基于正交試驗(yàn)的鋼渣微粉UHPC配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)

陳晟豪 唐咸遠(yuǎn) 馬杰靈 羅杰 唐運(yùn)灼 沈詩(shī)昀 陳如蘋 鄭金蓮

摘 要：為研究鋼渣微粉替代石英粉制備生態(tài)型超高性能混凝土（ultra high performance concrete，UHPC）的配合比，在改進(jìn)的Andreasen-Andersen（modified Andreasen-Andersen，MAA）模型的基礎(chǔ)上，采用正交試驗(yàn)法對(duì)鋼渣微粉UHPC配合比進(jìn)行優(yōu)化，開展其抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、彈性模量等力學(xué)性能測(cè)試，以研究硅灰、鋼渣微粉、河砂和鋼纖維4個(gè)因素?fù)搅繉?duì)鋼渣微粉UHPC各項(xiàng)性能指標(biāo)的影響，進(jìn)而分析各力學(xué)性能指標(biāo)下配合比優(yōu)方案，確定最佳配合比。試驗(yàn)結(jié)果表明：鋼纖維體積摻量對(duì)鋼渣微粉UHPC各項(xiàng)力學(xué)性能影響最為顯著，河砂、鋼渣微粉摻量影響程度較大，硅灰摻量影響程度較小。經(jīng)優(yōu)化后鋼渣微粉UHPC的最佳配合比為：硅灰摻量為418 kg/m3，鋼渣微粉摻量為126 kg/m3，河砂摻量為836 kg/m3，鋼纖維體積摻量為1.5%，制備出的超高性能混凝土坍落度為200 mm，擴(kuò)展度為320 mm，28 d立方體抗壓強(qiáng)度達(dá)到152.0 MPa，具有良好的工作性能和力學(xué)性能，滿足工程設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：鋼渣微粉；超高性能混凝土（UHPC）；modified Andreasen-Andersen模型（MAA模型）；正交試驗(yàn)；配合比優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TU528.062 DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2023.02.008

0 引言

超高性能混凝土（ultra high performance concrete，UHPC）是一種新型水泥基復(fù)合材料，具有超高強(qiáng)度、超高韌性及優(yōu)異耐久性，廣泛應(yīng)用于超高層建筑、大跨橋梁等對(duì)混凝土有特殊要求的結(jié)構(gòu)中[1-2]。UHPC多由高強(qiáng)度水泥+硅灰+石英粉+細(xì)集料+鋼纖維+高效減水劑，再配合特殊的攪拌工藝和養(yǎng)護(hù)方式制得[3-4]，因原材料成本較高、配制難度大等問(wèn)題，導(dǎo)致其工程造價(jià)較高，在一定程度上限制其推廣應(yīng)用。我國(guó)是鋼鐵生產(chǎn)大國(guó)，2020年粗鋼產(chǎn)量超過(guò)1×1010 t，但目前鋼渣的利用率僅為40％左右[5]。由于石英粉多采用天然砂磨細(xì)而成，價(jià)格高且資源緊張，而鋼渣微粉與石英粉的級(jí)配情況及比表面積較為接近，故將鋼渣加工處理后代替石英粉研制超高性能混凝土，制成綠色環(huán)保建筑材料，將有利于提高工業(yè)廢舊物的有效利用，變廢為寶。為降低超高性能混凝土的制備成本，一些研究者提出將工農(nóng)業(yè)廢渣經(jīng)合理加工后摻入U(xiǎn)HPC[6-9]。在摻加鋼渣粉的UHPC研究方面，鄒敏等[10]介紹了鋼渣的物化特性和凝膠性能，認(rèn)為摻入適量的鋼渣粉可有效改善水泥基材的性能；王虹等[11]研究了鋼渣微粉對(duì)UHPC力學(xué)性能的影響，表明了鋼渣微粉可作為膠凝材料制備超高性能混凝土；祖慶賀等[12]通過(guò)將粒度區(qū)間較粗的鋼渣微粉作為摻合料配制UHPC，研究了鋼渣粗粒度區(qū)間對(duì)UHPC性能的影響；唐咸遠(yuǎn)等[13]通過(guò)開展鋼渣微粉替代石英粉配制UHPC的性能影響試驗(yàn)，證明了鋼渣微粉替代石英粉配制UHPC的可行性。

綜上所述，目前大多數(shù)研究多考慮單一因素對(duì)鋼渣微粉超高性能混凝土的影響，并未關(guān)注多種不同原材料摻量組合的改變對(duì)其力學(xué)性能的共同作用。為優(yōu)化鋼渣微粉UHPC配合比，本文在改進(jìn)的Andreasen-Andersen（modified Andreasen-Andersen， MAA）模型的基礎(chǔ)上，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，通過(guò)改變硅灰、鋼渣微粉、河砂和鋼纖維摻量來(lái)制備UHPC，測(cè)試了多種不同原材料摻量變化對(duì)鋼渣微粉UHPC力學(xué)性能的影響，并在極差分析的基礎(chǔ)上，得到了相應(yīng)不同力學(xué)性能指標(biāo)下的配合比優(yōu)方案。該試驗(yàn)在保證鋼渣微粉UHPC施工性能及力學(xué)性能的同時(shí)，期望得出摻加鋼渣微粉作為礦粉配制超高性能混凝土與其他原料的最優(yōu)組合摻量，以設(shè)計(jì)出力學(xué)性能較好、成本較低且減少環(huán)境污染的鋼渣微粉UHPC，推動(dòng)其應(yīng)用與發(fā)展。

1 試驗(yàn)概述

1.1 原材料

水泥選用袋裝P·O42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥；硅灰采用SiO2含量大于93%的灰色粉末硅灰；鋼渣微粉采用摻入18%的II級(jí)粉煤灰，經(jīng)不同粉磨時(shí)間與球磨介質(zhì)獲得，其游離氧化鈣（f-CaO）不超過(guò)1%；河砂為天然河砂，細(xì)度模數(shù)為2.70；鋼纖維選擇直徑為0.22 mm、長(zhǎng)度均為13 mm、抗拉強(qiáng)度為2 500 MPa的平直型鍍銅鋼纖維；減水劑為聚羧酸高效減水劑母液，減水率大于30%；拌合用水選用自來(lái)水。主要材料的基本特性及化學(xué)成分如表1所示。

1.2 原材料級(jí)配及掃描電子顯微鏡分析

天然河砂按建筑用砂進(jìn)行篩分，硅灰、鋼渣微粉、水泥等膠凝材料采用負(fù)壓篩分，級(jí)配篩分曲線如圖1所示。將鋼渣微粉采用掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，簡(jiǎn)稱SEM）進(jìn)行微觀分析，如圖2所示。由圖2可知，在掃描電子顯微鏡下，鋼渣微粉顆粒分布不規(guī)則，沒有特定的形態(tài)，從圖中可以清晰看到礦物結(jié)晶晶體，晶體表面較為光滑平整，其RO相（鋼渣微粉中熔有以FeO、MgO為主及MnO等其他二價(jià)的金屬氧化物形成的廣泛固溶體）結(jié)晶程度較好，表明鋼渣微粉的活性較低，不易與水發(fā)生反應(yīng)。

1.3 基礎(chǔ)配合比設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)依據(jù)最緊密堆積理論進(jìn)行基礎(chǔ)配合比設(shè)計(jì)，采用改進(jìn)的Andreasen-Andersen[14]模型對(duì)鋼渣微粉UHPC的基礎(chǔ)配合比進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算公式如下：

[P（d）=dq-dqmindqmax-dqmin×100% ]. （1）

式中：P（d）為顆粒粒徑小于d的累計(jì)篩余百分比的數(shù)值，單位 %；d為顆粒粒徑的數(shù)值，單位[μm]；[dmax、dmin]為分布體系中最大、最小粒徑的數(shù)值，單位 [μm]；q為粒徑分布模數(shù)的數(shù)值，本文q取0.24。

利用python軟件對(duì)式（1）進(jìn)行建模分析，根據(jù)圖1中不同原材料的顆粒分布曲線及MAA模型目標(biāo)曲線，采用最小二乘法（least squares method，簡(jiǎn)稱LSM）對(duì)原料配比進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)調(diào)整每種材料的比例盡可能讓堆積曲線接近目標(biāo)曲線。計(jì)算得鋼渣微粉UHPC基礎(chǔ)配合比詳見表2。

1.4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)研究硅灰（A）、鋼渣微粉（B）、河砂（C）、鋼纖維（D）4個(gè)主要因素?fù)搅繉?duì)鋼渣微粉超高性能混凝土力學(xué)性能的影響，每個(gè)因素設(shè)定3個(gè)水平。由于全面試驗(yàn)需要做34＝81次試驗(yàn)，故采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)來(lái)減少試驗(yàn)次數(shù)[15]。將L組作為基礎(chǔ)配合比，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行因素水平的增減，根據(jù)L9（34）正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表，共試驗(yàn)了9組配合比。因素與水平設(shè)定如表3所示，正交試驗(yàn)方案見表4。

1.5 制備、養(yǎng)護(hù)及性能測(cè)試

試驗(yàn)時(shí)根據(jù)配合比計(jì)算各組分材料并將其稱量備用。攪拌時(shí)，首先將所有干粉投入到混凝土攪拌機(jī)中攪拌約3 min，隨后將稱量好的水及減水劑均勻加入，攪拌8 min后加入鋼纖維，再攪拌2 min完成UHPC拌合物的制備。

試件在溫度為20 ℃±5 ℃、相對(duì)濕度＞50%的室內(nèi)靜置1 d后拆模并編號(hào)，隨后立即進(jìn)行90 ℃±5 ℃高溫養(yǎng)護(hù)2 d，再進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，當(dāng)達(dá)到測(cè)試齡期（7 d、28 d）時(shí)取出測(cè)試。立方體抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度測(cè)試采用100 mm×100 mm×100 mm尺寸試塊，軸心抗壓強(qiáng)度、彈性模量測(cè)試采用100 mm×100 mm×300 mm棱柱體，抗折強(qiáng)度測(cè)試采用100 mm×100 mm×400 mm棱柱體，嚴(yán)格按力學(xué)性能試驗(yàn)要求進(jìn)行測(cè)試[16]，部分試件測(cè)試圖見圖3。

2 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 立方體抗壓強(qiáng)度

表5為鋼渣微粉超高性能混凝土試件28 d主要力學(xué)性能正交試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果?？箟簭?qiáng)度是評(píng)價(jià)超高性能混凝土質(zhì)量的主要性能指標(biāo)，故將鋼渣微粉UHPC的7 d、28 d立方體抗壓強(qiáng)度繪制成對(duì)比柱狀圖（見圖4）進(jìn)行分析。

由表5及圖4可知：

1）試驗(yàn)組不同配合比鋼渣微粉UHPC試塊7 d立方體抗壓強(qiáng)度均達(dá)到90.0 MPa以上、28 d均達(dá)到100.0 MPa以上。參照《超高性能混凝土基本性能與試驗(yàn)方法》（T/CBMF 37—2018）[17]中120.0 MPa為立方體抗壓強(qiáng)度等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，則T2、T4、T6、T7組試塊達(dá)到要求，若考慮95%強(qiáng)度保證率，則只有T2、T4和T7組符合，其中T7組抗壓強(qiáng)度最高，7 d、28 d抗壓強(qiáng)度分別為123.4 MPa、140.2 MPa。

2）不同配合比鋼渣微粉UHPC立方體抗壓強(qiáng)度相差較大，且較基礎(chǔ)組L均有不同程度降低。其中T3組強(qiáng)度最低，28 d抗壓強(qiáng)度僅為105.8 MPa，相較基礎(chǔ)組L強(qiáng)度下降28.3%；T7組強(qiáng)度下降最小，較L組下降4.9%。這表明原材料配合比對(duì)鋼渣微粉UHPC的影響較大，粒徑不同的原材料無(wú)法達(dá)到內(nèi)部的最大密實(shí)堆積，導(dǎo)致其間距較大，在受力時(shí)容易產(chǎn)生裂縫，進(jìn)而導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度差距較大。

3）不同配合比鋼渣微粉UHPC試塊立方體抗壓強(qiáng)度7 d與28 d比值均穩(wěn)定在0.85～0.90，均值為0.88。由此可見，鋼渣微粉UHPC前期抗壓強(qiáng)度較高。

表6為4種材料因素對(duì)立方體抗壓強(qiáng)度影響的極差分析。由表6可知：

1）7 d、28 d立方體抗壓強(qiáng)度R值大小排序均為：RD>RC>RB>RA，表明各因素對(duì)鋼渣微粉UHPC立方體抗壓強(qiáng)度的影響程度由主到次依次為：D（鋼纖維）、C（河砂）、B（鋼渣微粉）、A（硅灰）。

2）鋼纖維極差（RD）值最大，7 d、28 d的R值分別為52.5 MPa和69.3 MPa，這說(shuō)明鋼纖維摻量對(duì)鋼渣微粉UHPC立方體抗壓強(qiáng)度的影響顯著。7 d的RB、RC值分別為34.5 MPa、36.9 MPa，28 d分別為46.4 MPa、47.5 MPa，兩者相差不大，說(shuō)明河砂和鋼渣微粉摻量對(duì)UHPC立方體抗壓強(qiáng)度影響較大且影響程度相當(dāng)。硅灰摻量7 d、28 d的R值僅為26.7 MPa和25.1 MPa，說(shuō)明硅灰對(duì)鋼渣微粉UHPC立方體抗壓強(qiáng)度影響最小。

3）試驗(yàn)指標(biāo)為鋼渣微粉UHPC立方體抗壓強(qiáng)度時(shí)，指標(biāo)值越大越好，故挑選每個(gè)因素Ki值中最大值所對(duì)應(yīng)的水平組成優(yōu)方案。A因素：K2>K3>K1；B因素：K1>K2>K3；C因素：K2>K3>K1；D因素：K2>K3>K1。因此，在7 d、28 d立方體抗壓強(qiáng)度下的鋼渣微粉UHPC配合比理論優(yōu)方案為A2B1C2D2。

2.2 軸心抗壓強(qiáng)度

超高性能混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，受壓構(gòu)件計(jì)算采用軸心抗壓強(qiáng)度更符合工程實(shí)際應(yīng)用。鋼渣微粉UHPC 28 d軸心抗壓強(qiáng)度與28 d立方體抗壓強(qiáng)度的對(duì)比分析圖如圖5所示，將不同因素對(duì)軸心抗壓強(qiáng)度的影響的極差計(jì)算列至表7。

綜合圖5和表7分析可知：

1）不同配合比試驗(yàn)組鋼渣微粉UHPC 28 d軸心抗壓強(qiáng)度均達(dá)到70.0 MPa以上，平均強(qiáng)度達(dá)到90.6 MPa，其中T7組強(qiáng)度最高，達(dá)到126.9 MPa，是其28 d立方體抗壓強(qiáng)度的90%，說(shuō)明鋼渣微粉UHPC的軸心抗壓強(qiáng)度較高。

2）不同配合比鋼渣微粉UHPC 28 d軸心抗壓強(qiáng)度與其立方體抗壓強(qiáng)度的最大比值為0.90，最小比值為0.68，大部分比值穩(wěn)定在0.68～0.80，均值為0.74。

3）鋼渣微粉UHPC 28 d軸心抗壓強(qiáng)度R值大小排序?yàn)椋篟D>RB>RC>RA，表明各因素對(duì)軸心抗壓強(qiáng)度的影響程度由主到次依次為：D（鋼纖維）、B（鋼渣微粉）、C（河砂）、A（硅灰）。鋼纖維極差（RD）值最大，達(dá)到85.5 MPa，表明鋼纖維摻量對(duì)UHPC的軸心抗壓強(qiáng)度影響顯著，與立方體抗壓強(qiáng)度一致。RB、RC值分別達(dá)到53.9 MPa、41.7 MPa，可見鋼渣微粉、河砂對(duì)鋼渣微粉UHPC的軸心抗壓強(qiáng)度影響較大。RA值最小，僅為37.4 MPa，表明硅灰摻量對(duì)鋼渣微粉UHPC軸心抗壓強(qiáng)度影響較小。

4）試驗(yàn)指標(biāo)為28 d軸心抗壓強(qiáng)度時(shí)，A因素：K2>K3>K1；B因素：K1>K2>K3；C因素：K2>K3>K1；D因素：K2>K3>K1。因此，在28 d軸心抗壓強(qiáng)度下的鋼渣微粉UHPC配合比理論優(yōu)方案為A2B1C2D2，與立方體抗壓強(qiáng)度配合比優(yōu)方案一致。

2.3 劈裂抗拉強(qiáng)度

超高性能混凝土抗拉強(qiáng)度對(duì)于抗開裂性具有重要意義，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中抗拉強(qiáng)度是評(píng)價(jià)混凝土抗裂能力的重要指標(biāo)。鋼渣微粉UHPC抗拉強(qiáng)度采用立方體劈裂抗拉試驗(yàn)來(lái)測(cè)定，28 d劈裂抗拉強(qiáng)度結(jié)果見表5，不同因素水平對(duì)劈裂抗壓強(qiáng)度的影響的極差分析見表8。

綜合表5和表8分析可知：

1）試驗(yàn)組不同配合比鋼渣微粉UHPC 28 d劈裂抗拉強(qiáng)度均達(dá)到8.0 MPa以上，平均劈裂抗拉強(qiáng)度為12.3 MPa，說(shuō)明鋼渣微粉UHPC具有較好的抗裂能力。其中T7組的28 d劈裂抗拉強(qiáng)度最高，為18.0 MPa，達(dá)到其28 d立方體抗壓強(qiáng)度的12.8%。

2）鋼渣微粉UHPC 28 d劈裂抗拉強(qiáng)度R值大小排序?yàn)椋篟D>RB>RC>RA，表明各因素對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度的影響程度由主到次依次為：D（鋼纖維）、B（鋼渣微粉）、C（河砂）、A（硅灰），與28 d軸心抗壓強(qiáng)度影響因素排序一致。

3）鋼纖維極差（RD）值最大，高達(dá)17.7 MPa，表明鋼纖維摻量對(duì)UHPC的劈裂抗拉強(qiáng)度影響顯著。RB值為12.9 MPa，說(shuō)明鋼渣微粉摻量對(duì)UHPC的劈裂抗拉強(qiáng)度影響較大。RC、RA值較小，分別為5.5 MPa、4.4 MPa，可見河砂、硅灰摻量對(duì)鋼渣微粉UHPC的劈裂抗拉強(qiáng)度影響較小。

4）試驗(yàn)指標(biāo)為28 d劈裂抗拉強(qiáng)度時(shí)，A因素：K2>K3>K1；B因素：K1>K3>K2；C因素：K3>K2>K1；D因素：K2>K3>K1。因此，在28 d劈裂抗拉強(qiáng)度下的鋼渣微粉UHPC配合比理論優(yōu)方案為A2B1C3D2。

2.4 抗折強(qiáng)度

抗折強(qiáng)度是超高性能混凝土的一項(xiàng)重要力學(xué)性能指標(biāo)，其大小是否滿足設(shè)計(jì)要求將直接影響到混凝土結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量及其使用壽命。為研究鋼渣微粉UHPC的抗折性能，對(duì)正交試驗(yàn)鋼渣微粉UHPC 28 d抗折強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，其結(jié)果見表5。將不同因素對(duì)抗折強(qiáng)度影響的極差計(jì)算整理至表9。

綜合表5和表9分析可知：

1）試驗(yàn)組不同配合比鋼渣微粉UHPC 28 d抗折強(qiáng)度均達(dá)到11.0 MPa以上，平均抗折強(qiáng)度為15.1 MPa，說(shuō)明鋼渣微粉UHPC具有較強(qiáng)的抗折能力。其中T7組強(qiáng)度最高，28 d抗折強(qiáng)度高達(dá)18.9 MPa，達(dá)到其28 d立方體抗壓強(qiáng)度的13.5%。

2）鋼渣微粉UHPC 28 d抗折強(qiáng)度R值大小排序?yàn)椋篟D>RC>RB>RA，表明各因素對(duì)抗折強(qiáng)度的影響程度由主到次依次為：D（鋼纖維）、C（河砂）、B（鋼渣微粉）、A（硅灰）。

3）鋼纖維的極差（RD）值最大，達(dá)到13.4 MPa，這說(shuō)明鋼纖維摻量對(duì)鋼渣微粉UHPC抗折強(qiáng)度影響顯著。河砂和鋼渣微粉摻量的影響程度次之且較大，極差值分別為10.7 MPa、8.2 MPa。硅灰摻量對(duì)UHPC的抗折強(qiáng)度影響甚微，極差（RA）值僅為2.6 MPa。

4）試驗(yàn)指標(biāo)為28 d抗折強(qiáng)度時(shí)，A因素：K2>K3>K1；B因素：K1>K3>K2；C因素：K2>K3>K1；D因素：K2>K3>K1。因此，在28 d抗折強(qiáng)度下的鋼渣微粉UHPC配合比理論優(yōu)方案為A2B1C2D2。

2.5 彈性模量

超高性能混凝土彈性模量與超高性能混凝土強(qiáng)度密切相關(guān)。為研究鋼渣微粉UHPC的靜力受壓彈性模量，對(duì)正交試驗(yàn)鋼渣微粉UHPC 28 d彈性模量進(jìn)行測(cè)試，其結(jié)果見表5。將不同因素對(duì)彈性模量影響的極差計(jì)算整理至表10。

綜合表5和表10分析可知：

1）試驗(yàn)組不同配合比鋼渣微粉UHPC 28 d靜力受壓彈性模量均達(dá)到40.0 GPa以上，平均值為46.6 GPa，說(shuō)明鋼渣微粉UHPC具有較高的彈性模量。其中T7組彈性模量最高，28 d彈性模量達(dá)到55.6 GPa。

2）鋼渣微粉UHPC 28 d彈性模量R值大小排序?yàn)椋篟D>RC>RB>RA，表明各因素對(duì)UHPC彈性模量的影響程度由主到次依次為：D（鋼纖維）、C（河砂）、B（鋼渣微粉）、A（硅灰）。鋼纖維的極差（RD）值最大，達(dá)到20.0 GPa，說(shuō)明鋼纖維摻量對(duì)鋼渣微粉UHPC彈性模量影響顯著。河砂、鋼渣微粉、硅灰摻量的影響程度也較大，極差值分別為13.2 GPa、12.8 GPa、12.4 GPa。

3）試驗(yàn)指標(biāo)為28 d靜力受壓彈性模量時(shí)，A因素：K3>K2>K1；B因素：K1>K3>K2；C因素：K2>K3>K1；D因素：K2>K3>K1。因此，在28 d抗折強(qiáng)度下的鋼渣微粉UHPC配合比理論優(yōu)方案為A3B1C2D2。

3 最佳配合比確定與性能測(cè)試

采用綜合平衡法[18]分析鋼渣微粉UHPC各因素?fù)搅吭谄渲饕W(xué)性能指標(biāo)下的配合比理論優(yōu)方案，從而確定最佳配合比。

1）硅灰：在立方體抗壓、軸心抗壓、劈裂抗拉及抗折強(qiáng)度指標(biāo)下，硅灰摻量取水平2時(shí)所制備的鋼渣微粉UHPC強(qiáng)度最高；在彈性模量指標(biāo)下硅灰摻量取水平3時(shí)強(qiáng)度最高。由于硅灰摻量在彈性模量指標(biāo)下極差值最小，影響較小，且摻量取水平3相較于水平2，平均彈性模量?jī)H提高了0.06 GPa，提高不明顯，意義不大。因此，硅灰摻量取水平2作為最佳配合比摻量。

2）鋼渣微粉：鋼渣微粉對(duì)于軸心抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度的影響排在第2位，對(duì)于立方體抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度及彈性模量的影響排在第3位，為重要因素，且對(duì)于5個(gè)力學(xué)性能指標(biāo)，鋼渣微粉均取水平1時(shí)所測(cè)指標(biāo)達(dá)到最好，故鋼渣微粉摻量取水平1作為最佳配合比摻量。

3）河砂：河砂對(duì)于立方體抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度及彈性模量的影響均排在第2位，對(duì)于軸心抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度的影響排在第3位，為重要因素。在立方體抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度及彈性模量指標(biāo)下，河砂摻量取水平2時(shí)所制備的鋼渣微粉UHPC強(qiáng)度最高。在劈裂抗拉強(qiáng)度指標(biāo)下河砂摻量取水平3時(shí)強(qiáng)度最高，但相較于水平2，平均劈裂抗拉強(qiáng)度僅提高了1.3 MPa，強(qiáng)度提高不大。綜合以上分析，河砂摻量取水平2作為最佳配合比摻量。

4）鋼纖維：鋼纖維在各力學(xué)性能指標(biāo)下的極差值均最大，為第一影響因素。且對(duì)于5個(gè)力學(xué)性能指標(biāo)，鋼纖維體積摻量均取水平2時(shí)所測(cè)指標(biāo)達(dá)到最大，故鋼纖維體積摻量取水平2作為最佳配合比摻量。

通過(guò)上述分析，得出鋼渣微粉UHPC優(yōu)化調(diào)整后最佳配合比為A2B1C2D2，具體配合比見表11。

為驗(yàn)證優(yōu)化后鋼渣微粉UHPC配合比的合理性，按照最佳配合比方案A2B1C2D2制備鋼渣微粉UHPC，并對(duì)其坍落度、擴(kuò)展度進(jìn)行試驗(yàn)，當(dāng)達(dá)到測(cè)試齡期時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的立方體抗壓強(qiáng)度測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果見表12。

由表12可知，利用最佳配比優(yōu)方案制備的鋼渣微粉UHPC 28 d立方體抗壓強(qiáng)度高達(dá)152.0 MPa，3 d強(qiáng)度即可達(dá)到126.2 MPa，說(shuō)明該最佳配合比設(shè)計(jì)合理，具有良好的力學(xué)性能與工作性能，滿足工程設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

本研究以硅灰、鋼渣微粉、河砂及鋼纖維體積摻量4個(gè)因素，設(shè)計(jì)了L9（34）正交試驗(yàn)，對(duì)鋼渣微粉UHPC的主要力學(xué)性能進(jìn)行了分析，并對(duì)配合比進(jìn)行了優(yōu)化，獲得了最佳配合比，得到以下結(jié)論：

1）鋼渣微粉UHPC 7 d立方體抗壓強(qiáng)度均大于90.0 MPa，28 d均大于100.0 MPa，7 d與28 d抗壓強(qiáng)度的比值均穩(wěn)定在0.85～0.90，均值為0.88，表明鋼渣微粉UHPC能夠在前期形成較高且穩(wěn)定的抗壓強(qiáng)度，采用鋼渣微粉配制生態(tài)型UHPC是可行的。

2）鋼渣微粉UHPC 28 d軸心抗壓強(qiáng)度均達(dá)到70.0 MPa以上，劈裂抗拉強(qiáng)度均達(dá)到8.0 MPa以上，抗折強(qiáng)度均達(dá)到11.0 MPa以上，28 d靜力受壓彈性模量均達(dá)到40.0 GPa以上，可見鋼渣微粉UHPC軸心抗壓強(qiáng)度較高，具有較好的抗裂能力和抗折能力，其彈性模量也較高，表明鋼渣微粉UHPC具有優(yōu)良的力學(xué)性能。

3）正交試驗(yàn)不同配合比鋼渣微粉UHPC抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度及彈性模量均有一定程度變化，各因素?fù)搅康母淖儗?duì)鋼渣微粉UHPC的主要力學(xué)性能有明顯影響。鋼纖維摻量對(duì)鋼渣微粉UHPC各力學(xué)性能影響最為顯著，鋼渣微粉和河砂摻量的影響程度較大，硅灰摻量的影響程度較小。

4）根據(jù)鋼渣微粉UHPC各因素?fù)搅吭谥饕W(xué)性能指標(biāo)下的優(yōu)方案，確定最佳配合比為：硅灰摻量為418 kg/m3，鋼渣微粉摻量為126 kg/m3，河砂摻量為836 kg/m3，鋼纖維體積摻量為1.5%。利用最佳配合比制備的鋼渣微粉UHPC坍落度為200 mm，擴(kuò)展度為320 mm，28 d立方體抗壓強(qiáng)度高達(dá)152.0 MPa，說(shuō)明該最佳配合比設(shè)計(jì)合理，具有良好的工作性能和力學(xué)性能，可為今后鋼渣微粉UHPC的配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)及推廣應(yīng)用提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳寶春，韋建剛，蘇家戰(zhàn)，等.超高性能混凝土應(yīng)用進(jìn)展[J].建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2019，36（2）：10-20.

[2] 邵旭東，樊偉，黃政宇.超高性能混凝土在結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用[J].土木工程學(xué)報(bào)，2021，54（1）：1-13.

[3] 陳競(jìng)，周紅梅，謝正元，等.鋼纖維直徑及組合對(duì)UHPC性能的影響[J].廣西科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2020，31（3）：50-57.

[4] 周紅梅，彭昱翔，陳競(jìng)，等.甲基纖維素醚對(duì)常溫養(yǎng)護(hù)型超高性能混凝土的影響[J].廣西科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2021，32（2）：20-25.

[5] 吳躍東，彭犇，吳龍，等.國(guó)內(nèi)外鋼渣處理與資源化利用技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀綜述[J].環(huán)境工程，2021，39（1）：161-165.

[6] YANG R，YU R，SHUI Z H，et al. Low carbon design of an ultra-high performance concrete （UHPC） incorporating phosphorous slag[J]. Journal of Cleaner Production，2019，240：118157.

[7] JIAO Y B，ZHANG Y，GUO M，et al. Mechanical and fracture properties of ultra-high performance concrete （UHPC） containing waste glass sand as partial replacement material[J].Journal of Cleaner Production，2020，277：123501.

[8] YANG R，YU R，SHUI Z H，et al. Feasibility analysis of treating recycled rock dust as an environmentally friendly alternative material in Ultra-High Performance Concrete（UHPC）[J]. Journal of Cleaner Production，2020，258：120673.

[9] XIONG X，WU M M，SHEN W G，et al. Performance and microstructure of ultra-high performance concrete （UHPC） with silica fume replaced by inert mineral powders[J]. Construction and Building Materials，2022，327：126996.

[10] 鄒敏，沈玉，劉娟紅.鋼渣粉在水泥基材料中應(yīng)用研究綜述[J].硅酸鹽通報(bào)，2021，40（9）：2964-2977.

[11] 王虹，郭麗萍，孫偉，等.鋼渣微粉對(duì)超高性能水泥基復(fù)合材料性能的影響[J].混凝土與水泥制品，2016（12）：13-19.

[12] 祖慶賀，臧軍，沈曉冬.粗粒度區(qū)間鋼渣微粉在UHPC中的應(yīng)用研究[J].混凝土與水泥制品，2019（8）：1-4.

[13] 唐咸遠(yuǎn)，郭 彬，馬杰靈，等.鋼渣微粉對(duì)超高性能混凝土（UHPC）性能的影響[J].混凝土與水泥制品，2021（11）：82-84，89.

[14] 余睿，范定強(qiáng)，水中和，等.基于顆粒最緊密堆積理論的超高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)[J].硅酸鹽學(xué)報(bào)，2020，48（8）：1145-1154.

[15] 李紅云.基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的再生粘土磚粉混凝土力學(xué)性能研究[J].建筑科學(xué)，2020，36（7）：87-92.

[16] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 50081—2019[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2019.

[17] 中國(guó)建筑材料聯(lián)合會(huì)，中國(guó)混凝土與水泥制品協(xié)會(huì).超高性能混凝土基本性能與試驗(yàn)方法：T/CBMF 37—2018[S].北京：中國(guó)建材工業(yè)出版社，2018.

[18] HAN J H，ZHAO M M，CHEN J Y，et al. Effects of steel fiber length and coarse aggregate maximum size on mechanical properties of steel fiber reinforced concrete[J].Construction and Building Materials，2019，209：577-591.

Optimization of the mix proportion of steel slag UHPC based on

orthogonal test

CHEN Shenghao， TANG Xianyuan*， MA Jieling， LUO Jie， TANG Yunzhuo， SHEN Shiyun，

CHEN Ruping， ZHENG Jinlian

（School of Architecture and Transportation Engineering， Guilin University of Electronic Technology，

Guilin 541004， China）

Abstract： In order to study the design of the mix proportion for the preparation of eco-friendly ultra high performance concrete （UHPC） by replacing quartz powder with steel slag powder， the orthogonal test method was used to optimize the mix ratio of steel slag powder UHPC based on the modified Andreasen-Andersen model. And the mechanical properties such as compressive strength， splitting tensile strength， flexural strength and modulus of elasticity were tested to study the effects of silica fume， steel slag powder， river sand and steel fiber on the performance indexes of steel slag powder UHPC. The test results show that the volume dosing of steel fibers has the most significant effect on the mechanical properties of the steel slag powder UHPC， while the dosing of river sand and steel slag powder has a greater effect and the dosing of silica fume has a less effect. After optimization， the best ratio of steel slag powder UHPC is 418 kg/m3 of silica fume， 126 kg/m3 of steel slag powder， 836 kg/m3 of river sand and 1.5% of steel fiber by volume， the prepared ultra high performance concrete has a slump of 200 mm， an expansion of 320 mm and a 28 d cubic compressive strength of 152.0 MPa. The concrete has good workability and mechanical properties， which meets the requirements of the project design.

Key words： steel slag powder; ultra high performance concrete （UHPC）; modified Andreasen-Andersen model （MAA model）; orthogonal test; optimization of mix proportion

（責(zé)任編輯：羅小芬）