基于正交試驗(yàn)C70山砂混凝土的配和比設(shè)計(jì)

摘 要：山砂原材資源豐富、取材便捷，已廣泛用于普通強(qiáng)度等級的混凝土。山砂表面粗糙、級配差、含泥量大等特點(diǎn)使其在配制高強(qiáng)度混凝土?xí)r具有一定難度。本文采用人工水洗山砂，在固定膠凝材料用量的情況下，考慮砂率、水膠比、 礦物摻和料組合摻量3個(gè)因素，每個(gè)因素考慮3個(gè)水平，找出各因素對混凝土標(biāo)準(zhǔn)齡期抗壓強(qiáng)度的影響，利用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)選混凝土的配合比設(shè)計(jì)參數(shù)?；谧顑?yōu)配合比設(shè)計(jì)參數(shù)，研究山砂石粉含量對高強(qiáng)混凝土和易性和抗壓強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：最佳配合比方案為A1B2C2，機(jī)制山砂中含有7%至10%的石粉能改善混凝土的工作性能和抗壓強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：高強(qiáng)混凝土;正交試驗(yàn)設(shè)計(jì);機(jī)制山砂;石粉含量

中圖分類號(hào)：TU528.31"" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

貴州地區(qū)的河砂存儲(chǔ)量少，資源有限，難以滿足工程建設(shè)的需求量，且外運(yùn)河砂成本高，不宜在大規(guī)模的工程建設(shè)中使用。貴州地處多山的喀斯特巖溶地區(qū)，有分布廣泛的巖石資源。因地制宜采用機(jī)制山砂不僅符合工程建設(shè)的需要，而且機(jī)制山砂取材容易、生產(chǎn)方便，比使用外運(yùn)河砂更加經(jīng)濟(jì)、便捷[1-2]。但機(jī)制山砂具有級配差、多棱角、帶裂隙、石粉含量高等特點(diǎn)，同時(shí)因產(chǎn)地和母巖的差異使機(jī)制山砂的含泥量和強(qiáng)度存在一定差異。

宋偉明等[3]通過調(diào)整機(jī)制砂的級配，采用理論計(jì)算法設(shè)計(jì)配制了C80—C100混凝土。徐立斌等[4]通過調(diào)整機(jī)制山砂的級配配制了C90混凝土，研究了0%～7%石粉含量對機(jī)制山砂的影響，表明一定量的石粉對提高混凝土的強(qiáng)度有益。胡曉曼等 [5]考慮了5%以內(nèi)石粉含量的影響，在使用機(jī)制砂的基礎(chǔ)上利用正交試驗(yàn)方法配制了C80混凝土，對比了河砂混凝土與機(jī)制砂混凝土的特性，表明含5%石粉的機(jī)制山砂混凝土的耐久性優(yōu)于河砂混凝土。石粉是機(jī)制山砂生產(chǎn)中的副產(chǎn)物，文獻(xiàn)[6-12]將石粉作為摻和料摻入混凝土中，研究了其對水化產(chǎn)物的影響，研究表明：摻入一定量的石粉作為外摻材料在一定程度上能夠促進(jìn)膠凝材料的水化反應(yīng)，其不僅能夠改善混凝土的工作性能和耐久性能，而且在一定程度上還提高了混凝土的強(qiáng)度。

在對高強(qiáng)混凝土進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)時(shí)，由于配合比參數(shù)受原材料的影響較大，只能采用規(guī)范指導(dǎo)與經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)相結(jié)合的方法。在經(jīng)驗(yàn)不足且原材料差異較大的情況下，需花費(fèi)大量的時(shí)間成本和經(jīng)濟(jì)成本進(jìn)行試配。因此，需要有科學(xué)的方法來選取配合比的最佳參數(shù)。正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是一種多因素下多水平的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，不僅能夠減少試驗(yàn)次數(shù)，而且能夠全面分析各因素的主次;不僅大大提高了試驗(yàn)的效率，而且還節(jié)約了試驗(yàn)的經(jīng)濟(jì)和時(shí)間成本[13]。

本文利用貴州當(dāng)?shù)厣缴?，通過人工水洗降低石粉含量，采用粉煤灰、微硅粉和?；郀t礦渣取代同質(zhì)量的水泥來配制C70混凝土。采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，選用L9（34）正交表，考慮砂率、水膠比、礦物摻和料的組合摻量3個(gè)因素，每個(gè)因素取3個(gè)水平，利用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法選出最優(yōu)配合比參數(shù)。基于最優(yōu)配合比參數(shù)，研究了山砂3%～15%石粉含量對C70混凝土的工作性能和抗壓強(qiáng)度的影響。

1 試驗(yàn)原材料

（1）水泥：海螺牌P·O42.5水泥，其基本參數(shù)詳見表1。

（2）礦物摻和料

粉煤灰：河南某公司生產(chǎn)的Ⅰ級粉煤灰，需水量比94.5%，燒失量3.03%，三氧化硫含量1.32%，7 d活性指數(shù)大于75%，28 d活性指數(shù)大于85%。微硅粉：比表面積23.25 m2/g，28 d活性指數(shù)97%，燒失量2.05%。

礦渣微粉：S95級礦渣微粉，比表面積472 m2/kg，密度2.84 g/cm3，流動(dòng)度比96%。

（3）骨料：采用貴州本地的機(jī)制山砂，堆積密度1 480 kg/m3。水洗前的石粉含量8%，人工水洗后亞甲藍(lán)測定值（methylene blue， MB）小于1.4，石粉含量為3.3%。Ⅰ 區(qū)粗砂，細(xì)度模數(shù)3.22，具體級配指標(biāo)見表2。由于原始粗骨料級配不良，采用人工復(fù)配的5～20 mm碎石，人工水洗去掉粗骨料表面的石粉，以使水泥漿與骨料有較好的界面粘連性能。

（4）減水劑：北京華石生產(chǎn)的聚羧酸高性能減水劑，減水率大于28%，摻量為膠凝材料的1.2%。

（5）拌和水：貴陽市飲用自來水。

2 試驗(yàn)方法

2.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

基準(zhǔn)配合比采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法確定。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)考慮水膠比、砂率、礦物摻和料組合摻量3個(gè)因素，每個(gè)因素考慮3個(gè)水平，采用L9（34）正交表。根據(jù)《混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》[15]建議并結(jié)合文獻(xiàn)[3-4]，以及考慮膠材用量變化帶來的影響，膠凝材料的用量取600 kg/m3。根據(jù)前期試配的經(jīng)驗(yàn)，A因素為水膠比，其3個(gè)水平分別為0.23、0.25、0.27，B因素為砂率，其3個(gè)水平分別為0.39、0.41、0.43。C因素為礦物摻和料，其3個(gè)水平為礦渣粉、粉煤灰、硅粉3種外摻料的組合摻量。正交表詳見表3。

2.2 混凝土拌和方法及養(yǎng)護(hù)

混凝土拌合物采用60 L強(qiáng)制式攪拌機(jī)攪拌。骨料投入攪拌機(jī)后加入拌合水的1/2，攪拌30 s后投入膠凝材料，繼續(xù)攪拌30 s后將剩余的水全部倒入攪拌機(jī)中，再攪拌30 s后倒入減水劑，攪拌3 min即可出料。出料后在15 min內(nèi)完成塌落度與擴(kuò)展度試驗(yàn)并裝模成型?；炷涟韬衔锶鐖D1所示。試件澆筑24 h后拆模，移入養(yǎng)護(hù)室內(nèi)用土工布覆蓋，灑水養(yǎng)護(hù)。

2.3 混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法

混凝土抗壓強(qiáng)度采用100 mm的立方體試件，分別測其3、7、28 d齡期的抗壓強(qiáng)度。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)以28 d抗壓強(qiáng)度為基本參數(shù)進(jìn)行正交試驗(yàn)分析，每個(gè)試驗(yàn)組澆筑9個(gè)試件?？箟簭?qiáng)度測試采用貴州大學(xué)土木工程學(xué)院的1 000 kN微控電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)，如圖2所示。加載過程中采用連續(xù)加載方式加載，加載速度為1.0 MPa/s，立方體的抗壓強(qiáng)度按下式計(jì)算：

fcc=F/A。

式中：fcc為立方體抗壓強(qiáng)度，MPa;

F為試件的破壞荷載，N;

A為試件的承壓面積，mm2。

抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果精確到0.1 MPa，實(shí)驗(yàn)結(jié)果采用3個(gè)試件的算術(shù)平均值，若3個(gè)實(shí)驗(yàn)值中最大或最小值與中間值的差值超過中間值的15%，則取中間值作為該組試件的強(qiáng)度值，否則該組試驗(yàn)無效。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 正交試驗(yàn)的結(jié)果分析

按表3中的配合比進(jìn)行試件澆筑，在相應(yīng)齡期測3、7、28 d抗壓強(qiáng)度（fcc），試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。由表可知：實(shí)驗(yàn)中3 d抗壓強(qiáng)度均達(dá)到了28 d抗壓強(qiáng)度的48%以上，除第1組與第3組外，其余各組的3 d抗壓強(qiáng)度均達(dá)到了28 d抗壓強(qiáng)度的60%;各試驗(yàn)組7 d抗壓強(qiáng)度均達(dá)到28 d抗壓強(qiáng)度的78%以上，其中第1、3組達(dá)到28 d抗壓強(qiáng)度的78%，第4、6、9組達(dá)到28 d抗壓強(qiáng)度的90%以上，其余各組均達(dá)到了28 d抗壓強(qiáng)度的83%以上。在高強(qiáng)混凝土的配合比中，由于加入了高減水率的減水劑和使用礦物摻和料，使得混凝土在3 d齡期抗壓強(qiáng)度就可達(dá)到28 d齡期的48%以上，在混凝土施工中能夠縮短因混凝土早期強(qiáng)度不夠而產(chǎn)生的施工周期，從而加快工程的施工進(jìn)度。

28 d抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的極差分析結(jié)果如表5所示。由表可知，影響因素的主次順序?yàn)樯奥蔳t;礦物摻和料組合摻量gt;水膠比，最佳的配合比方案為A1B2C2，即水膠比為0.23，砂率為0.41，礦渣粉、粉煤灰、硅粉的摻量分別占膠凝材料總量的20%、10%和8%。

由極差分析結(jié)果知：首要影響因素是砂率，其對抗壓強(qiáng)度的影響最為顯著，其次是礦物摻和料摻量，再者是水膠比。骨料在混凝土中具有骨架支撐的作用，砂率過大使得粗骨料間的間隙填有較多砂漿，減小了粗骨料的骨架作用。同時(shí)，砂漿的強(qiáng)度在一定程度上要比粗骨料的強(qiáng)度小，過多的水泥砂漿則會(huì)降低混凝土的強(qiáng)度。而當(dāng)砂率過低且骨料棱角過多時(shí)，粗骨料間的孔隙未得到有效填充而出現(xiàn)如圖3所示的孔隙或空洞。同時(shí)，在孔隙中填充雖有水泥砂漿，但過少的水泥砂漿和骨料的棱角使得界面粘連性能變差，從而影響混凝土的強(qiáng)度。礦物摻和料摻量具有火山灰效應(yīng)，且顆粒粒徑與粒徑形態(tài)能提高混凝土的流動(dòng)性和致密性。粉煤灰的顆粒呈圓球狀，混凝土中含有一定量的粉煤灰能顯著改善混凝土的流動(dòng)性能。礦粉在提高混凝土強(qiáng)

度的同時(shí)能迅速提高混凝土的早期強(qiáng)度，但摻量過多容易引起泌水。硅粉具有較大的比表面積和火山灰活性，其較小的粒徑可以填充混凝土水泥水化產(chǎn)物內(nèi)部的孔隙，從而改善混凝土的工作性能和提高混凝土的強(qiáng)度，但摻量過多易引起混凝土的收縮開裂，會(huì)對混凝土的耐久性產(chǎn)生不利影響。

3.2 石粉含量對強(qiáng)度與和易性的影響分析

強(qiáng)度作為混凝土的力學(xué)性能指標(biāo)，是保證工程安全的重要因素之一?；炷涟韬衔锏墓ぷ餍阅軐こ痰馁|(zhì)量具有重要影響。因此，研究山砂石粉含量對混凝土的影響，需將強(qiáng)度和拌合物狀態(tài)作為基本的評價(jià)參數(shù)。在選出的配合比參數(shù)下，即水膠比為0.23，砂率為0.41，礦渣粉、粉煤灰、硅粉的摻量

分別占膠凝材料總量的20%、10%和8%，采用等質(zhì)量取代法取代機(jī)制山砂，研究機(jī)制山砂3%、5%、7%、10%、15%石粉含量對高強(qiáng)混凝土和易性以及抗壓強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖4、圖5所示。

由圖4知：以石粉含量為3%的實(shí)驗(yàn)組作為對照組，除15%以外，其余實(shí)驗(yàn)組的塌落度和擴(kuò)展度均有不同程度提高。石粉含量在7%以內(nèi)時(shí)，混凝土的塌落度和擴(kuò)展度與石粉含量呈正相關(guān)關(guān)系;當(dāng)超過7%以后，塌落度和擴(kuò)展度逐漸降低。與對照組相比，石粉含量為7%的混凝土的擴(kuò)展度提高了170 mm，塌落度提高了44 mm;石粉含量為15%的混凝土的擴(kuò)展度下降了30 mm，塌落度下降了10 mm。由此可知，機(jī)制山砂中含5%到10%的石粉有利于混凝土的和易性，超過10%以后和易性逐漸變差，尤其是對擴(kuò)展度的影響最大。

由圖5可知：3 d齡期時(shí)，石粉含量為7%實(shí)驗(yàn)組的抗壓強(qiáng)度最大，比10%實(shí)驗(yàn)驗(yàn)高0.8 MPa。7 d齡期時(shí)，抗壓強(qiáng)度受石粉含量的影響較大，10%實(shí)驗(yàn)組的抗壓強(qiáng)度最大，比3%實(shí)驗(yàn)組提高了27" MPa。28 d齡期時(shí)，含量在10%以內(nèi)時(shí)抗壓強(qiáng)度呈增大趨勢，在3%至7%時(shí)的差別不大，相差在3MPa以內(nèi)，在10%時(shí)達(dá)到了94.3MPa，而在15%時(shí)抗壓強(qiáng)度下降到81 MPa。由此可見采用機(jī)制山砂配制高強(qiáng)混凝土?xí)r含有10%左右的石粉能提高混凝土的抗壓強(qiáng)度。

機(jī)制山砂具有表面粗糙和多棱角的特性，因此其表面存在一定的摩阻力，摩阻力的存在增大了骨料間的滑移阻力。而石粉具有較小的粒徑，其在遇水后具有潤滑作用，且石粉能夠填充漿體間的空隙從而減少空隙間的水分，使得自由水增加進(jìn)而提高混凝土拌合物的流動(dòng)性。石粉具有黏滯性，混凝土拌合物中含量過多則會(huì)消耗部分的拌和水，使混凝土拌合物變稠而流動(dòng)性變差。石粉能夠促進(jìn)水泥的水化反應(yīng)使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加致密從而提高混凝土的強(qiáng)度[16]。綜上可知，機(jī)制山砂中含有7%至10%的石粉有利于混凝土的工作性能和抗壓強(qiáng)度。

4 結(jié)論

（1）利用機(jī)制山砂并外摻礦渣粉、粉煤灰和硅粉3種礦物摻和料配制了C70混凝土。其3 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)齡期強(qiáng)度的48%以上，7 d抗壓強(qiáng)度可達(dá)78%以上，能夠滿足混凝土快硬早強(qiáng)的施工要求。

（2）正交實(shí)驗(yàn)表明：本次正交試驗(yàn)中，砂率對混凝土的強(qiáng)度影響最大，其次是礦物摻和料的組合摻量，再者是水灰比。最佳的配合比方案為A1B2C2。即水膠比為0.23，砂率為0.41，礦渣粉、粉煤灰、硅粉的摻量占膠材總量的20%、10%和8%。

（3）機(jī)制山砂中，7%以內(nèi)的石粉含量有利于改善混凝土的工作性能，超過7%后拌合物的工作性能逐漸變差;當(dāng)石粉含量不超過10%時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度和石粉含量呈正相關(guān)關(guān)系，超過后呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。石粉含量的最佳值為7%～10%。

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（責(zé)任編輯：周曉南）

The Mix Design of" C70" Rock Sand" Concrete Based on Orthogonal Experiment

YANG Fang1，2， SHENG Bo*1，2， LI Youbin3， LIU Yi3， XIANG Qiuzhan3

（1.Space Structures Research Center，Guizhou University，Guiyang 550003，China;2.Guizhou Provincial Key Laboratory of Structural

Engineering，Guiyang 550025，China;3.College of Civil Engineering，Guizhou University，Guiyang 550025，China）

Abstract：

Rock sand can be easily obtained and has been widely used in ordinary strength concrete with abundant raw materials. Making high strength concrete has certain difficulty， as rock sand has many edges and corners，poor grading， high crusher dust content and mud content， etc. In this paper，the mix proportion design parameters of high strength concrete were optimized by using the orthogonal experimental design. In the case of certain cementitious materials，three factors were considered， sand rate， water-binder ratio， combined amount of mineral admixture， three levels of each factor were considered， and the optimal mix proportion design parameters on the compressive strength of concrete was found out. Based on the optimal mix proportion design， the influence of the crusher dust content on flow performance and compressive strength of high strength concrete was studied. The experimental results show that optimal mix proportion design scheme is A1B2C2;rock sand containing 7% to 10% crusher dust content can improve the working performance and compressive strength of high strength concrete made of rock sand.

Key words：

high strength concrete;orthogonal experimental design;sand rock;crusher dust content

收稿日期：2019-11-06

基金項(xiàng)目：貴州省教育廳自然科學(xué)研究資助項(xiàng)目（黔教合KY字[2015]364號(hào)）;貴州省科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目（社會(huì)發(fā)展攻關(guān)）（黔科合SY字[2012]3067）

作者簡介：楊 方（1993-），男，在讀碩士，研究方向：混凝土結(jié)構(gòu)與材料，Email： fh628909@163.com.

通訊作者：申 波，Email： bshen@gzu.edu.cn.