基于正交試驗(yàn)C70山砂混凝土的配和比設(shè)計(jì)

楊 方，申 波*，李友彬，劉 軼，項(xiàng)秋展

(1．貴州大學(xué) 空間結(jié)構(gòu)研究中心，貴州 貴陽 550003；2．貴州省結(jié)構(gòu)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽 550025；3．貴州大學(xué) 土木工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

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(jí)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(jí)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(jí)配配制了C90混凝土，研究了0%～7%石粉含量對(duì)機(jī)制山砂的影響，表明一定量的石粉對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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、微硅粉和粒化高爐礦渣取代同質(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)?；谧顑?yōu)配合比參數(shù)，研究了山砂3%～15%石粉含量對(duì)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。

表1 水泥的物理力學(xué)性能Tab.1 Physical and mechanical performance of cement

(2)礦物摻和料

粉煤灰：河南某公司生產(chǎn)的Ⅰ級(jí)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(jí)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(cè)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(jí)配指標(biāo)見表2。由于原始粗骨料級(jí)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。

表2 細(xì)骨料的檢驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Test results of fine aggregate

(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。混凝土拌合物如圖1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)。

圖1 混凝土拌合物Fig.1 The mixture of concrete

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(cè)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(cè)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。

圖2 抗壓強(qiáng)度加載裝置Fig.2 Loading device for compression strength

抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)測(cè)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(cè)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。

表3 正交表及實(shí)驗(yàn)配合比Tab.3 Orthogonal array and mix proportion

表4 3 d、7 d、28 d抗壓強(qiáng)度實(shí)測(cè)值Tab.4 Measured value of compression strength on the 3 d, 7 d and 28 d MPa

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?礦物摻和料組合摻量>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%。

表5 極差分析結(jié)果Tab.5 The results of range analysis

由極差分析結(jié)果知：首要影響因素是砂率，其對(duì)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(duì)混凝土的耐久性產(chǎn)生不利影響。

圖3 混凝土斷面的孔洞Fig.3 The hole of concrete cut section

3.2 石粉含量對(duì)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。混凝土拌合物的工作性能對(duì)工程的質(zhì)量具有重要影響。因此，研究山砂石粉含量對(duì)混凝土的影響，需將強(qiáng)度和拌合物狀態(tài)作為基本的評(píng)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(shì)，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。

圖4 石粉摻量下拌合物的和易性指標(biāo)Fig.4 The flow performance under different dosage of crusher dust content

圖5 不同石粉摻量下混凝土抗壓強(qiáng)度Fig.5 The concrete compressive strength under different dosage of crusher dust content

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(rùn)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(duì)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%。