鄉(xiāng)村道路稻殼灰混凝土配合比優(yōu)化

王蘇芹 王紹良 王廣胤

（沈陽工業(yè)大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870）

水泥混凝土路面是我國南方大部分鄉(xiāng)村地區(qū)道路建設(shè)主要路面結(jié)構(gòu)形式。為追求高彎拉強(qiáng)度，在施工中常一味增加水泥量，但這不僅加大了道路建設(shè)的成本，外在實(shí)際施工過程中發(fā)現(xiàn)混凝土流動度過大、膠砂富余過多，導(dǎo)致面層混凝土抗彎拉強(qiáng)度較低。研究發(fā)現(xiàn)，農(nóng)業(yè)廢棄物稻殼灰擁有與硅灰相媲美的火山灰活性，在水泥混凝土中摻入一定量的稻殼灰，能夠一定程度地改善混凝土后期強(qiáng)度和耐久性。而稻殼灰水泥混凝土的組成材料和材料級配將直接影響鄉(xiāng)村路面的使用壽命和經(jīng)濟(jì)性，所以進(jìn)行稻殼灰水泥混凝土配合比設(shè)計(jì)是稻殼灰在鄉(xiāng)村道路工程應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前，水泥混凝土的配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)方法包括正交試驗(yàn)法、響應(yīng)面法、LSSVM—GA模型等。

為減少鄉(xiāng)村道路維修管理以及建設(shè)成本，稻殼灰水泥混凝土不僅要滿足鄉(xiāng)村道路規(guī)范要求的工作性、強(qiáng)度和耐久性能，還應(yīng)具有一定的經(jīng)濟(jì)性。稻殼灰水泥混凝土的較普通水泥混凝土的優(yōu)越性主要來源于兩方面：一是降低水泥用量，減少建設(shè)成本；二是使用農(nóng)業(yè)廢棄物稻殼灰的再利用，大大降低了稻殼灰對環(huán)境、土壤和水源的污染。所以適用于鄉(xiāng)村路面的稻殼灰水泥混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重大意義。本文基于正交試驗(yàn)探討了鄉(xiāng)村稻殼灰水泥混凝土的粗骨料級配、砂率、水灰比、稻殼灰摻量對鄉(xiāng)村道路混凝土性能研究，采用矩陣法對試驗(yàn)結(jié)果的進(jìn)行分析，得出鄉(xiāng)村稻殼灰水泥混凝土路面各評價指標(biāo)隨配合比組成的變化規(guī)律，意在為稻殼灰在道路工程實(shí)際應(yīng)用中的配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考和 建議。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)方法及原理

水泥：普通硅酸鹽水泥，28d抗折強(qiáng)度為7.5MPa。

稻殼灰：經(jīng)過鍋爐房燃燒后得到的稻殼灰，采用行星式球磨機(jī)研磨30min。

集料：細(xì)集料為河砂。粗集料為碎石，粒徑4.75~19mm。集料特性均符合鄉(xiāng)村道路施工要求。

減水劑：高效聚羧酸減水劑，減水率25%，液體，呈黃色透明。

水：普通自來水。

由于混凝土抗彎拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于抗壓強(qiáng)度，所以道路混凝土在行車荷載作用下容易開裂出現(xiàn)斷板。脆性系數(shù)是反映道路混凝土的脆性與變形性能的指標(biāo)，其值為抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度之比，K越小，道路混凝土抵抗變形能力越好。其計(jì)算公式如下：

1.2 配合比及正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 基礎(chǔ)配合比設(shè)計(jì)

在配合比設(shè)計(jì)計(jì)算時，結(jié)合鄉(xiāng)村道路交通狀況實(shí)際和相關(guān)規(guī)范規(guī)定，鄉(xiāng)村道路交通等級為輕，水泥混凝土路面板的設(shè)計(jì)28d彎拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)為4.0MPa。經(jīng)過計(jì)算與試配，確定基礎(chǔ)水灰比0.39，砂率34%，減水劑4%。

1.2.2 配合比正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為探究稻殼灰混凝土在鄉(xiāng)村道路中的應(yīng)用，設(shè)計(jì)四因素三水平的正交試驗(yàn)方案。通過查閱文獻(xiàn)和試配，初步確定水灰比的水平取值，結(jié)合稻殼灰的材料特性，確定了稻殼灰的摻量水平。粗骨料由4.75~9.5mm碎石與9.5~19.5mm碎石按比例混合，根據(jù)粒徑4.75~9.5mm細(xì)骨料在粗集料中的占比情況（25%、35%、45%），構(gòu)建了3種改進(jìn)的粗骨料級配曲線。為突出改良的粗骨料級配的優(yōu)點(diǎn)，砂率采取30%、32%、34%。將粗骨料級配、砂率、稻殼灰摻量（5%、10%、15%）和水灰比（0.35、0.39、0.43）4個因素分別記為A、B、C、D這4個因素，以抗彎拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、坍落度、脆性系數(shù)為指標(biāo)，根據(jù)正交表進(jìn)行方案設(shè)設(shè)計(jì)。正交試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 正交試驗(yàn)結(jié)果

1.3 矩陣分析法

矩陣分析法可以定量、直觀地表述多種要素之間的關(guān)系，優(yōu)選過程客觀，不受主觀因素影響，分析結(jié)果可信度較高。它可以將各因素水平對指標(biāo)的影響以權(quán)重的形式表現(xiàn)出來，確立影響因素的主次順序和最優(yōu)方案。矩陣分析法步驟如下。

（1）建立指標(biāo)層矩陣：對于指標(biāo)矩陣M，強(qiáng)度指標(biāo)是正指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果越大越好，所以取各因素在各水平上試驗(yàn)指標(biāo)的算術(shù)平均值為Kij=kij；脆性系數(shù)指標(biāo)是逆指標(biāo)，是越小越好，則取各因素在各水平上試驗(yàn)指標(biāo)的算術(shù)平均值的倒數(shù)為Kij=1/kij。

式中，α為權(quán)矩陣個數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 極差分析

從現(xiàn)場試驗(yàn)來看，當(dāng)未摻入減水劑時，由于稻殼灰的吸水性導(dǎo)致稻殼灰混凝土流動性很差；摻入一定量的減水劑，道路混凝土的坍落度增加，且9組的稻殼灰混凝土的坍落度差值很小，完全滿足鄉(xiāng)村道路規(guī)范要求，所以本次正交試驗(yàn)主要以強(qiáng)度和脆性系數(shù)為考察指標(biāo)。對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，最優(yōu)配合比為A3B3C2D1。

2.2 矩陣分析

利用極差表，分別建立指標(biāo)層、因素層、水平層矩陣，通過MATLAB軟件計(jì)算各評價指標(biāo)的權(quán)重矩陣和總權(quán)重矩陣，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 權(quán)重表

2.3 權(quán)重分析

2.3.1 抗彎拉強(qiáng)度

從權(quán)重值可以看出，水灰比和砂率是影響鄉(xiāng)村路面混凝土抗彎拉強(qiáng)度的關(guān)鍵因素，其次是粗骨料級配，稻殼灰摻量對面層混凝土的抗彎拉強(qiáng)度影響最?。桓鱾€因素的水平的變化對道路混凝土的抗彎拉強(qiáng)度影響較?。幌啾容^于普通水泥混凝土，鄉(xiāng)村道路稻殼灰混凝土更能滿足鄉(xiāng)村道路對面層混凝土的抗彎拉強(qiáng)度要求。

2.3.2 抗壓強(qiáng)度

各因素對鄉(xiāng)村道路稻殼灰混凝土抗壓強(qiáng)度的權(quán)重大小砂率＞水灰比＞稻殼灰摻量＞粗骨料級配。對于后期強(qiáng)度來說，粗骨料級配和稻殼灰摻量的變化對強(qiáng)度的影響較小，砂率與水灰比水平的變化是關(guān)鍵因素。與普通水泥混凝土不同的是，隨著水灰比的增加，摻稻殼灰的鄉(xiāng)村道路水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度先減小后增加。

2.3.3 脆性系數(shù)

對鄉(xiāng)村道路稻殼灰混凝土變形影響最大的首先是砂率和水灰比，其次是粗骨料級配和稻殼灰摻量。稻殼灰摻量變化對脆性系數(shù)影響最小，其余3個因素的水平變化對脆性系數(shù)影響較大，其中砂率和水灰比變化影響最大。

2.4 配合比優(yōu)化

各因素對摻稻殼灰的鄉(xiāng)村道路稻殼灰混凝土的力學(xué)性能的綜合權(quán)重：B。由此可知，在綜合考慮各個評價指標(biāo)時，應(yīng)優(yōu)先考慮砂和水灰比，其次是粗骨料級配，最后是稻殼灰摻量。綜合考慮，最優(yōu)配合比為4.75~9.5mm粗骨料占比25%，砂率為34，水灰比為0.43，稻殼灰摻量為15%進(jìn)行制作試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28天，測得摻稻殼灰的鄉(xiāng)村道路混凝土28d抗彎拉強(qiáng)度為4.6MPa、抗壓強(qiáng)度為37.3MPa，坍落度為10mm，試驗(yàn)結(jié)果滿足城鎮(zhèn)道路設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)語

（1）分析正交試驗(yàn)結(jié)果可得：在各試驗(yàn)因素的交互作用下，稻殼灰摻量對道路混凝土的坍落度影響最大。由于稻殼灰較強(qiáng)的吸水性，造成混凝土的工作性能大大降低，可以加入一定量的聚羧酸、高效減水劑以解決坍落度不足 問題。

（2）通過矩陣分析得出摻稻殼灰的鄉(xiāng)村道路混凝土的最優(yōu)配合比為4.75~9.5mm粗骨料占比25%，砂率為34%，水灰比為0.43，稻殼灰摻量為15%，按照此配合比制作試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d，進(jìn)行抗彎拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、坍落度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果滿足城鎮(zhèn)道路設(shè)計(jì)要求。

（3）4個因素對摻稻殼灰的鄉(xiāng)村道路混凝土力學(xué)性能綜合影響的顯著程度由高到低依次為砂率、水灰比、粗骨料級配和稻殼灰摻量。