基于雙摻技術(shù)混凝土配合比的預(yù)測模型及優(yōu)化設(shè)計

李 超, 楊強斌, 張海裕

(1. 甘肅第三建設(shè)集團(tuán)有限公司 科技研發(fā)中心, 甘肅 蘭州 730030; 2. 重慶文理學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院, 重慶 402160; 3. 甘肅正尚混凝土工程有限公司 技術(shù)檢測中心, 甘肅 蘭州 730050)

傳統(tǒng)的混凝土材料組成僅為水泥、砂、石和水.水泥無替代品,用量較大,混凝土水化熱較高,成本較高,使得資源浪費、污染環(huán)境,混凝土溫度裂縫較多并伴隨著大量含有CO2、SO2、NO2等煙氣排放到大氣中,造成空氣污染；隨著混凝土技術(shù)的不斷發(fā)展和工程設(shè)計需要,粉煤灰單摻配合比、高效減水劑得到廣泛應(yīng)用,粉煤灰代替了部分水泥用量,使得水泥用量有所下降并節(jié)約成本、保護(hù)環(huán)境.但粉煤灰活性指數(shù)相對較低,使得混凝土初期強度增長緩慢,不能滿足混凝土早期拆模要求,影響工程進(jìn)度；近年來,高活性的礦渣粉摻雜到混凝土當(dāng)中,使得混凝土強度得到顯著提高[1-2],逐漸在水泥改性方面得到應(yīng)用,徹底減少了混凝土中水泥的使用量.但礦渣摻量較大時, 早期強度低, 需要足夠的養(yǎng)護(hù)時間, 不適宜于工期緊和冬季施工要求等[2].

“雙摻技術(shù)”技術(shù)的發(fā)展,對提高混凝土強度及其耐久性發(fā)揮了重要作用[3].研究表明,混凝土雙摻技術(shù)的合理設(shè)計不僅能滿足混凝土高強度、耐久性、綠色環(huán)保等性能要求,同時可有效降低水泥使用量,使材料成本大幅降低,能取得較好的經(jīng)濟(jì)效果.

楊艷娟等[4]研究了雙摻粉煤灰和硅灰對透水混凝土力學(xué)性能、有效孔隙率和透水性的影響.結(jié)果表明,適量粉煤灰和硅灰雙摻較這兩種物質(zhì)單摻使混凝土孔隙率、透水性和抗壓強度提高效果更加顯著.劉業(yè)金[5]對混凝土復(fù)摻沸石粉和玻璃粉的研究表明,復(fù)摻沸石粉和玻璃粉能使混凝土的密實度顯著提高、孔隙率顯著降低,沸石粉和玻璃粉復(fù)摻有效改善了骨料與水泥基體的界面結(jié)構(gòu),從而使混凝土的綜合性能顯著提高.

基于目前“雙摻技術(shù)”的研究現(xiàn)狀,以及單摻粉煤灰、礦渣粉對混凝土性能改性的良好表現(xiàn),對粉煤灰、礦渣粉雙摻混凝土的改性進(jìn)行系統(tǒng)研究具有重要的意義.

本文通過粉煤灰、礦渣粉“雙摻技術(shù)”對混凝土性能進(jìn)行改性,建立粉煤灰、礦渣粉雙摻對混凝土強度影響的函數(shù)關(guān)系,對混凝土強度進(jìn)行有效預(yù)控,從而可根據(jù)工程需要配置滿足需求的雙摻技術(shù)混凝土配方.

1 設(shè)計原理及研究方法

混凝土配合比參考JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》[6],根據(jù)強度要求以及“鮑羅米公式”推算進(jìn)行設(shè)計.在不影響混凝土設(shè)計強度和各性能指標(biāo)的前提下,通過單摻、雙摻配合比的適配,研究礦渣粉和粉煤灰摻量對混凝土強度的影響,建立粉煤灰、礦渣粉摻雜對混凝土強度影響的數(shù)學(xué)關(guān)系,根據(jù)雙摻技術(shù)的混凝土力學(xué)性能發(fā)展趨勢,得到相應(yīng)的影響因素,優(yōu)化設(shè)計雙摻技術(shù)的配合比[7],進(jìn)而有效預(yù)控混凝土強度指標(biāo),使水泥用量能夠被大量有效替代,降低材料生產(chǎn)成本,節(jié)約資源,降低能耗和碳排放,保護(hù)生態(tài)環(huán)境.

2 試驗材料

試驗所用的水泥為甘肅省白銀市景泰縣水泥廠壽鹿山牌P·O42.5級普通硅酸鹽水泥,水泥相關(guān)性能見表1.

表1 水泥檢測結(jié)果

試驗所用粉煤灰為蘭州市熱電有限責(zé)任公司所屬電廠Ⅱ級粉煤灰,其主要性能見表2.

表2 粉煤灰料檢測結(jié)果

試驗所用礦渣粉為甘肅建投礦業(yè)永靖礦區(qū)生產(chǎn)的S95級礦渣粉,其主要性能見表3.

表3 礦渣粉檢測結(jié)果

3 實驗結(jié)果及討論

3.1 單摻粉煤灰對混凝土強度的影響

以普通C30混凝土為基料,粉煤灰的摻量設(shè)計從5%至35%變化進(jìn)行適配,研究粉煤灰對混凝土抗壓強度的影響.實驗結(jié)果見表4,根據(jù)實驗結(jié)果繪制粉煤灰摻雜量對混凝土抗壓強度影響的變化曲線,并建立其影響的數(shù)學(xué)模型,如圖1所示.

表4 C30混凝土抗壓強度

圖1 粉煤灰摻量與強度關(guān)系曲線圖Fig.1 Relation curve of fly ash content and strength

由表4和圖1可知,摻雜粉煤灰的混凝土養(yǎng)護(hù)7 d的強度隨著粉煤摻雜量的增加表現(xiàn)為線性降低趨勢,而養(yǎng)護(hù)28 d的強度隨著粉煤灰用量的增加呈現(xiàn)先顯著上升趨勢,但摻雜量超過25%時又呈現(xiàn)降低趨勢,說明粉煤灰摻雜量不易超過25%.各摻量下28 d養(yǎng)護(hù)明顯具有較7 d養(yǎng)護(hù)更高的強度,說明粉煤灰對混凝土后期強度增長有明顯提升作用.這是由于混凝土中水泥早期水化反應(yīng)快,水化熱大,吸水率較高,減少了粉煤灰所需水化反應(yīng)的水分,粉煤灰本身的自凝效應(yīng)較弱,凝結(jié)硬化速度較慢,導(dǎo)致早期強度較低,隨著養(yǎng)護(hù)時間的增加和養(yǎng)護(hù)加強,水化反應(yīng)程度逐漸提高,抗壓強度得到提升.同時,當(dāng)粉煤灰添加到混凝土中,與水泥攪拌均勻時,有效減少了水泥顆粒之間黏結(jié)而使水泥水化反應(yīng)充分進(jìn)行,有效保證了混凝土的硬化,但當(dāng)粉煤灰添加量過量時,反而過量的粉煤灰使水泥的水化反應(yīng)程度降低,固化能力下降,導(dǎo)致抗壓強度反而下降.可見,粉煤灰的摻量對混凝土強度影響比較明顯,應(yīng)嚴(yán)格控制粉煤灰摻量,混凝土中粉煤灰的摻量應(yīng)不大于25%.

對圖1中10%～25%粉煤灰摻雜量下的混凝土強度擬合曲線求解其方程,得到如下公式：

fcf=10.8mf+37.61

(1)

式中：fcf為粉煤灰混凝土強度絕對值，MPa;mf為粉煤灰摻量，%.

再依據(jù)艾紅梅等[8-10]提出的粉煤灰“膠凝系數(shù)β”的概念,結(jié)合上述粉煤灰與強度的關(guān)系,通過等式代換可得出摻入一定量粉煤灰時混凝土強度的預(yù)測值,即：

(2)

式中：fcu為單摻粉煤灰混凝土強度,MPa；mf為粉煤灰摻量,%；Rf為粉煤灰活性指數(shù)；Rc為基準(zhǔn)混凝土抗壓強度,MPa.

在實際應(yīng)用時可利用式(2)進(jìn)行混凝土強度值的預(yù)測.

3.2 礦渣粉摻雜量對混凝土的影響

礦渣粉因其活性指數(shù)較高,近年來通過礦渣粉摻雜改性混凝土性能的研究備受關(guān)注.試驗表明,對混凝土采用礦渣粉單摻能有效提高混凝土強度,但單摻礦渣粉的混凝土和易性較差,且水分損失較快.因此混凝土單摻礦渣粉適用性較差[8].

為后續(xù)雙摻技術(shù)強度預(yù)測模型建立,以膠砂為研究對象,礦渣粉摻量為0～25%時,評估礦渣粉對膠砂強度的影響.以28 d養(yǎng)護(hù)膠砂強度進(jìn)行了統(tǒng)計,具體結(jié)果如圖2所示.

圖2 膠砂強度對比Fig.2 Contrast diagram of mortar strength

由圖2實驗結(jié)果可知,由于礦渣粉活性指數(shù)大于100%,礦渣粉摻雜顯著提高了膠砂強度,但單摻礦渣粉使得混凝土早期強度增長較快,后期強度增長較慢,且根據(jù)研究發(fā)現(xiàn),礦渣粉摻雜的混凝土和易性、保水性較差,易造成混凝土缺水干硬.所以不易在混凝土單摻礦渣粉.

3.3 雙摻條件下礦渣粉對混凝土強度的影響

結(jié)合上述單摻粉煤灰時混凝土強度的變化關(guān)系,以及礦渣粉摻雜對混凝土強度的影響.選擇粉煤灰摻雜量20%,礦渣粉摻雜量為0～25%的條件下對C30混凝土抗壓強度進(jìn)行試驗研究,并建立強度預(yù)測模型,實驗結(jié)果見表5,對實驗結(jié)果進(jìn)行曲線擬合并建立多項式數(shù)學(xué)模型,結(jié)果如圖3所示.

表5 雙摻混凝土抗壓強度

圖3中藍(lán)色曲線為粉煤灰摻量為20%定值時礦渣粉摻量各節(jié)點的混凝土強度值,紅色平滑曲線表示粉煤灰、礦渣粉單項式的和所形成的多項式.

由表5以及圖3可以看出,當(dāng)粉煤灰摻量為20%時,混凝土和易性、保水性增強.摻入礦渣粉對混凝土28 d抗壓強度影響較大,當(dāng)?shù)V渣粉摻雜量不超過15%時,混凝土抗壓強度持續(xù)增長,但當(dāng)其摻雜量超過15%時,強度出現(xiàn)明顯下降趨勢.此時雙摻量總和為35%.對比單摻粉煤灰混凝土,在雙摻總摻量不超過35%情況下,礦渣粉的摻雜使得混凝土抗壓強度提高；對雙摻條件下礦渣粉對混凝土強度影響的趨勢進(jìn)行多項式擬合,發(fā)現(xiàn)在粉煤灰摻雜量一定的條件下,礦渣粉摻量與抗壓強度呈現(xiàn)四次多項式關(guān)系：其回歸后方程如式(3)所示.

圖3 雙摻混凝土抗壓強度影響曲線Fig.3 Influence curve of compressive strength of double-mixed concrete

(3)

式中：fcu為混凝土抗壓強度,MPa；kf為礦渣粉摻雜量,%.

再次對粉煤灰摻量20%,礦渣粉摻雜量為5%～15%條件下的混凝土進(jìn)行試驗,分析礦渣粉摻雜量與強度的關(guān)系,結(jié)果如圖4所示.結(jié)果表明礦渣粉摻雜量與抗壓強度絕對值關(guān)系完全滿足上述關(guān)系式.

結(jié)合圖1和圖4及式(2)和式(3),建立粉煤灰、礦渣粉復(fù)合摻雜對混凝土強度的影響關(guān)系如式(4)所示：

圖4 粉煤灰摻量20%,礦渣粉摻量與混凝土強度曲線圖

(4)

式中：fck為雙摻時混凝土強度絕對值，MPa;mf為粉煤灰摻量，%；kf為礦渣粉摻量，%.

根據(jù)式(2)和式(4),結(jié)合去除小因素的原則[11-14].可以得到雙摻條件下混凝土強度與雙摻摻量之間的關(guān)系如下：

(5)

4 混凝土配合比設(shè)計優(yōu)化及工程驗證

按照普通混凝土配合比,結(jié)合上述單摻粉煤灰、單摻礦渣粉及雙摻粉煤灰、礦渣粉對混凝土強度的函數(shù)關(guān)系,采用雙摻技術(shù)對混凝土配合比進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計.依據(jù)JGJ55—2011標(biāo)準(zhǔn),確定混凝土配制強度,計算水膠比以及用水量[2];在混凝土強度確定基礎(chǔ)上,依據(jù)式(2)確定配制強度下的粉煤灰摻量mf0；再根據(jù)雙摻數(shù)學(xué)模型式(4)和式(5)按強度貢獻(xiàn)最大化確定礦物粉摻量kf0；以C30混凝土為例進(jìn)行計算,確定混凝土配制強度：

fcu,o=fcu,k+1.645σ=38.2

(6)

計算水膠比為

(7)

式中相關(guān)系數(shù)取值可按照J(rèn)GJ55—2011查表取得.

根據(jù)式(6)在確定混凝土強度基礎(chǔ)上,根據(jù)式(2)計算得到粉煤灰摻渣量為mf0=20%.再以對混凝土強度貢獻(xiàn)最大化為依據(jù),按照式(4、5)計算結(jié)果,利用MATLAB計算平臺計算出礦渣粉摻量為kf0=15%.在上述摻雜量基礎(chǔ)上,依據(jù)砂石料的細(xì)度模數(shù),按照最小空隙體積理論進(jìn)行砂石比例的確定,以及適配、調(diào)整、確定雙摻混凝土配合比的外加劑用量.

綜合上述優(yōu)化方案,最終優(yōu)化設(shè)計出如表6所列(雙摻)的摻雜改性后的C30混凝土配合比.

表6 C30混凝土配合比

根據(jù)上述配合比,制備多組試樣,對各試樣力學(xué)性能進(jìn)行了工程現(xiàn)場應(yīng)用驗證,所得數(shù)值見表7.

表7 優(yōu)化后配合比應(yīng)用驗證

由上試驗數(shù)據(jù)可知,通過多次工程實際驗證,28 d保養(yǎng)的抗壓強度和實體回彈強度基本穩(wěn)定,各試件間相對波動幅值較小,說明所建立的雙摻技術(shù)理論模型與實驗結(jié)果相符度較好,采用所建立的雙摻技術(shù)數(shù)學(xué)模型是可行性的.

5 結(jié)論

通過試驗建立粉煤灰、礦渣粉單摻混凝土的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上,建立了粉煤灰、礦渣粉雙摻技術(shù)的混凝土抗壓強度的理論預(yù)測模型,通過工程驗證,根據(jù)模型優(yōu)化配置的混凝土性能穩(wěn)定,完全符合工程實際的需求.所建立的預(yù)測模型在工程中應(yīng)用有效發(fā)揮了粉煤灰、礦渣粉各自性能優(yōu)勢,能最大限度取代混凝土的水泥用量,減少水泥水化產(chǎn)生的CO2、SO2、NO2等氣體所造成大氣污染,最終達(dá)到降低混凝土生產(chǎn)成本,節(jié)約資源目的.