配合比對粉煤灰陶粒混凝土強度影響的灰色關(guān)聯(lián)分析研究

連慧慧

（山西交通養(yǎng)護集團有限公司，山西太原 030006）

當前，我國正積極推進綠色裝配式建筑墻體板材，其構(gòu)成材料需滿足輕質(zhì)高強保溫特性，陶粒混凝土成為最優(yōu)選擇[1]。受粗骨料陶粒自身力學特性影響，粉煤灰陶?；炷僚浜媳戎械牟煌蛩貙ζ淞W性能的影響與普通混凝土有所區(qū)別[2]。

為了探究配合比中水灰比、水泥用量、砂率三因素對粉煤灰陶粒混凝土的力學性能的影響，本文通過制備粉煤灰陶?；炷?，調(diào)整不同配合比參數(shù)進行力學性能測試，并通過灰色關(guān)聯(lián)分析法確定各因素的重要性系數(shù)，分析其對抗壓強度的影響規(guī)律。

1 試驗材料及方案

1.1 原材料選擇

1.1.1 水泥

試驗用水泥為獅頭牌P·O 42.5 型普通硅酸鹽水泥，其主要性能如表1 所示。

表1 水泥性能參數(shù)表

1.1.2 砂

試驗采用普通河砂，中砂；其篩分結(jié)果及性能參數(shù)如表2、表3 所示。

表2 試驗用砂性能參數(shù)

表3 試驗用砂篩分結(jié)果

1.1.3 陶粒

試驗所用陶粒為采用回轉(zhuǎn)窯燒結(jié)法制成，外形為均勻球體。

粉煤灰陶粒主要由粉煤灰燒結(jié)組成，且燒結(jié)過程處于常壓，因此粉煤灰陶粒結(jié)構(gòu)較為松散，其內(nèi)部孔洞較多，表面較為致密[3]，如圖1 所示，陶粒主要呈棕灰色圓球狀，表面為燒結(jié)釉面層，質(zhì)地堅硬致密，內(nèi)部呈多孔蜂窩結(jié)構(gòu)，基本性能如表4 所示。

圖1 粉煤灰陶粒

表4 粉煤灰陶?；拘阅?/p>

1.1.4 減水劑

試驗用減水劑為聚羧酸高效減水劑，其性能指標如表5 所示。

表5 減水劑性能指標

1.2 基礎(chǔ)配合比

依據(jù)《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》（JGJ 51—2002）制備粉煤灰陶?；炷?。基礎(chǔ)試驗配合比設(shè)計主要以滿足工作性能為目的，并以合理用材為原則，設(shè)計采用松散體積法[4]。試驗配合比如表6 所示。

表6 試驗基礎(chǔ)配合比

2 水灰比對陶粒混凝土強度影響試驗

2.1 試塊制備及測試

對不同水灰比下粉煤灰陶?；炷吝M行抗壓試驗，具體試驗方案如表7 所示。

表7 水灰比對粉煤灰陶?；炷翉姸扔绊懺囼灡?/p>

2.2 試驗結(jié)果及分析

不同水灰比下，各齡期粉煤灰陶?；炷恋目箟簭姸仍囼灲Y(jié)果如表8、圖2 所示。

圖2 不同水灰比下粉煤灰陶粒混凝土抗壓強度

表8 不同水灰比下粉煤灰陶?；炷量箟簭姸?單位：MPa

分析圖2 可以看出，不同齡期下各個水灰比強度增長規(guī)律較為相似，A-1 組，其3 d 與7 d 齡期抗壓強度分別占28 d 齡期最終抗壓強度的53.5%、76.0%。A-2組其3 d 與7 d 齡期抗壓強度分別占28 d 齡期最終抗壓強度的53.5%、76.5%。A-3 組其3 d 與7 d 齡期抗壓強度分別占28 d 齡期最終抗壓強度的54.8%、79.8%。由上述數(shù)據(jù)可以得出，采用圖2 所示的水灰比進行試驗時，粉煤灰陶?；炷量箟簭姸鹊脑鲩L規(guī)律為：3 d 強度為28 d 強度的50%～55%，7 d 強度增長為28 d 強度的70%～80%。

對比普通混凝土，其3 d 齡期強度一般為28 d 齡期強度的50%，7 d 齡期的強度一般為28 d 齡期強度的60%。由此發(fā)現(xiàn)，在混凝土齡期較短時，陶?；炷恋膹姸仍鲩L速度與普通混凝土較為接近，在3～7 d 齡期時，陶粒混凝土的強度增長更快，這是由于陶粒的微泵現(xiàn)象約在3 d左右開始出現(xiàn)，受微泵的作用返水養(yǎng)護，界面過渡區(qū)強度迅速增長，破壞面逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榇止橇咸樟5]；7～28 d 齡期時，相比于普通混凝土，陶?；炷翉姸仍鲩L變慢，這是因為陶粒相較于石子強度更低，其作為薄弱面首先開裂，由于短板效應，水泥強度的增長已不能再提升陶?；炷恋目箟簭姸萚6]。對于陶?；炷粒档推渌冶葧е麓止橇咸樟Ｌ崆伴_裂，并加重混凝土的干縮現(xiàn)象，使混凝土在較早齡期時出現(xiàn)開裂。因此在粉煤灰陶?；炷恋呐浜媳仍O(shè)計中，難以通過調(diào)整水灰比的方式來增強陶粒混凝土的抗壓強度。

3 水泥及砂率對陶?；炷翉姸鹊挠绊?/h2>

3.1 試驗方案

在探究水泥及砂率對粉煤灰陶粒混凝土強度的影響時，試驗的砂率區(qū)間取0.35～0.45，水泥區(qū)間為400～500 kg，分別按梯度調(diào)整砂率及水泥用量，具體試驗方案如表9 所示。

表9 水泥及砂率對混凝土強度影響試驗表

3.2 立方體抗壓強度性能

分別對不同水泥及砂率作用下的粉煤灰陶?；炷吝M行抗壓強度試驗，試驗結(jié)果如表10 所示。

表10 不同水泥及砂率作用下陶?；炷量箟簭姸?單位：MPa

3.3 灰色關(guān)聯(lián)分析

在粉煤灰陶粒混凝土中，水泥與砂均作為配合比中的關(guān)鍵部分，兩者相關(guān)性類似，該研究選用灰色關(guān)聯(lián)法分析其重要性占比?；疑P(guān)聯(lián)分析是根據(jù)體系內(nèi)各因素之間發(fā)展趨勢的相似或相異程度，作為衡量因素間關(guān)聯(lián)程度的一種方法，具體計算過程如下。

3.3.1 確定數(shù)據(jù)序列

在表10 所示各試驗組數(shù)據(jù)中，以抗壓強度作為母數(shù)據(jù)序列，以不同水泥用量和砂率為子序列，如式（1）、式（2）所示：

母序列：

子序列：

式中：Yi為i天齡期時陶粒混凝土強度組成的數(shù)據(jù)序列；X1為砂率；X2為水泥用量。

3.3.2 去量綱化

為了避免代表兩種不同物理意義的序列數(shù)據(jù)直接進行比較而出現(xiàn)誤差，進行去量綱化處理，處理后試驗數(shù)據(jù)如式（3）、式（4）所示：

3.3.3 建立差異矩陣

計算S中比較數(shù)列與參考數(shù)列的絕對差值并建立差異矩陣Δb，以表示數(shù)據(jù)序列間的離散關(guān)系，計算公式如式（5）～式（7）所示：

3.3.4 求解關(guān)聯(lián)度ξi

ξi(k)用于表征矩陣中對應因素的差值，可按式（8）計算：

式中：ρ∈[0,1]為分辨系數(shù)，取ρ= 0.5。

通過式（8）計算出的ξi(k)反映了不同條件下母數(shù)據(jù)序列與子數(shù)據(jù)序列的離散程度，用均值γ表示上述兩個序列間的整體關(guān)聯(lián)度，如式（9）：

3.4 灰色關(guān)聯(lián)分析結(jié)論

不同齡期下粉煤灰陶?；炷量箟簭姸扰c各灰色關(guān)聯(lián)因素的相關(guān)度如圖3 所示。

圖3 各關(guān)聯(lián)因素分析結(jié)果

由灰色關(guān)聯(lián)度計算結(jié)果可知，兩種抗壓強度影響因子中，水泥用量對粉煤灰陶?；炷量箟簭姸鹊挠绊懫毡楦哂谏奥蕦姸鹊挠绊?。砂率與強度的關(guān)聯(lián)度在3 d、7 d、28 d 時依次為0.13、0.16、0.12，整體呈現(xiàn)先增后減的趨勢，與陶粒微泵作用的表現(xiàn)規(guī)律基本一致；水泥用量與強度的關(guān)聯(lián)度為0.19，0.17，0.13，數(shù)值結(jié)果逐漸下降，最終與砂率保持相同。

3.4.1 水泥用量關(guān)聯(lián)度

如圖4 所示，由于粉煤灰陶?；炷劣纱止橇?、細骨料、膠凝材料構(gòu)成，其中，水泥包裹細骨料、水泥砂漿包裹粗骨料均存在一定的厚度上限。

圖4 混凝土結(jié)構(gòu)圖

對于陶粒混凝土，前期水泥砂漿強度低于粗骨料，其強度對陶?；炷量箟簭姸扔绊憳O大，體現(xiàn)在關(guān)聯(lián)度上即水泥用量與強度的關(guān)聯(lián)度大于砂率與水泥用量的關(guān)聯(lián)度。隨著齡期增長，水泥基體和界面過渡區(qū)強度提高，破壞面轉(zhuǎn)為陶粒，水泥用量與抗壓強度的關(guān)聯(lián)性逐漸降低。

3.4.2 砂率關(guān)聯(lián)度

由于砂在陶?；炷林凶鳛楣羌芷鸬搅颂畛浯罂紫兜淖饔?，在齡期較早時，陶?；炷量箟簭姸戎饕芩嗷w強度影響，破壞的原因大多為水泥強度較低，當粉煤灰陶?；炷笼g期達到7 d 時，水泥在水化作用下已經(jīng)具備了一定的強度，粉煤灰陶粒成為薄弱面，相關(guān)性因而減小。

3.5 試驗結(jié)論及分析

水泥用量作為基準，分析不同水泥用量下，粉煤灰陶?；炷翉姸入S砂率的變化，變化曲線如圖5 所示。

圖5 粉煤灰陶?；炷翉姸入S砂率的變化

分析圖5，當陶粒混凝土的水泥用量為400 kg/m3時，其抗壓強度隨砂率增加而增加，這是由于混凝土中骨料與水泥接觸的表面積隨砂率增加而增大，水泥漿體包裹的面積增加，強度也隨之增加；450 kg/m3用量下，混凝土強度在45.48 MPa～54.78 MPa 波動，整體隨著砂率增加而變大，整體強度相比水泥用量為400 kg/m3時更高，這是由于水泥漿增加且水灰比保持不變，混凝土的流動性增大，其結(jié)構(gòu)較為松散，黏聚性變差，強度降低；在水泥用量500 kg/m3時，混凝土的強度隨砂率的增加進一步減小，整體抗壓強度隨之降低。同時，砂率的增大使得陶粒減少，陶粒的微泵作用減輕，混凝土內(nèi)氣孔增多，試件的強度降低[8]。

抗壓強度數(shù)據(jù)擬合公式如式（10）～式（12）所示：

式中：fcu,k為立方體抗壓強度標準值；βs為砂率。

綜上所述，水泥用量和砂率兩種因素均會對粉煤灰陶?；炷恋膹姸仍斐捎绊?。其中，水泥用量對強度的影響更為明顯，最佳的水泥用量為400～450 kg/m3，此時最佳砂率為0.45。

4 結(jié)論

通過對不同配合比下粉煤灰陶?；炷恋膹姸刃阅苓M行試驗研究，分別研究水灰比、水泥用量、砂率3個因素對粉煤灰陶?；炷恋膹姸刃阅艿挠绊懸?guī)律，通過灰色關(guān)聯(lián)分析法確定了水泥用量和砂率的重要性系數(shù)，在此基礎(chǔ)上分析了其對抗壓強度的影響規(guī)律，得出以下結(jié)論：

a）降低水灰比會導致粗骨料陶粒的提前開裂，造成混凝土的干縮，使混凝土結(jié)構(gòu)易在較早齡期時出現(xiàn)開裂，故難以通過調(diào)整水灰比的方式來增強陶粒混凝土抗壓強度。

b）在各齡期水泥用量對強度的重要性系數(shù)均大于砂率，隨著齡期增加，水泥的重要性系數(shù)逐漸降低，砂率的重要性系數(shù)則呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，在齡期為28 d 時，兩者的影響持平。