掺量/%水胶比水/(kg/m3)水泥/(kg/m3)砂/(kg/m3)石/(kg/m3)秸秆粉/(kg/m3)粉煤灰/(kg/m3)Y-1油菜1100.45215430.00631.671 075.554.3047.78Y-2油菜2150.50215365.50649.351 105.657.3164.50Y-3油菜3200.55215312.72663.811 130.289.3878.18Y-4油菜4250.60215268.75675.871 150.8010.7589.58Z-1芝麻1200.50215382.22649.351 105.653.8295.56Z-2芝麻2250.45215322.50631.671 075.556.45107.50Z-3芝麻3100.60215351.81675.871 150.8010.5539.10Z-4芝麻4150.55215304.58663.811 130.2812.1853.75H-1花生1250.55215358.33663.811 130.283.58119.44H-2花生2200.60215344.00675.871 150.806.8886.00H-3花生3150.45215332.27631.671 075.559.9758.64H-4花生4100.50215322.50649.351 105.6512.9035.83D-1大豆1150.60215406.11675.871 150.804.0671.67D-2大豆2100.55215387.00663.811 130.287.7443.00D-3大豆3250.50215293.18649.351 105.658.8097.73D-4大豆4200.45215286.67631.671 075.5511.4771.67P-1无000.50215430.00649.351 105.65001.3试验方法抗压测试选用型号为JES-2000A型的压力试验机，压力试验机的最大试验力为2 000 kN，精度等级为1级。导热性能试验选用型号为CD-DR3030B的导热系数测试仪2台。抗压测试步骤：检测试件外表，注意试块表层是否具有强烈影响试块抗压强度的问题。检验合格后将试块放在压板上，试块的中央一定要对齐压力机下部压板的正中央，可避免错位；对试块连续均匀加载，混凝土强度等级小于C30，加载速度为0.3~0.5 MPa/s；待试件被破坏，压力机读数不再增加时，记录荷载。试验完成后关闭电源、清理现场。试验压力机如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.01.010.F001图1压力试验机导热系数测试步骤：试块脱模后置于烘干箱中，进行加热烘烤，设温度为100 ℃，烘干至恒重。试块烘干处理后，静置到自身温度为293.15 K（室温），使用导热测试仪进行测试；测得理想数据，记录试验数据并整理试验设备。导热系数测试仪如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.01.010.F002图2导热系数测试仪2性能测试结果与分析2.1秸秆-粉煤灰混凝土材料正交试验结果试验目为选取抗压强度超过20 MPa、导热系数较小的新型秸秆混凝土。选择极差和方差分析法对抗压性能和导热系数进行分析，探究4个因素对两个响应指标的显著程度，并计算试验误差大小，根据研究的结果分析同时满足抗压强度等级且导热系数最小的最优配合比。秸秆-混凝土砌块正交试验结果如表4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.01.010.T004表4秸秆-混凝土砌块正交试验结果试验编号秸秆材料秸秆掺量/%粉煤灰掺量/%水胶比抗压强度/MPa导热系数/[W/(m·K)]Y-1油菜1100.4535.490.752Y-2油菜2150.5028.570.674Y-3油菜3200.5522.260.552Y-4油菜4250.6017.790.483Z-1芝麻1200.5030.330.687Z-2芝麻2250.4525.910.587Z-3芝麻3100.6018.860.493Z-4芝麻4150.5510.870.411H-1花生1250.5517.890.487H-2花生2200.6014.470.459H-3花生3150.4510.250.406H-4花生4100.505.090.342D-1大豆1150.6023.570.621D-2大豆2100.5520.340.524D-3大豆3250.5012.560.437D-4大豆4200.458.090.387P-1无000.5041.341.290由表4可知，普通硅酸盐混凝土材料的导热系数最大。秸秆混凝土材料组，随着秸秆掺量的增加，秸秆混凝土砌块的抗压强度减小，导热系数减小。满足C20抗压强度等级的组分别为Y-1、Y-2、Y-3、Z-1、Z-2、D-1、D-2、P-1。以油菜秸秆组为例，秸秆掺量为1%时，油菜秸秆混凝土砌块抗压强度最大，导热系数最小。与P-1相比，Y-1、Y-2、Y-3的导热系数分别减小41.7%、47.8%、57.2%，秸秆粉煤灰混凝土材料保温性能较优，符合要求。2.2正交试验的强度结果直观分析R可以描述单个因素抗压强度的不同程度的离散性。离散性表明了抗压强度的重要性。极差越大抗压强度受因素水平的影响越大，反之亦然[9]。正交试验的抗压强度极差分析如表5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.01.010.T005表5正交试验的抗压强度极差分析试验编号秸秆材料秸秆掺量/%粉煤灰掺量/%水胶比抗压强度/MPaY-1油菜1100.4535.49Y-2油菜2150.5028.57Y-3油菜3200.5522.26Y-4油菜4250.6017.79Z-1芝麻1200.5030.33Z-2芝麻2250.4525.91Z-3芝麻3100.6018.86Z-4芝麻4150.5510.87H-1花生1250.5517.89H-2花生2200.6014.47H-3花生3150.4510.25H-4花生4100.505.09D-1大豆1150.6023.57D-2大豆2100.5520.34D-3大豆3250.5012.56D-4大豆4200.458.09k126.0326.8219.9519.94k221.4922.3218.3219.14k311.9315.9818.7917.84k416.1410.4918.5618.70R14.1016.341.632.10由表5可知，秸秆掺量对秸秆混凝土抗压强度的影响最大，其次为秸秆材料、水胶比、粉煤灰掺量。试验要求抗压强度应满足C20，综合分析数据结果，依据每个因素能让k值达到最大为原则，获得更高的抗压强度因素水平组合。秸秆材料为油菜、秸秆掺量为1%、粉煤灰为10%、水胶比为0.45为最优水平。2.3正交试验的导热系数结果直观分析正交试验的导热系数结果极差分析如表6所示。秸秆掺量对秸秆混凝土导热系数的影响最大，影响导热系数的主次顺序为秸秆掺量、秸秆材料、水胶比、粉煤灰掺量。选择导热系数最小的组合，得到最优水平为秸秆材料为花生、掺量为4%、粉煤灰为25%、水胶比为0.55。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.01.010.T006表6正交试验的导热系数结果极差分析试验编号秸秆材料秸秆掺量/%粉煤灰掺量/%水胶比导热系数/[W/(m·K)]Y-1油菜1100.450.752Y-2油菜2150.500.674Y-3油菜3200.550.552Y-4油菜4250.600.483Z-1芝麻1200.500.687Z-2芝麻2250.450.587Z-3芝麻3100.600.493Z-4芝麻4150.550.411H-1花生1250.550.487H-2花生2200.600.459H-3花生3150.450.406H-4花生4100.500.342D-1大豆1150.600.621D-2大豆2100.550.524D-3大豆3250.500.437D-4大豆4200.450.387k10.615 250.636 750.527 750.533 00k20.544 500.561 000.528 000.535 00k30.423 500.472 000.521 250.493 50k40.492 250.405 750.498 500.514 00R0.191 750.231 000.029 500.041 502.4秸秆混凝土粉煤灰材料正交试验的综合分析混凝土的性能分析应同时考虑抗压强度和导热系数，满足C20强度的前提下选择导热系数小的情况，综合分析得出最优水平。结合试验结果得出最优组合为芝麻、秸秆掺量3%、粉煤灰掺量10%、水胶比0.45。此时的材料用量分别为215 kg/m3水、430 kg/m3水泥、631.67 kg/m3砂、1 075.5 kg/m3石、12.9 kg/m3秸秆粉、47.78 kg/m3粉煤灰。3结语（1）抗压强度的考虑因素顺序为秸秆掺量、秸秆材料、水胶比、粉煤灰掺量。最大抗压强度的水平组合为秸秆材料为油菜、秸秆掺量为1%、粉煤灰为10%、水胶比为0.45。（2）墙体满足C20强度时，以油菜为例，掺入秸秆的质量比例为1%、2%、3%时，与普通硅酸盐混凝土相比，秸秆粉煤灰混凝土的导热系数分别减少41.7%、47.8%、57.2%，秸秆混凝土材料的保温性能较优，符合要求。导热系数的考虑因素顺序为秸秆掺量、秸秆材料、水胶比、粉煤灰掺量。最小导热系数的水平组合为花生、秸秆掺量为4%、粉煤灰掺量为25%和水胶比为0.55。（3）对秸秆混凝土正交试验结果进行综合分析，得到满足C20强度的节能最优组合为芝麻、秸秆掺量为2%、粉煤灰掺量为10%、水胶比为0.45，抗压强度为20.12 MPa，导热系数为0.466 W/(m·K)。