堿礦渣混凝土配合比參數(shù)選擇與設(shè)計方法

楊長輝++楊凱++潘群++陳科++朱效宏

摘要：

通過系統(tǒng)研究各配制參數(shù)（如：堿組分、水膠比、膠凝材料用量等）對堿礦渣混凝土28 d抗壓強度的影響，深入分析了28 d抗壓強度分布規(guī)律與方差間的關(guān)系。結(jié)果表明：堿礦渣混凝土28 d抗壓強度符合正態(tài)分布，且與水膠比呈明顯反比關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，提出了適用于堿礦渣混凝土的回歸方程，確定了公式中回歸系數(shù)αa和αb分別為0.796和0.897，得出了堿礦渣混凝土配合比參數(shù)選擇與設(shè)計的具體方法。

關(guān)鍵詞：

堿礦渣混凝土； 抗壓強度； 抗壓強度方差； 回歸分析

Abstract：

This paper examined the effects of crucial parameters， including W/B， binder content， alkali component， on compressive strength of alkaliactivated slag concrete. Based on results obtained， the statistical distribution and variance （standard deviation） of compressive strength results were estimated， and the analysis results from experimental data indicated that the compressive strengths of AASC at the age of 28 day fitted normal distribution and is inversely proportional to the liquidsolid ratio. The relationship between W/B and compressive strength was established through regression analysis， the regression coefficient of formula αa and αb is 0.796 and 0.897 respectively. As such， a simple mix design method for alkaliactivated slag concrete was proposed.

Keywords：

alkaliactivated slag concrete； compressive strength； standard deviation of compressive strength； regression analysis

中國在工業(yè)現(xiàn)代化的進程中每年有超過10億t的工業(yè)廢渣排放，而綜合利用率不足40%，累積存達64億t。這些工業(yè)廢渣大多為低活性鋁硅酸鹽材料，是一類可再利用資源，能夠用于制備不同類型膠凝材料和摻合料[13]。其中，以化學原理設(shè)計制備的無熟料水泥〖XC半字線.tif，JZ〗堿礦渣水泥多年來被受關(guān)注[2，45]?？蒲腥藛T對堿礦渣水泥及混凝土的水化機理、力學性能、變形規(guī)律、耐久性能等諸多方面進行了大量研究，取得了豐碩成果[2， 612]。研究表明，堿礦渣水泥在制備過程中排放的“溫室氣體”僅為普通硅酸鹽水泥的10%，單位產(chǎn)品生產(chǎn)能耗只是傳統(tǒng)水泥的30%左右，同時，該材料具有早強、高強、低水化熱、高抗凍和優(yōu)良的抵抗化學浸蝕的性能，特別適用于Cl-、SO2-4等強腐蝕環(huán)境，例如：大壩工程、防輻射工程、有毒廢棄物的處置與治理等[2， 4， 68]，因此，屬于環(huán)保、低碳、高性能膠凝材料，極具開發(fā)潛力。

然而，由于堿組份種類復雜、各地廢渣種類繁多、質(zhì)量參差不齊，在具體配制時仍無具體依據(jù)可考，導致目前的堿礦渣混凝土配合比設(shè)計方法仍以經(jīng)驗為主，工程用堿礦渣混凝土（尤其是承重結(jié)構(gòu)）還停留在20世紀60年代預制構(gòu)件的水平，已經(jīng)不能滿足實際需求。

本文對堿礦渣混凝土具體的參數(shù)選擇與設(shè)計方法展開了研究。分析了堿礦渣混凝土各配制參數(shù)（如：堿組分、水膠比、膠凝材料用量）對28 d抗壓強度的影響及分布規(guī)律與方差的關(guān)系，提出了基于保羅米公式適用于堿礦渣混凝土的的回歸方程，進而確定了制備堿礦渣混凝土參數(shù)選擇與設(shè)計方法。

1原材料及試驗方法

1.1原材料

礦渣：采用重鋼集團礦渣，振動磨粉磨45 min，比表面積為460 m2/kg，化學成分見表1。試驗時，摻入2.5%緩凝組分[2， 9]。水玻璃原液：采用重慶某化工廠生產(chǎn)的水玻璃，化學成分及性能見表2。氫氧化鈉：標準工業(yè)用氫氧化鈉，純度為99%。細集料：岳陽中砂，細度模數(shù)為2.37。粗集料：歌樂山5～20 mm連續(xù)級配石灰?guī)r碎石，最大粒徑為20 mm?！糉L）〗

1.2試驗方法

研究了堿組分類型、膠凝材料用量和水膠比對堿礦渣混凝土性能的影響?；炷僚浜媳纫姳?，其中，6組混凝土成型30組試件（見表3備注）以評估堿礦渣混凝土強度分布規(guī)律和方差，其余配比成型10組確定水膠比與抗壓強度之間關(guān)系。

堿礦渣混凝土攪拌成型和強度測試按《普通混凝土拌合物性能試驗方法》 （GB/T 50080—2016）和《普通混凝土力學性能試驗方法》（GB/T 50081—2016）規(guī)定進行?；炷翑嚢柰瓿珊螅瑴y試出機塌落度，同時成型抗壓強度試件（100 mm×100 mm×100 mm）。在成型1 d后拆模，將試件移至標養(yǎng)室（溫度：20±2 ℃，相對濕度大于95%），養(yǎng)護28 d時測試抗壓強度。

2試驗結(jié)果與分析

2.1堿礦渣混凝土抗壓強度的分布規(guī)律與樣本方差

在普通混凝土配合比設(shè)計時，設(shè)計前需明確兩個問題：混凝土抗壓強度分布規(guī)律及其波動性（即方差）。對于同批混凝土，通常假設(shè)其強度值是符合正態(tài)分布規(guī)律，方差則一般通過已往數(shù)據(jù)或查表取值。目前，關(guān)于堿礦渣混凝土抗壓強度分布及其方差的報道很少，本文集中研究不同堿組分和水膠比條件下的堿礦渣混凝土強度分布規(guī)律與方差水平、確定方差與抗壓強度之間關(guān)系，共研究了6組混凝土配合比，固定堿當量和礦粉摻量，配制堿礦渣混凝土的堿組分為水玻璃（WG）和NaOH，具體配合比見表3。

圖1給出了不同水膠比條件下水玻璃和NaOH激發(fā)礦渣混凝土強度分布頻率統(tǒng)計圖。從圖中可以看出4個明顯趨勢：1）同水膠比條件下，水玻璃激發(fā)的堿礦渣混凝土抗壓強度要明顯高于NaOH為堿組分（超出25 MPa以上）；2）在兩種堿組分條件下，堿礦渣混凝土抗壓強度都屬正態(tài)分布；3）在堿組分相同條件下，抗壓強度的偏差相近；4）堿組分類型對堿礦渣混凝土抗壓強度偏差有顯著影響，水玻璃激發(fā)要明顯高于NaOH激發(fā)的堿礦渣混凝土。

為檢驗堿礦渣混凝土抗壓強度數(shù)據(jù)分布特性，研究對6組數(shù)據(jù)進行了RyanJoiner正態(tài)分布測驗。由檢驗結(jié)果可知，所有RyanJoiner檢驗值均在099以上（RyanJoiner檢驗值約接近1，樣本約接近正態(tài)分布[13]），同時，p值遠大于0.1閥值，表明6個樣本都滿足正態(tài)分布要求，因此，可認為堿礦渣混凝土抗壓強度屬于正態(tài)分布。

樣本方差是在配合比設(shè)計前需確定的另一主要參數(shù)。圖2給出了堿礦渣混凝土抗壓強度方差和方差的95%置信區(qū)間。根據(jù)圖2數(shù)據(jù)可知，水玻璃為堿組分的堿礦渣混凝土抗壓強度方差約為4.5 MPa，與普通混凝土抗壓強度方差相近；當堿組分為NaOH時，抗壓強度的方差為1.3 MPa，略低于普通混凝土抗壓強度方差[2， 1415]。此外，堿組分相同時，水膠比對堿礦渣混凝土抗壓強度的方差影響并不明顯。這表明堿組分種類不但影響抗壓強度的值，對其波動性影響也十分顯著。水玻璃激發(fā)的堿礦渣混凝土抗壓強度較高可能是導致這一現(xiàn)象的主要原因[2， 14]，另外，本次研究采用的工業(yè)級NaOH，純度較高（>99%），質(zhì)量較為穩(wěn)定，因此，用其所配置混凝土抗壓強度波動性較小。

2.2水膠比和膠凝材料用量對堿礦渣混凝土抗壓強度的影響

在設(shè)計普通硅酸鹽混凝土配合比時，水膠比由配制強度和保羅米公式確定[23， 14]。目前，關(guān)于堿礦渣混凝土計算方法的相關(guān)報道很少，為堿礦渣混凝土配合比設(shè)計提供依據(jù)，應建立堿礦渣混凝土抗壓強度與水膠比之間的定量關(guān)系。本次試驗選擇水玻璃和NaOH兩種堿組分，在3個膠凝材料用量水平上研究5個水膠比堿礦渣混凝土抗壓強度的變化規(guī)律（混凝土具體配合比見表3）。

圖3給出了兩種堿組分在不同水膠比和膠凝材料用量的條件下的抗壓強度。如圖所示，當堿組分相同時，堿礦渣混凝土的抗壓強度隨水膠比增加幾乎呈線性遞減（相關(guān)系數(shù)大于0.85）。對于普通混凝土當水膠比在0.38～0.65范圍內(nèi)，抗壓強度與水膠比同樣存在一個線性區(qū)間[1415]，堿礦渣混凝土也呈現(xiàn)相似規(guī)律。為驗證以上分析的有效性，圖4給出了回歸分析殘差特性。數(shù)據(jù)表明，NaOH激發(fā)混凝土抗壓強度的殘差（5 MPa以內(nèi)）要小于水玻璃激發(fā)組（10 MPa以內(nèi)），這是由于兩組之間方差差異所致（見圖2），而且，殘差基本符合正態(tài)分布且均勻分布在預測值的兩側(cè)，驗證了分析結(jié)果的可靠性。

另外，當膠凝材料用量從350 kg/m3增加至550 kg/m3時，堿礦渣混凝土抗壓強度略有降低（最大降低幅度為7 MPa）。這是由于在保持水膠比不變的前提下，混凝土單方用水量隨膠凝材料用量增加而增加，這加大了硬化后堿礦渣混凝土孔隙率，以至于在高膠凝材料用量時抗壓強度下降。此作用在高水膠比、高膠凝材料用量條件下尤為明顯（如圖3所示）。

研究數(shù)據(jù)表明，盡管抗壓強度與水膠比呈線性關(guān)系，但水玻璃激發(fā)時斜率較大，此外，水玻璃激發(fā)時，抗壓強度與水膠比相關(guān)系數(shù)（0.93）明顯高于NaOH激發(fā)的混凝土（0.85）。綜合考慮樣本方差、抗壓強度隨水膠比變化范圍、抗壓強度與水膠比相關(guān)性，本次研究建議用水玻璃配制承重結(jié)構(gòu)的堿礦渣混凝土。

根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》JGJ 55—2011[16]，混凝土抗壓強度與水膠比間的基本關(guān)系可由式（1）確定。

式中：fcu，0為混凝土配制強度，MPa；W/B為混凝土水膠比；fb為膠凝材料28 d膠砂抗壓強度，MPa；膠凝材料28 d膠砂抗壓強度fb可按現(xiàn)行標準《水泥膠砂強度檢驗方法法》（GB/T17671）實測；αa，αb為回歸系數(shù)。

目前，關(guān)于堿礦渣混凝土的相關(guān)回歸方程并沒有建立。本課題組研究結(jié)果表明[2， 9]，當堿組分為水玻璃、堿當量為5%時，堿礦渣膠砂強度（fb）與52.5普通硅酸鹽膠砂強度相近。根據(jù)式（1）和圖3中所示的測試結(jié)果，對水玻璃激發(fā)的堿礦渣混凝土抗壓數(shù)據(jù)進行非線性回歸分析，確定式（1）中的回歸系數(shù)αa和αb分別為0.796和0.897（注：適用于實配28 d抗壓強度在40～80 MPa之間的堿礦渣混凝土）。

2.3堿礦渣混凝土配合比設(shè)計方法

在擬報批的住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部行業(yè)規(guī)范《堿礦渣混凝土應用技術(shù)規(guī)程》中，堿礦渣混凝土配合比設(shè)計方法與《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》（JGJ 55—2011）[16]中規(guī)定相似，具體步驟如下（公式中參數(shù)的意義與形式參照JGJ 55—2011制定）：

1）確定堿礦渣混凝土配制強度對于堿礦渣混凝土抗壓強度保證率選為95%，因此，實配混凝土抗壓強度可由式（2）確定。

式中：fcu，0為混凝土實配抗壓強度，MPa；fcu，k為混凝土的設(shè)計強度等級值，MPa；σ為混凝土抗壓強度標準差，MPa。

2）確定堿礦渣混凝土抗壓強度標準差（σ）根據(jù)實際情況，可選用以下兩種方法確定堿礦渣混凝土強度標準差（σ）：

（1）當具有近1～3個月的同一品種、同一強度等級混凝土的強度資料，且試件組數(shù)不小于30時，混凝土強度標準差應按式（3）計算。

式中：σ為混凝土強度標準差；fcu，i為第i組的試件強度，MPa；mfcu為n組試件的強度平均值，MPa；n為試件的組數(shù)。

（2）在沒有實測數(shù)據(jù)的情況下，可根據(jù)本次試驗測試結(jié)果1選擇。由水玻璃激發(fā)的堿礦渣混凝土抗壓強度偏差為4.6 MPa（3個水膠比條件下，堿礦渣混凝土抗壓強度方差平均值）。

3）確定堿礦渣膠砂抗壓強度

可根據(jù)堿當量選擇水玻璃激發(fā)堿礦渣膠砂強度（fb）。前期數(shù)據(jù)表明當水玻璃模數(shù)為1.5時，在堿當量為4%情況下，堿礦渣膠砂抗壓強度滿足《水泥膠砂強度檢驗方法法》（GB/T 17671）中42.5級水泥要求，而堿當量增為5%時滿足52.5級要求[ref]。

4）確定堿礦渣混凝土水膠比

根據(jù)實配混凝土抗壓強度和保羅米公式（式（1））確定堿礦渣混凝土初始水膠比。

5）確定堿礦渣混凝土單方用水量

每立方米混凝土用水量應符合《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》（JGJ 55—2011）中的規(guī)定，根據(jù)粗骨料的品種、粒徑及施工要求混凝土稠度，選取單方用水量。

6）確定堿礦渣混凝土單方膠凝材料用量確定單方用水量之后，用式（4）計算膠凝材料用量。

式中：mb0為每立方米礦渣用量，kg/m3；mw0為計算配合比每立方米混凝土的用水量， kg/m3。

7）確定骨料用量堿礦渣混凝土其它配合比參數(shù)，砂率、粗細骨料用量按照《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》（JGJ 55—2011）規(guī)定計算。

堿礦渣混凝土粗、細骨料用量由質(zhì)量法計算，每立方米混凝土拌合物的假定質(zhì)量（kg），可取2 350～2 450 kg/m3。

3結(jié)論

研究了不同配合比參數(shù)（水膠比、堿組分種類、膠凝材料用量）對堿礦渣混凝土抗壓強度分布規(guī)律與方差的影響，得到如下結(jié)論：

1）使用水玻璃或NaOH激發(fā)的堿礦渣混凝土抗壓強度均符合正態(tài)分布。

2）不同堿組分條件下堿礦渣混凝土強度與水膠比呈線性關(guān)系，且殘差均勻分布在預測值兩側(cè)并符合正態(tài)分布，證明堿礦渣混凝土強度與水膠比的線性關(guān)系成立。

3）水玻璃激發(fā)的堿礦渣混凝土質(zhì)量更為穩(wěn)定，其配合比設(shè)計方法可以按照普通混凝土配合比設(shè)計方法進行，回歸公式中的系數(shù)αa和αb分別為0.796和0.897。

論文明確了水玻璃激發(fā)堿礦渣混凝土的水膠比與抗壓強度關(guān)系，計算了方程中回歸常數(shù)（αa和αb），提出了堿礦渣混凝土配合比設(shè)計方法，為《堿礦渣混凝土應用技術(shù)規(guī)程》中關(guān)于混凝土配合比設(shè)計參數(shù)選擇依據(jù)和設(shè)計準則提供了進一步的說明。

參考文獻：

[1] GARTNER E. Industrially interesting approaches to“l(fā)owCO2”cements [J]. Cement and Concrete Research， 2004， 34：14891498.

[2] 蒲心誠. 堿礦渣水泥與混凝土[M]. 北京：科學出版社，2010.

PU X C.Alkaliactivated slag cement and concrete [M].Beijing：Science Press，2010. （in Chinese）

[3] CHOI J I， BANG Y L， RANADE R， et al.Ultrahighductile behavior of a polyethylene fiberreinforced alkaliactivated slagbased composite [J].Cement and Concrete Composites， 2016， 70：153158.

[4] GARCIALODEIRO I， FERNAMANDEZJIMENEZ A， PALOMO A. Variation in hybrid cements over time. Alkaline activation of fly ash–portland cement blends [J]. Cement and Concrete Research， 2013，52：112122.

[5] 殷素紅， 文梓蕓， 余其俊. 堿激發(fā)碳酸鹽礦膠凝材料反應產(chǎn)物的研究[J]. 硅酸鹽學報， 2004，32：311316.

YIN S H， WEN Z Y， YU Q J.Study on reaction products of alkaliactivated carbonatites cementitious matierals [J]. Journal of Chinese Ceramic Society， 2004，32：311316. （in Chinese）

[6] 陳友治， 蒲心誠. 新型堿礦渣混凝土抗凍性研究[J]. 低溫建筑技術(shù)， 1997， 69：56.

CHEN Y Z， PU X C， Research on the frost resistance of a new type of alkalislag concrete [J]. Low Temperature Architecture Technology， 1997， 69：56. （in Chinese）

[7] WANG S D， SCRIVENER K. 29Si and 27Al NMR study of alkaliactivated slag [J]. Cement and Concrete Research， 2003， 33：769774.

[8] NAZER A， PAYA J， BORRACHERO M V， et al. Use of ancient copper slags in Portland cement and alkali activated cement matrices [J]. Journal of Environmental Management， 2015， 167：115123.

[9] 楊長輝， 劉先鋒， 劉建. 堿礦渣水泥及混凝土化學外加劑的研究進展[J]. 混凝土， 2006，198：1718，29.

YANG C H， LIU X F， LIU J.The research progress of chemical admixture for alkaliactivated slag cement and concrete[J]. Concrete， 2006，198：1718，29. （in Chinese）

[10] BERNAL S A， PROVIS J L， GUTIERREZ R M D， et al. Accelerated carbonation testing of alkaliactivated slag/metakaolin blended concretes： effect of exposure conditions [J].Materials and Structures， 2015， 48（3）：653669.

[11] GU Y M， FANG Y H， YOU D， et al. Properties and microstructure of alkaliactivated slag cement cured at below and aboutnormal temperature [J]. Construction and Building Materials， 2015， 79：18.

[12] RASHAD A M. A comprehensive overview about the influence of different additives on the properties of alkaliactivated slag： a guide for civil engineer [J]. Construction and Building Materials， 2013，47： 2953.

[13] GRAYBILL F A， IYER H K. Regression analysis： concepts and applications [M]. Belmout， Calif： Duxbury Press， 1994.

[14] NEVILLE A M. Properties of concrete [M]. 4th ed. Harlow， Pearson Education Ltd，1995.

[15] PU X C. Superhigh strength， high performance concrete [M]. Taylor and Francis Ltd，2011.

[16] 普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程： JGJ55—2011[S]. 北京： 中國建筑工業(yè)出版社，2011.

Specification for mix propotion design of ordinary concrete： JGJ552011[S]. Beijing： China Architecture and Building Press， 2011.