基于正交法的快硬修復(fù)混凝土配合比設(shè)計(jì)

簡(jiǎn)險(xiǎn)峰，許晨陽(yáng)，林輝，王棟民，黃天勇，陳雷

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京），北京 100083）

基于正交法的快硬修復(fù)混凝土配合比設(shè)計(jì)

簡(jiǎn)險(xiǎn)峰，許晨陽(yáng)，林輝，王棟民，黃天勇，陳雷

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京），北京 100083）

本文利用 42.5 硫鋁酸鹽水泥，采用復(fù)合外加劑，加活性摻合材料來配制超早強(qiáng)混凝土，采用正交試驗(yàn)方法，配制出了 2h 抗壓強(qiáng)度達(dá) 30MPa 的路用超早強(qiáng)混凝土。

硫鋁酸鹽水泥；早強(qiáng)；道路搶修；混凝土

0 引言

我國(guó)的高速公路發(fā)展迅速，水泥混凝士路面的發(fā)展也很快。水泥混凝土路面具有剛度大、強(qiáng)度高、承載力強(qiáng)、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)其施工養(yǎng)護(hù)時(shí)間長(zhǎng)也成了制約其發(fā)展的主要因素，因此，開發(fā)施工養(yǎng)護(hù)時(shí)間短、大大提前公路通車時(shí)間的搶修混凝土是一個(gè)極具現(xiàn)實(shí)意義的課題。硅酸鹽水泥因?yàn)闅v史悠久、性能可靠和價(jià)格低廉而得到廣泛的應(yīng)用，但因其凝結(jié)時(shí)間較長(zhǎng)、早期強(qiáng)度發(fā)展較慢等缺點(diǎn)[1]，無法滿足修補(bǔ)、搶修等特種工程。硫鋁酸鹽水泥因?yàn)榫哂锌煊?、早?qiáng)、高強(qiáng)、抗?jié)B、抗凍、耐蝕和粘結(jié)性好等優(yōu)良性能適于在低溫、地下、快速搶修工程，因此應(yīng)用越來越廣泛[1-2]，硫鋁酸鹽水泥與礦物摻合料和其他輔助膠凝材料的配合使用也越來越廣泛[3-4]。本文采用正交試驗(yàn)法研究了硫鋁酸鹽作為快硬修復(fù)混凝土原料在和礦物摻合料互摻時(shí)配制修復(fù)混凝土的最佳配合比。

1 正交試驗(yàn)

為了盡可能提高混凝土超早期的強(qiáng)度，本試驗(yàn)的技術(shù)路線考慮采取下列措施：確定四個(gè)水灰比，摻適量促凝劑，摻硅粉，摻礦粉，使用高效減水劑。促凝劑和硅粉的摻入必然大大影響混凝土的流動(dòng)性，使高效減水劑的減水效果降低，因此，需要在盡量減小水灰比的同時(shí)，找到促凝劑、礦粉、硅粉和高效減水劑的最合理?yè)搅?。試?yàn)采用正交方法設(shè)計(jì)，來尋找上述各量的最佳取值。正交試驗(yàn)以混凝土的坍落度為考核目標(biāo)。

1.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)的選取

1.1.1 抗壓強(qiáng)度與水膠比

按照水灰比定則，混凝土強(qiáng)度與水灰比間存在著反比關(guān)系[5]，水灰比是混凝土強(qiáng)度的最直接決定因素?，F(xiàn)代混凝土，尤其是高強(qiáng)混凝土，大都摻入了硅粉、磨細(xì)礦渣、粉煤灰等礦物質(zhì)摻合料和高效減水劑，所以不同的混凝土，其抗壓強(qiáng)度與水膠比的關(guān)系公式都不一樣。普通混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度是按照其 28 天強(qiáng)度來進(jìn)行設(shè)計(jì)的，以上抗壓強(qiáng)度與水膠比的關(guān)系都是指混凝土 28 天強(qiáng)度與水膠比的關(guān)系。而對(duì)于超早強(qiáng)混凝土，主要是考慮其超早期的強(qiáng)度發(fā)展。按照水灰比定則，水膠比越小混凝土的早期強(qiáng)度發(fā)展越快，并且當(dāng)水灰比低于0.3 時(shí)，即使水灰比降低不多，混凝土的強(qiáng)度與水灰比的關(guān)系將超越線性關(guān)系而顯著提高。因此，初步選擇超早強(qiáng)混凝土的水膠比在 0.3 左右。

1.1.2 用水量和砂率

在水膠比選定的條件下，用水量的多少代表著膠凝材料的用量，也代表著配合比設(shè)計(jì)水平。普通混凝土的用水量主要取決于混凝土坍落度和骨料性質(zhì)。我國(guó)現(xiàn)行混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范中混凝土用水量的取值是依據(jù)混凝土坍落度和石子最大粒徑確定的。超早強(qiáng)混凝土由于摻入高效減水劑和對(duì)混凝土用水量影響很大的硅粉，坍落度的大小在很大程度上由減水劑和硅粉的摻量決定，因而用水量和坍落度已不存在顯著相關(guān)性。骨料性質(zhì)的變幅也很小，對(duì)用水量的影響也不大。按照馮乃謙主編的《實(shí)用混凝土大全》[6]的分類標(biāo)準(zhǔn)，道路混凝土要求高耐久性，同時(shí)為了盡量減少水泥用量，考慮選取單方用水量在 170kg/m3左右。砂率是細(xì)骨料和骨料總量的比值，由于摻硅粉對(duì)其影響不很顯著，同時(shí)考慮摻硅粉后混凝土的粘聚性與保水性都比較良好，因此，以普通混凝土的砂率為依據(jù)，選取較小值（31%）即可。

1.1.3 硅粉和速凝劑摻量

硅粉摻量一般在 5%～10%，內(nèi)摻硅粉在 10% 時(shí)，增強(qiáng)效果最顯著，摻量增至 15% 時(shí)，增強(qiáng)效果呈下降趨勢(shì)，因此，從增強(qiáng)效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)角度考慮，硅粉摻量應(yīng)該在 10% 左右。根據(jù)復(fù)合外加劑與摻合料對(duì)水泥漿凝結(jié)時(shí)間的影響的實(shí)驗(yàn)以及以前的試驗(yàn)結(jié)果，為保證混凝土的凝結(jié)時(shí)間適當(dāng)，選擇速凝劑摻量在 2.5% 左右。

1.2 試探性實(shí)驗(yàn)

為了減小試驗(yàn)的盲目性，在正式實(shí)驗(yàn)前，先按照上述參數(shù)選取的原則，進(jìn)行了試探性實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)采用假定表現(xiàn)密度法進(jìn)行超早強(qiáng)混凝土的條件下，適量考慮高效減水劑在有速凝劑和硅粉情況下的減水效率，選擇單方用水 168kg/m3，水膠比 0.3，砂率 31%，內(nèi)摻硅粉 10%，速凝劑摻量 2.5，利用高效減水劑調(diào)節(jié)混凝土的坍落度在 100～300mm 內(nèi)，高效減水劑摻量 0.65%。得到的混凝土坍落度為 250mm，表觀密度為2460kg/m3。正交試驗(yàn)可以在此配合比的基礎(chǔ)上來尋找最優(yōu)配合比。

1.3 正交試驗(yàn)方案的確定

試驗(yàn)以對(duì)混凝土早期強(qiáng)度影響很大的水膠比、硅粉摻量、礦粉摻量和砂率四因素，在試探性試驗(yàn)的設(shè)計(jì)和結(jié)果的基礎(chǔ)上，每一因素取四個(gè)水平來進(jìn)行正交設(shè)計(jì)，以新拌混凝土的坍落度和擴(kuò)展度為考核指標(biāo)，來尋找超早強(qiáng)混凝土的最佳配合比，其中空列用來驗(yàn)算實(shí)驗(yàn)誤差。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素水平見表 1，選用正交表為 L16(44) ?；炷撂涠?、擴(kuò)展度和 3d 抗強(qiáng)強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果的極差分析過程及結(jié)果見表 2～4。

1.4 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

先對(duì)單指標(biāo)進(jìn)行直觀分析，得出因素的主次和優(yōu)方案（結(jié)果如表 5 所示），并畫出各因素與各指標(biāo)的趨勢(shì)圖（如圖 1）。

表 1 混凝土正交因素設(shè)計(jì)水平

表 2 混凝土坍落度影響因素極差分析 mm

表 3 混凝土擴(kuò)展度影響因素極差分析 mm

表 4 混凝土 3d 抗壓強(qiáng)度影響因素極差分析 MPa

表 5 正交試驗(yàn)結(jié)果

圖 1 各因素與坍落度和擴(kuò)展度的關(guān)系

因素 A-水膠比：從坍落度、擴(kuò)展度和 3d 抗壓強(qiáng)度這三個(gè)綜合評(píng)定指標(biāo)來看它們分別確定出了 0.34、0.36 和 0.32 這三個(gè)水膠比。雖然當(dāng)水膠比為 0.34 和 0.36 時(shí)混凝土的工作性比較好，但是從強(qiáng)度角度考慮，水膠比越低，混凝土的強(qiáng)度就越高，而且當(dāng)水膠比為 0.32 時(shí)混凝土的工作性也是比較好的，所以綜合評(píng)定來說水膠比最后確定為 0.32 為宜。

因素 B-礦粉：礦粉的摻量從坍落度和擴(kuò)展度兩方面評(píng)定最優(yōu)摻量為 20%，從 3d 強(qiáng)度方面來評(píng)定最佳摻量應(yīng)為 0%。但當(dāng)不添加礦粉時(shí)雖然混凝土的 3d 強(qiáng)度有所提高，但由數(shù)據(jù)可以看出強(qiáng)度提高幅度相比添加 20% 礦粉的混凝土的強(qiáng)度而言提高幅度不大，而摻有 20% 的礦粉的混凝土的工作性能是最好的，而且摻有礦粉會(huì)提高混凝土的后期強(qiáng)度，所以綜合評(píng)定確定礦粉的最佳摻量為 20%。

因素 C-硅灰：硅灰摻量從坍落度、擴(kuò)展度和 3d 抗壓強(qiáng)度這三個(gè)綜合評(píng)定指標(biāo)來看它們分別確定摻量為 0%、8% 和3% 這三個(gè)摻量。摻入硅灰后會(huì)有微集料填充效應(yīng)、火山灰效應(yīng)，能夠降低泌水，防止水份在骨料下表面聚集，并且能提高混凝土強(qiáng)度，改善和易性。又因?yàn)樘砑?3% 時(shí)與添加8% 時(shí)的 3 天抗壓強(qiáng)度區(qū)別不大，所以應(yīng)該選 8% 的摻量。

因素 D-砂率：在相同用水量和水灰比下，水泥用量一定，若砂率過小，則漿體不足，不能保證粗集料間有足夠的砂漿填充潤(rùn)滑，粗集料顆粒間的摩擦力較大，拌合物流動(dòng)性較小，坍落度較低；若砂率過大，細(xì)集料比表面積和空隙率增大，在用水量和水泥用量一定時(shí)，需要潤(rùn)濕集料表面的水份和包裹細(xì)集料的水泥漿體顯得不足，水泥漿的潤(rùn)滑作用減弱，細(xì)集料間的摩擦阻力增加，拌合物流動(dòng)性下降。只有砂率適宜時(shí)，砂子不但較好地填充了粗集料間隙，保證石子間有一定厚度的砂漿層潤(rùn)滑，而且也能在水泥漿體一定時(shí)，細(xì)集料有充足的水泥漿包裹潤(rùn)滑，使混凝土拌合物有較好的流動(dòng)性，所以由于以上原因確定選用 0.45 的砂率。

最優(yōu)摻量的確定：從以上分析得出最好的組合條件為A1B4C1D1，即最優(yōu)水膠比為 0.32，最優(yōu)礦粉摻量 20%，最優(yōu)硅灰摻量 8%，最優(yōu)砂率是 0.45。

經(jīng)過以上實(shí)驗(yàn)確定了混凝土摻量的最優(yōu)配比，最后通過促凝劑和緩凝劑調(diào)節(jié)凝結(jié)時(shí)間，即最少具有 15min 的工作性，從而確定了促凝劑的最優(yōu)摻量為 0.2%，緩凝劑的最優(yōu)摻量為0.2%。

1.5 驗(yàn)證性試驗(yàn)

在確定了混凝土的最優(yōu)配方 A1B4C1D1 之后，最后分別用卵石和碎石兩種不同的骨料進(jìn)行了各性能的驗(yàn)證性試驗(yàn)，數(shù)據(jù)如表 6。

表 6 驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)

通過以上數(shù)據(jù)看出，最優(yōu)配方在分別以卵石和碎石作為骨料的試驗(yàn)中其具有良好的工作性，并且它們的 2h 抗壓強(qiáng)度均達(dá)到了 30MPa 的要求。

2 結(jié)束語(yǔ)

道路修復(fù)混凝土的應(yīng)用越來越廣泛，對(duì)于它的要求也越來越高，隨著礦物摻合料的加入以及高效減水劑、促凝劑和緩凝劑的應(yīng)用，各組分的摻量都對(duì)修復(fù)混凝土的性能產(chǎn)生重要影響。通過試驗(yàn)優(yōu)化使得修復(fù)混凝土滿足凝結(jié)時(shí)間快、早期強(qiáng)度高等要求的配合比，即為最佳配合比。

[1] 王來國(guó)，蘆令超，程新．硅酸鹽與硫鋁酸鹽礦物復(fù)合水泥材料的研究進(jìn)展[J]．濟(jì)南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2004, 18(1): 24-27．

[2] 王燕謀，蘇幕珍，張量．硫鋁酸鹽水泥[M]．北京工業(yè)大學(xué)出版社，1992,12:8-12．

[3] 張巨松，周立新，安會(huì)勇，等．摻礦渣的硫鋁酸鹽水泥混凝土的試驗(yàn)研究[J]．混凝土，2003, 4: 40-41．

[4] 張?jiān)骑w，張德成，張鳴，等．摻合料對(duì)硫鋁酸鹽水泥性能的影響[J]．濟(jì)南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006, 20(4): 292-295．

[5] 林宗壽．無機(jī)非金屬材料工學(xué)[M]．武漢：武漢理工大學(xué)出版社， 2006．

[6] 馮乃謙．實(shí)用混凝土大全[M]．科學(xué)出版社，2001．

［通訊地址］北京市海淀區(qū)中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）寶源公寓A1 棟（100083）

Mix optimization of high speed concrete based on orthogonal method

Jian Xianfeng, Xu Chenyang, Lin hui, Wang dongmin, Huang Tianyong, Chen lei
( China University of Mining&Technology, Beijing 100083)

This paper adopts sulfate aluminate cement with compound admixtures and active mixing materials (silicon powder) to prepare ultra early strength of concrete, the super early strength concrete with 30MPa of 2h compressive strength has been prepared by using the orthogonal experiment method.

SAC; early strength; road repairs; concrete

簡(jiǎn)險(xiǎn)峰（1991—），中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）研究生院在讀研究生。