粉煤灰改性柔性混凝土配合比設(shè)計(jì)及力學(xué)性能研究

蔣志光 高玲玲 崔衛(wèi)龍

摘要：為提高改性混凝土的工作性能，基于橡膠陶粒柔性混凝土流動(dòng)性差的特性，通過(guò)9組不同配合比的粉煤灰對(duì)其進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)研究，采用正交試驗(yàn)方法分別進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、抗壓彈性模量和抗折強(qiáng)度分析，得出各個(gè)組分對(duì)力學(xué)性能影響的主次順序，通過(guò)優(yōu)化配比，得出最優(yōu)粉煤灰摻量和橡膠粉含量。在最優(yōu)配合比的基礎(chǔ)上，分析了粉煤灰摻入量對(duì)橡膠陶粒柔性混凝土坍落度和強(qiáng)度的影響，進(jìn)一步分析了干縮性能，確定了最佳粉煤灰的摻入量。結(jié)果顯示，在優(yōu)化條件下所得到的改性混凝土抗壓強(qiáng)度為20.8 MPa，抗折強(qiáng)度為3.4 MPa，抗壓彈性模量為19.2 GPa，滿足使用要求。粉煤灰能較好地改善柔性混凝土的力學(xué)性能，在滿足強(qiáng)度需求的基礎(chǔ)上提高路面的舒適性。

關(guān)鍵詞：復(fù)合建筑材料;粉煤灰;橡膠陶粒柔性混凝土;正交試驗(yàn);力學(xué)性能

中圖分類號(hào)：TU528.41文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Adoi： 10.7535/hbgykj.2019yx01007

JIANG Zhiguang， GAO Lingling， CUI Weilong.Study on optimization and mechanical properties of flexible concrete modified with fly ash[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology，2019，36（1）：36-41.Study on optimization and mechanical properties of

flexible concrete modified with fly ash

JIANG Zhiguang1， GAO Lingling2， CUI Weilong3

（1.Institute of Assets Management， Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang， Hebei 050018， China; 2. School of Civil Engineering， Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuan， Hebei 050018， China;3. Shijiazhuang Metro Company Limited， Shijiazhuang， Hebei 050000， China）

Abstract：In order to improve the working performance of modified concret， and based on the poor fluidity of rubber-ceramsite flexible concrete， nine groups of fly ash with different mixing ratios are tested in laboratory. The compressive strength， compressive elastic modulus and flexural strength are analyzed by orthogonal experimental method， the primary and secondary order of the influence of each component on mechanical properties is obtained， and the optimization is carried out. The optimum amount of fly ash and the optimum rubber powder content are obtained. On the basis of the optimum mix proportion， the influence of fly ash content on the collapse and strength of rubber-ceramsite flexible concrete is studied， the shrinkage properties are analyzed， and the optimum fly ash content is determined. The result shows that the compressive strength reaches 20.8 MPa， compressive elasticity modulus reaches 3.4 MPa， and rupture strength reaches 19.2 GPa， namely the working performance of the modified concrete obtained under optimum condition can meet operating requirement. Fly ash can improve the mechanical property of flexible concrete， and enhance the comfort of road while meeting intensity requirement.

Keywords：composite building materials; fly ash; flexible concrete of rubber ceramsite; orthogonal experiment; mechanical property

隧道中大都以水泥混凝土作為隧道路面材料[1]，但是普通混凝土路面彈模較大、收縮大、易開裂，吸聲降噪性能及抗滑性也較差[2]。為改善路面的使用性能，降低水泥混凝土的脆性，近年來(lái)各國(guó)學(xué)者都進(jìn)行了廣泛研究。FATTUHI和CLARK把橡膠粉加入到水泥基復(fù)合材料中，發(fā)現(xiàn)橡膠粉加入后，混凝土的一些性質(zhì)（抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、密度等）降低，坍落度也降低[3]。OIKONOMOU等[4]首次測(cè)定了用橡膠粉取代部分砂子混合物后的抗氯離子滲透能力，發(fā)現(xiàn)混合物抗氯離子滲透能力有所改善。SUKONTASUKKUL[5]研究發(fā)現(xiàn)，加入橡膠粉的混凝土預(yù)制板的吸聲性比普通混凝土提高很多。陳波等[6]、王鵬[7]、胡曙光等[8]、KAMIL等[9]、王瑞等[10]發(fā)現(xiàn)由于陶粒比混凝土中粗骨料彈模要低很多，加入陶粒后，混凝土彈模會(huì)得到改善，但同時(shí)降低了混凝土的工作性能，拌合物偏干，和易性較差，導(dǎo)致施工質(zhì)量難以控制。葉森[11]、李紅輝[12]、何素芬等[13]對(duì)粉煤灰改性混凝土進(jìn)行了研究，改善了和易性，但降低了抗碳化和抗凍性。本文根據(jù)路面設(shè)計(jì)規(guī)范[14]，在拌合物中加入一定比例的粉煤灰和橡膠，通過(guò)正交試驗(yàn)得出最優(yōu)配合比[15]，分析了不同粉煤灰摻入量對(duì)力學(xué)性能的影響，確定了最佳粉煤灰摻入量，有效提高了改性混凝土的工作性能。

1試驗(yàn)材料及流程

本試驗(yàn)采用P·O 42.5級(jí)水泥（測(cè)定指標(biāo)：細(xì)度為1.2%，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為26.2%，初凝時(shí)間為130 min，終凝時(shí)間為210 min，安定性良好，水泥膠砂強(qiáng)度均符合國(guó)標(biāo)）;粗集料采用由湖北宜昌寶珠陶粒開發(fā)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的900級(jí)碎石型的頁(yè)巖陶粒，粒徑范圍為5～20 mm;細(xì)集料采用普通中砂（表觀密度和堆積密度分別為2 447.3 kg/m3和1 338.6 kg/m3，含泥量和泥塊的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.5%和0.2%）;外加劑選用高效減水劑，減水率為15%～25%;膠粉選用粒徑為20目（0.841 mm）子午胎膠粉。粉煤灰細(xì)度為17.5%，燒失量為6.8%，含水量為0.5%，三氧化硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%，聚合物為羧基丁苯膠乳，其有效成分為64%。

2配合比設(shè)計(jì)

考慮到各材料之間的交互效應(yīng)，本試驗(yàn)參照正交試驗(yàn)的方法，結(jié)合混凝土松散體積法進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，其中每組固定減水劑和膠凝材料用量（粉煤灰等質(zhì)量替代水泥）、砂率（橡膠粉同質(zhì)量替代砂作為細(xì)骨料）及骨料松散總體積，陶粒應(yīng)用900級(jí)碎石型頁(yè)巖陶粒，減水劑為4.2 kg/m3，水泥和粉煤灰質(zhì)量總和為420 kg/m3，砂率為40%，試驗(yàn)粗細(xì)骨料松散狀態(tài)體積系數(shù)取1.25，配合比見表1。選取粉煤灰、橡膠粉摻量、水膠比和聚膠比4個(gè)因素，各因素分別選取3個(gè)水平，其正交設(shè)計(jì)見表2。

3室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)及優(yōu)化

試驗(yàn)結(jié)果見表3，暫不考慮各因素的交互作用。根據(jù)表3的試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度值和抗壓彈性模量值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并進(jìn)行極差分析，結(jié)果見表4。

按照綜合平衡法進(jìn)行最優(yōu)組合分析，由表4和表5可以看出各因素對(duì)抗壓強(qiáng)度、抗壓彈性模量和抗折強(qiáng)度的極差大小次序雖然均為B>A>D>C，但對(duì)指標(biāo)進(jìn)行分析產(chǎn)生的優(yōu)組合并不一致，因此按照權(quán)值概念進(jìn)行綜合分析。對(duì)于首要因素B，B3較B1抗壓強(qiáng)度降低了37%，抗折強(qiáng)度降低了33%，抗壓彈性模量降低了24%?？紤]本文主要目的是在滿足強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，強(qiáng)調(diào)低彈性模量的橡膠陶粒柔性混凝土的設(shè)計(jì)，故因素B選為B3。對(duì)于因素A，A2較A3抗壓強(qiáng)度提高了22%，抗折強(qiáng)度提高了20%，而抗壓彈性模量?jī)H提高了12%，綜合考慮，因素A選定為A2。對(duì)于次要因素C，C2較C1抗壓強(qiáng)度提高了0.4%，而抗壓彈性模量提高了1.5%，故因素C選為C1。D取D2。

終極優(yōu)化組合為A2 B3 C1 D3，即粉煤灰摻量取42 kg/m3，橡膠粉含量取60 kg/m3，聚膠比取2%，水膠比取0.42。

3.1粉煤灰對(duì)坍落度的影響

以表3中f組的配合比為基準(zhǔn)，粉煤灰以10%的的摻量遞增，研究粉煤灰對(duì)坍落度的影響，各組試塊以28 d標(biāo)準(zhǔn)試塊來(lái)試驗(yàn)。試驗(yàn)的5組粉煤灰摻量的坍落度如圖2所示，粉煤灰摻量試驗(yàn)圖如圖3所示。

由圖2和圖3可以看出，粉煤灰取代水泥量為0～20%時(shí)，粉煤灰對(duì)拌合物的坍落度影響較明顯。圖2中曲線呈現(xiàn)快速上升趨勢(shì)。造成這種現(xiàn)象的主要原因是粉煤灰外形為球狀，并且表面光滑致密，分散在混凝土中，對(duì)拌合物起到很好的滾動(dòng)作用，從而合理改善了拌合物的坍落度，如圖3 a）和圖3 b）所示。

取代量過(guò)20%以后，可明顯看出坍落度上升趨勢(shì)相對(duì)緩慢，取代量對(duì)坍落度的影響程度變?nèi)?，但?duì)拌合物的坍落度仍有改善作用，這說(shuō)明摻加粉煤灰在0～40%范圍時(shí)，對(duì)橡膠陶粒柔性混凝土拌合物的坍落度都有改善作用。

3.2粉煤灰對(duì)強(qiáng)度的影響

對(duì)上述配合比中的試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。混凝土強(qiáng)度隨粉煤灰摻量的變化趨勢(shì)如圖4所示。

由圖4可得出，混凝土的強(qiáng)度隨著粉煤灰的摻量變化而變化。雖然從0～10%的強(qiáng)度曲線略有上升，但是從整體趨勢(shì)看，抗壓強(qiáng)度隨著粉煤灰的摻量增加而下降。與未摻入粉煤灰相比，粉煤灰摻量為10%時(shí)，抗壓強(qiáng)度增加3.5%;摻量為20%時(shí)，抗壓強(qiáng)度減少10.9%;摻量為30%時(shí)，抗壓強(qiáng)度減少18.4%;超過(guò)30%時(shí)，抗壓強(qiáng)度減小趨勢(shì)變緩。造成這種現(xiàn)象的主要原因是粉煤灰的逐漸摻入改善了混凝土的和易性，提高了其強(qiáng)度，隨著粉煤灰的增加，替代水泥的數(shù)量越來(lái)越多，導(dǎo)致其強(qiáng)度下降。從整體來(lái)看，粉煤灰摻量在10%時(shí)橡膠陶粒柔性混凝土的抗壓強(qiáng)度最大，此時(shí)最佳。

3.3粉煤灰對(duì)干縮性能的影響

為了清晰地觀察摻入粉煤灰后橡膠陶粒柔性混凝土的干縮情況，本試驗(yàn)制作了2 m×2 m的板，厚度為100 mm，如圖5所示。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的養(yǎng)護(hù)，觀察其狀態(tài)良好，雖然表面顯得有些粗糙，但沒有明顯裂紋，由此可知按照最優(yōu)配合比摻入粉煤灰對(duì)混凝土的干縮性能影響不大。

3.4極限荷載下的破壞形態(tài)

摻入粉煤灰的橡膠陶粒柔性混凝土的破壞形態(tài)圖見圖6。立方體試塊在抗壓強(qiáng)度測(cè)試后（承受極限抗壓強(qiáng)度荷載之后），試件仍保持原有形狀，裂而不開，吸收沖擊能量的能力強(qiáng)，而不像素混凝土那樣立刻碎裂（甚至散裂）。試件在破壞時(shí)發(fā)出的聲音比較悶，在破壞后能保持一定的完整性。從靜態(tài)抗壓破壞的試驗(yàn)現(xiàn)象可以看出，橡膠陶粒柔性混凝土的抗裂性能得到一定程度提高，韌性隨之增強(qiáng)。

4結(jié)論

通過(guò)對(duì)不同配合比的粉煤灰采用正交試驗(yàn)方法進(jìn)行室內(nèi)研究，分別進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、抗壓彈性模量和抗折強(qiáng)度分析，得出結(jié)論如下。

1）橡膠陶粒柔性混凝土工作性能較差，摻入粉煤灰可對(duì)其改性。

2）通過(guò)試驗(yàn)并對(duì)其配合比優(yōu)化得出摻入粉煤灰最優(yōu)組合的主要材料摻量：粉煤灰摻量為42 kg/m3，水膠比為0.42，橡膠粉含量為60 kg/m3，聚膠比為2%，最終得到的優(yōu)化組合抗壓強(qiáng)度為20.8 MPa，抗折強(qiáng)度為3.4 MPa，抗壓彈性模量為19.2 GPa。

3）粉煤灰的摻入使橡膠陶粒柔性混凝土的坍落度變大，綜合考慮抗壓強(qiáng)度，在10%時(shí)工作性能最佳。粉煤灰的摻入使材料的抗壓彈性模量減小，干縮性能得到明顯改善，同時(shí)極限抗壓強(qiáng)度也有所提高。

本文主要針對(duì)柔性混凝土的力學(xué)性能進(jìn)行了分析，對(duì)其耐久性及層間的連接性能有待作進(jìn)一步的研究。

參考文獻(xiàn)/References：

[1]劉曉. 阻燃溫拌瀝青混合料在隧道路面中的應(yīng)用研究[D].濟(jì)南： 山東大學(xué)， 2012.

LIU Xiao.Research on Application of Flame Retardant Warm-mixed Asphalt Mixture in Tunnel Pavement[D].Jinan： Shandong University，2012.

[2]王振信. 公路隧道安全問(wèn)題初探[J]. 地下工程與隧道， 2003， 13（1）： 1-5.

WANG Zhenxin. Safety analysis of road tunnels[J].Underground Engineering and Tunnels， 2003， 13（1）：1-5.

[3]何維帥. 路用柔性水泥基復(fù)合材料制備與性能研究 [D]. 武漢： 武漢理工大學(xué)， 2008.

HE Weishuai.Fabrication and Properties of Flexible Cement based Compound for Road Surface [D].Wuhan： Wuhan University of Technology，2008.

[4]OIKONOMOU N， MAVRIDOU S. Improvement of chloride ion penetration resistance in cement mortars modified with rubber from worn automobile tires[J]. Cement & Concrete Composites， 2009（4）： 403-407.

[5]SUKONTASUKKUL P. Use of crumb rubber to improve thermal and sound properties of pre-cast concrete panel[J]. Construction and Building Materials， 2009（23）： 1084-1092.

[6]陳波， 張亞梅， 陳勝霞， 等. 橡膠混凝土性能的初步研究[J]. 混凝土， 2004， 25（12）： 37-39.

CHEN Bo，ZHANG Yamei，CHEN Shengxia， et al. Fundamental research of properties of rubberized concretes[J].Concrete，2004， 25（12）： 37-39.

[7]王鵬. 陶?；炷粱玖W(xué)性能的試驗(yàn)研究[D]. 長(zhǎng)沙： 長(zhǎng)沙理工大學(xué)， 2008.

WANG Peng.Experiment Research on the Fundamental Mechanical Behavior of Ceramisite Concrete[D]. Changsha： Changsha University of Science & Technology，2008.

[8]胡曙光， 王發(fā)洲. 輕集料混凝土[M]. 北京： 化學(xué)工業(yè)出版社， 2005.

[9]KAMIL E K， GEORGE B W， HAN Z. Properties of Crumb Rubber Concrete[R]. [S.l.]： [s.n.]， 2004.

[10]王瑞， 林振榮， 謝永亮， 等. 利用SHPB技術(shù)對(duì)橡膠水泥混凝土韌性試驗(yàn)研究[J]. 混凝土與水泥制品， 2010， 37（2）： 13-20.

WANG Rui， LIN Zhenrong， XIE Yongliang， et al. Experimental research on the toughness of with SHPB technology[J].China Concrete and Cement Products， 2010， 37（2）： 13-20.

[11]葉森. 流態(tài)泡沫塑料輕質(zhì)混合土防治橋頭跳車應(yīng)用研究 [D]. 石家莊： 河北科技大學(xué)， 2011.

YE Sen.Applied Research of Bridge-head Bump Prevention by Flowing Expanded Polystyrene Lightweight Mixed Soil[D]. Shijiazhuang： Hebei University of Science & Technology， 2011.

[12]李紅輝. 大摻量粉煤灰高性能混凝土研究[D]. 北京： 北京建筑工程學(xué)院， 2008.

LI Honghui. The Research on High Performance Concrete with High Volume Fly-ash[D]. Beijing： Beijing University of Civil Engineering， 2008.

[13]何素芬， 王干強(qiáng)， 湯濤， 等. 粉煤灰對(duì)混凝土坍落度、強(qiáng)度影響試驗(yàn)研究[J]. 河南建材， 2010， 11（6）： 38-39.

HE Sufen，WANG Ganqiang，TANG Tao，et al. Experimental study on the influence of fly ash on slump and strength of concrete[J].Henan Building Materials，2010， 11（6）： 38-39.

[14]JTG D40—2011，公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[15]魏書華， 王曉軍， 陳雪英. 混凝土受彎構(gòu)件加固中碳纖維的設(shè)計(jì)和應(yīng)用[J]. 河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)， 2011， 32（2）： 77-82.

WEI Shuhua， WANG Xiaojun， CHEN Xueying. Design and application of carbon fiber in reinforcing concrete flexural member[J].? Journal of Hebei University of Science and Technology，2011， 32（2）： 77-82.第36卷第1期河北工業(yè)科技Vol.36，No.1