田間裝配式涵閘混凝土最佳配比試驗(yàn)研究

孫國(guó)梅

(遼寧省喀左縣水利局，遼寧 喀左 122300)

2011年，揚(yáng)州大學(xué)針對(duì)我國(guó)灌區(qū)的實(shí)際需求，研究開發(fā)了一種新型裝配式田間涵閘，這種涵閘具有設(shè)計(jì)方便、構(gòu)件定型化以及便于施工等諸多優(yōu)點(diǎn)[1]。揚(yáng)州大學(xué)的設(shè)計(jì)專利僅從外觀、構(gòu)件型式、擋土墻與底板承插方式等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)和規(guī)定，并未就擋土墻和底板所需要的混凝土強(qiáng)度做出規(guī)定。同時(shí)，涵閘預(yù)制結(jié)構(gòu)如果采用傳統(tǒng)的混凝土材料，則仍舊存在構(gòu)件笨重和裝配不便等問題[2]。因此，為了促進(jìn)該專利迅速轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，本次研究擬依據(jù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度需求，在混凝土中添加粉煤灰、硅粉以及發(fā)泡劑，并研究其最佳配合比，從而為工程運(yùn)用提供技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

本次試驗(yàn)擬采用泡沫混凝土，其主要優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)量輕、耐久性好、易于施工，屬于一種新型多功能水泥基材料[3]。但是，其主要不足是強(qiáng)度低，不能滿足涵閘對(duì)混凝土強(qiáng)度的要求。因此，本次研究中擬在普通泡沫混凝土中加入適量的硅粉和粉煤灰，以有效提高其強(qiáng)度，從而滿足工程設(shè)計(jì)要求。

1.2 試驗(yàn)原料

本次試驗(yàn)選用的水泥為喀左縣恒基水泥制造有限責(zé)任公司生產(chǎn)的“王子山”牌PO42.5普通硅酸鹽水泥，其特征是水化熱低，抗碳化、抗凍、抗腐蝕、耐磨性能優(yōu)良。粉煤灰采用Ⅱ級(jí)粉煤灰，粉煤灰的主要作用是替代水泥，以達(dá)到減少水泥用量、降低工程成本的目的[4]。硅粉為二氧化硅含量為95%，硅粉的摻入可以有效提高膠結(jié)材料的強(qiáng)度，提高水泥漿的抗凍、抗腐蝕、耐磨性能[5]。發(fā)泡劑選用的是山東省華遠(yuǎn)公司生產(chǎn)的復(fù)合發(fā)泡劑，該發(fā)泡劑具有發(fā)泡倍數(shù)高，泡沫細(xì)小均勻、液膜堅(jiān)硬的優(yōu)勢(shì)。粗骨料采用20mm石灰?guī)r碎石。細(xì)骨料為級(jí)配良好的細(xì)沙，細(xì)度模數(shù)小于2mm，含泥量小于3%。水選用普通自來(lái)水。減水劑為萘系高效減水劑。

1.3 配合比設(shè)計(jì)

為了研究添加粉煤灰、硅粉后的發(fā)泡混凝土的具體性能，本次研究擬采用正交試驗(yàn)的方式進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，鑒于規(guī)劃試驗(yàn)因素為粉煤灰、硅粉和發(fā)泡劑，因此采用三因素、三水平正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)。結(jié)合相關(guān)研究成果，一般粉煤灰的摻量范圍為10.0%～30.0%，硅粉的摻量為3.0%～9.0%，發(fā)泡劑的摻量范圍為1.0%～2.0%[6]。班次研究采用因素和水平表，見表1。

表1 因素和水平

根據(jù)表1的因素和水平，在水膠比保持不變的情況下，構(gòu)建正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，見表2。

表2 正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

注：表中的數(shù)據(jù)已經(jīng)將單位換算為kg/m3。

2 試驗(yàn)過(guò)程

按照表2的9種正交試驗(yàn)方案，分別制作規(guī)格為200mm×200mm×200mm的81個(gè)混凝土試塊。其中，每個(gè)試驗(yàn)方案按照3、7和28d各取3個(gè)試塊。在試塊制作過(guò)程中，需要將混凝土振搗密實(shí)，做到試塊外觀光潔，沒有麻面蜂窩。在試塊澆筑完畢后，要按照標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件分別養(yǎng)護(hù)3、7和28d。

由于本次試驗(yàn)主要是對(duì)比摻料的不同配合比對(duì)混凝土試塊的容重和強(qiáng)度的影響，因此，按照GB 50107—2010《混凝土強(qiáng)度檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)要求，在達(dá)到規(guī)定養(yǎng)護(hù)時(shí)間后，首先對(duì)3個(gè)試塊的容重進(jìn)行測(cè)量，再利用液壓壓力試驗(yàn)機(jī)對(duì)試塊的破壞荷載進(jìn)行測(cè)試，并將3個(gè)試塊的平均值作為每組試塊的容重和強(qiáng)度的最終試驗(yàn)值[7]。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)所使用的9組81個(gè)混凝土試塊的正交試驗(yàn)結(jié)果見表3。根據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，上述試驗(yàn)結(jié)果均滿足C25混凝土的抗壓強(qiáng)度要求[8]。

3.2 抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律

為了進(jìn)一步研究粉煤灰、硅粉以及發(fā)泡劑對(duì)混凝土試塊抗壓強(qiáng)度的影響，對(duì)9組試塊不同齡期的抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖1所示,見表3。由圖1和表3中的數(shù)據(jù)可知，第3、6、9組試塊的抗壓強(qiáng)度顯著大于其余各組試塊，28d抗壓強(qiáng)度值達(dá)到了31.6MPa，究其原因，主要是這3組試塊中硅粉的摻量最大，顯著提高了混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果

因此，在添加硅粉的主要作用是提升混凝土的抗壓強(qiáng)度，確保泡沫混凝土能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。第3、5、7組混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度相對(duì)較小，3d抗壓強(qiáng)度最小值僅為26.5MPa，但是3d以后抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)較快，究其原因，主要是發(fā)泡劑的摻量較大。雖然發(fā)泡劑是泡沫混凝土的關(guān)鍵摻入物，但是會(huì)顯著降低混凝土本身的早期強(qiáng)度，同時(shí)摻入量越大，強(qiáng)度就越低。第7、8、9三組試塊的早期抗壓強(qiáng)度最小，3d抗壓強(qiáng)度最小值為11.5MPa，最大值也僅為15.8MPa，但是后期強(qiáng)度增長(zhǎng)較為明顯。究其原因，主要是這3組試塊摻入的粉煤灰比例最大，導(dǎo)致試塊早期強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢。摻入粉煤灰的主要作用是替代水泥用量，降低生產(chǎn)成本，對(duì)提高混凝土早期強(qiáng)度作用不明顯，但是其水化物可以有效填充水泥顆粒之間的微小間隙，可以提高泡沫混凝土的后期強(qiáng)度。

圖1 試塊抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律示意圖

3.3 極差分析

粉煤灰、硅粉和發(fā)泡劑的不同摻量均會(huì)影響泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度和容重，通過(guò)極差分析可以確定3個(gè)因素的影響次序，以便獲得最佳配合比。通過(guò)極差分析，獲得如圖2所示的各因素與容重關(guān)系圖和如圖3所示的各因素與抗壓強(qiáng)度關(guān)系圖。

圖2 各因素與容重關(guān)系

圖3 各因素與抗壓強(qiáng)度關(guān)系

從圖2—3可知，隨著粉煤灰摻入量的增加，泡沫混凝土的容重會(huì)呈現(xiàn)出不斷降低的特征，抗壓強(qiáng)度則呈現(xiàn)出先增加后減小的特征。因此，在本次試驗(yàn)過(guò)程中，為了保證混凝土試塊的強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，粉煤灰的摻量不宜大于20%；隨著硅粉摻入量的不斷增加，泡沫混凝土的容重會(huì)不斷降低，而抗壓強(qiáng)度的先減小后增大；隨著發(fā)泡劑的摻入量不斷增加，混凝土試塊的容重不斷降低，而試塊的抗壓強(qiáng)度則不斷減小。根據(jù)極差計(jì)算結(jié)果，獲得容重和抗壓強(qiáng)度2個(gè)指標(biāo)下的各因素主次順序，結(jié)果見表4。由表4中的順序可知，對(duì)混凝土試塊的容重，最佳配合比應(yīng)該為A3B3C3；對(duì)混凝土試塊28d抗壓強(qiáng)度而言，最佳配合比應(yīng)該為A2B3C1。

表4 各因素主次順序

3.4 最優(yōu)配合比的確定

由上節(jié)的極差分析結(jié)果可知，混凝土試塊容重和28d強(qiáng)度所要求的配合比并不相同，因此，有必要依據(jù)指標(biāo)的主次順序，予以綜合考慮，以確定最佳配合比。以A因素為例，其對(duì)混凝土試塊的容重的影響最大，而對(duì)28d抗壓強(qiáng)度的影響排第二位。因此，對(duì)容重而言，選A3最好，對(duì)28d強(qiáng)度，則選A2最好。因此，有必要通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)一步分析選A2還是A3。由試驗(yàn)結(jié)果可知，以A2為基準(zhǔn)時(shí)，混凝土容重比取A3時(shí)增加7.8%，計(jì)算過(guò)程如下：

[(1920+1850+1970)-(1700+1820+1770)]/(1920+1850+1970)=7.8%

按照類似的方法，計(jì)算獲得A因素綜合平衡表，見表5。由表5可知，對(duì)于有利部分和不利部分都有A2>A3，同時(shí)，隨著A因素，也就是粉煤灰摻量的增加，28d強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增加，后減小的特征，因此，為了獲得抗壓強(qiáng)度更高的混凝土，推薦選擇A2。

表5 A因素綜合平衡

對(duì)B因素而言，其對(duì)容重的影響最小，對(duì)28d抗壓強(qiáng)度影響排在第二位，而從初選的最優(yōu)水平組合結(jié)果來(lái)看，均為B3最好。因此，對(duì)B因素，推薦選擇B3配合比。

對(duì)C因素而言，其對(duì)容重的影響排在第二位，應(yīng)選擇C3為好，對(duì)28d抗壓強(qiáng)度的影響排在第一位，應(yīng)選擇C1為好。因選擇結(jié)果不一致，故采取同樣的方法，計(jì)算獲得C因素的綜合平衡表，結(jié)果見表6。由表6可知，對(duì)于有利部分C1>C3；對(duì)于不利部分C3>C1，因此推薦選擇C1方案。

綜上所述，本次試驗(yàn)獲得的泡沫混凝土最佳配合比應(yīng)該為A2B3C1，也就是摻入粉煤灰20%，摻入硅粉9%，摻入發(fā)泡劑1%。

表6 C因素綜合平衡

4 結(jié)語(yǔ)

本文以裝配式田間涵閘為例，通過(guò)試驗(yàn)法研究了在混凝土中添加粉煤灰、硅粉以及發(fā)泡劑的最佳配合比。通過(guò)9組正交試驗(yàn)方案，最終確定了摻入粉煤灰20%，摻入硅粉9%，摻入發(fā)泡劑1%的最佳配合比方案。采用相同的材料和方法，按照上述配合比重新制作3組試塊，對(duì)試驗(yàn)結(jié)論進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果顯示，采用該配合比的試塊，與標(biāo)準(zhǔn)混凝土相比，容重降低約17.3%，抗壓強(qiáng)度提升約18.1%，具有顯著的工程應(yīng)用價(jià)值。