基于正交設(shè)計(jì)高強(qiáng)風(fēng)積砂混凝土力學(xué)性能研究

何喬意

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830000)

1 概 述

近年來，新疆地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，全疆基礎(chǔ)建設(shè)項(xiàng)目不斷增多，這些工程對(duì)混凝土的需求量日益增大。而新疆本地的天然建筑用砂由于資源有限，且很多地區(qū)的天然砂存在級(jí)配不良、細(xì)度模數(shù)偏大的情況。目前國(guó)內(nèi)宓永寧等用特細(xì)砂取代中砂配制混凝土，研究了混凝土配合比的砂率、水灰比、拌和物和易性等因素對(duì)特細(xì)砂混凝土的性能和強(qiáng)度的影響[1]。任世漫等利用5mm以下石屑來改善特細(xì)砂的級(jí)配和細(xì)度模數(shù)[2]。而新疆的風(fēng)積砂資源豐富，將這些風(fēng)積砂摻拌到天然砂中，不但能夠改善天然砂的細(xì)度模數(shù)，而且利用風(fēng)積砂代替部分天然砂生產(chǎn)出來的混凝土，對(duì)于降低工程造價(jià)，改善生態(tài)環(huán)境，合理利用難開發(fā)風(fēng)積砂資源有著十分重要的意義。

建筑工程高強(qiáng)度混凝土的使用范圍越來越大。高強(qiáng)度混凝土擁有抗壓性能高，抗凍性能、抗?jié)B性能優(yōu)良，抗壓彎性能良好等各種優(yōu)點(diǎn)，常常運(yùn)用于各種受力結(jié)構(gòu)中。新疆地區(qū)的風(fēng)積砂儲(chǔ)量多，范圍廣，細(xì)度模數(shù)普遍在0.5～0.8之間。由于風(fēng)積砂的細(xì)度模數(shù)很小，風(fēng)積砂能否配制出強(qiáng)度高，力學(xué)性能良好的風(fēng)積砂混凝土。本次對(duì)不同摻量的風(fēng)積砂摻入天然砂對(duì)高強(qiáng)度混凝土力學(xué)性能的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

2 試驗(yàn)原材及試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)的原材，水泥采用新疆伊犁地區(qū)青松南崗水泥廠生產(chǎn)的P·O42.5普硅水泥；天然砂為伊犁地區(qū)本地的天然水洗砂，細(xì)度模數(shù)為2.99，含泥量0.8%；粗骨料選用當(dāng)?shù)靥烊涣蠄?chǎng)生產(chǎn)的粗骨料，含泥量0.5%；風(fēng)積砂為伊犁地區(qū)圖開沙漠的天然風(fēng)積砂，細(xì)度模數(shù)0.73，含泥量0.7，堆積密度1380kg/m3；粉煤灰為新疆大唐熱電廠生產(chǎn)的Ⅰ級(jí)粉煤灰；拌和用水采用當(dāng)?shù)刈詠硭?，pH=7.86，水質(zhì)較好，符合《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ 63—2006)[3]；減水劑為新疆建寶天化生產(chǎn)的聚羧酸高性能減水劑，減水率大于25%。

2.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

此次試驗(yàn)主要研究水膠比、砂率、粉煤灰摻量、風(fēng)積砂摻量對(duì)高強(qiáng)混凝土7d、28d抗壓強(qiáng)度和28d劈裂抗拉強(qiáng)度的影響，本次試驗(yàn)的混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C60，為了能夠在有限的試驗(yàn)次數(shù)得到最好的試驗(yàn)效果，以水灰比、粉煤灰摻量、砂率、風(fēng)積砂摻量為影響因子，設(shè)置4因素4水平L16(45)正交試驗(yàn)(見表1)。依據(jù)《高強(qiáng)度混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(JGJT 281—2012)[4]，確定高強(qiáng)度混凝土減水劑摻量為膠凝材料總量的1.0%(見表2、表3)。

表1 因素水平

表2 L16(45)正交試驗(yàn)

表3 混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

通過對(duì)此次配合比的試驗(yàn)結(jié)果(見表4和圖1～圖3)進(jìn)行極差分析。由表4及圖1可知，對(duì)于風(fēng)積砂高強(qiáng)混凝土7天抗壓強(qiáng)度，各個(gè)因素的影響大小依次為水膠比A>粉煤灰摻量B>砂率C>風(fēng)積砂摻量D，最優(yōu)的配合比組合為A1、B1、C1、D2，即水膠為0.22、粉煤灰摻量為10%、砂率為33%、風(fēng)積砂摻量為20%。

圖1 各因素對(duì)7天抗壓強(qiáng)度影響

表4 正交試驗(yàn)極差分析

由表4及圖2可知，對(duì)于風(fēng)積砂高強(qiáng)混凝土28天抗壓強(qiáng)度，各個(gè)因素的影響大小依次為水膠比A>粉煤灰摻量B>風(fēng)積砂摻量D>砂率C，最優(yōu)的配合比組合為A1、B1、C1、D2，即水膠為0.22、粉煤灰摻量為10%、砂率為33%、風(fēng)積砂摻量為20%。

由表4及圖3可知，對(duì)于風(fēng)積砂高強(qiáng)混凝土28天劈裂抗拉強(qiáng)度，各個(gè)因素的影響大小依次為水膠比A>粉煤灰摻量B>砂率C>風(fēng)積砂摻量D，最優(yōu)的配合比組合為A1、B1、C1、D2，即水膠為0.22、粉煤灰摻量為10%、砂率為33%、風(fēng)積砂摻量為20%。

綜上所述，以風(fēng)積砂混凝土7天、28天的抗壓強(qiáng)度以及28天的劈裂抗拉強(qiáng)度為考察指標(biāo)，風(fēng)積砂混凝土最優(yōu)配合比為A1、B1、C1、D2，即水膠比為0.22、粉煤灰摻量為10%、砂率為33%、風(fēng)積砂摻量為20%。

2.2 單一變量因素試驗(yàn)

在通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)得到了本次最佳配合比組合的基礎(chǔ)上，選擇以風(fēng)積砂摻量為可變量的單一變量因素試驗(yàn)，為了進(jìn)一步研究不同的風(fēng)積砂摻量對(duì)高強(qiáng)度混凝土強(qiáng)度的影響，分別取0、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%共計(jì)11組試驗(yàn)組合，減水劑摻量為膠凝材料的總重1%?？箟涸嚰叽邕x用150mm×150mm×150mm，試件制作完成后24h脫模放置在濕度(20±2)℃，相對(duì)濕度不小于90%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，在試驗(yàn)時(shí)取出試件。試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)風(fēng)積砂摻量達(dá)到80%及以上時(shí)，摻配的砂子由于細(xì)度太細(xì)，細(xì)骨料的比表面積大，與水結(jié)合得多，導(dǎo)致混凝土中的自由水?dāng)?shù)量嚴(yán)重降低，造成混凝土的和易性嚴(yán)重不良，不能進(jìn)入統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。故此次試驗(yàn)僅僅統(tǒng)計(jì)0～70%的風(fēng)積砂摻量(見表5、圖4)。

圖4 不同風(fēng)積砂摻量對(duì)混凝土強(qiáng)度影響

表5 風(fēng)積砂摻量單一變量因素配合比及抗壓強(qiáng)度結(jié)果

隨著風(fēng)積砂摻量的提高，混凝土7天、28天的抗壓強(qiáng)度都出現(xiàn)了先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)風(fēng)積砂摻量達(dá)到20%時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到了最高值；當(dāng)風(fēng)積砂摻量為30%～40%時(shí)，7天、28天抗壓強(qiáng)度均出現(xiàn)了比較平緩的下降，說明摻量為30%和40%的風(fēng)積砂混凝土的抗壓強(qiáng)度受到了一定的影響，但影響不是很明顯；當(dāng)風(fēng)積砂摻量大于40%時(shí)，由圖4可以見到，7天、28天抗壓強(qiáng)度值的斜率逐漸加大，說明當(dāng)風(fēng)積砂摻量大于40%時(shí)，對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度影響逐漸增大；當(dāng)風(fēng)積砂摻量>60%時(shí)，混凝土的7～28天的后期強(qiáng)度增長(zhǎng)不明顯，說明當(dāng)風(fēng)積砂摻量超過60%時(shí)，對(duì)混凝土7～28天的后期強(qiáng)度增長(zhǎng)影響較大，不利于混凝土后期強(qiáng)度增長(zhǎng)；由圖4大致還可以看出，以20%的風(fēng)積砂摻量為對(duì)稱軸，抗壓強(qiáng)度曲線存在著不明顯的正態(tài)分布規(guī)律。

2.3 不同摻量風(fēng)積砂理論推算細(xì)度模數(shù)比較

本次試驗(yàn)的天然砂為伊犁地區(qū)本地的天然水洗砂，細(xì)度模數(shù)為2.99，含泥量0.8%，風(fēng)積砂為伊犁地區(qū)圖開沙漠的天然風(fēng)積砂，細(xì)度模數(shù)0.73，含泥量0.7(見表6)。

表6 不同風(fēng)積砂摻量理論推算細(xì)骨料細(xì)度模數(shù)

為了更好地了解不同摻量的風(fēng)積砂摻入到天然砂中的細(xì)骨料細(xì)度情況，通過質(zhì)量換算法推算不同摻量的風(fēng)積砂摻入到天然砂中時(shí)細(xì)骨料細(xì)度模數(shù)，推算結(jié)果見表7。由表7可知，當(dāng)風(fēng)積砂摻量為10%～30%時(shí)，細(xì)骨料的細(xì)度模數(shù)均在2.2～3.0之間，說明摻拌該含量的風(fēng)積砂后骨料由原先的粗砂變成了中砂，而中砂是混凝土細(xì)骨料中比較理想的；當(dāng)風(fēng)積砂摻量介于40%～60%時(shí)，細(xì)骨料的細(xì)度模數(shù)已經(jīng)介于1.6～2.2之間，隨著風(fēng)積砂的摻量增加，細(xì)骨料的細(xì)度模數(shù)逐漸減小，且細(xì)骨料為細(xì)砂。當(dāng)風(fēng)積砂摻量達(dá)到70%及以上時(shí)，細(xì)骨料的細(xì)度模數(shù)小于1.6，細(xì)度模數(shù)已經(jīng)小于細(xì)砂1.6～2.2的范圍，說明當(dāng)風(fēng)積砂摻量達(dá)到70%及以上時(shí)，該細(xì)骨料由于細(xì)度模數(shù)太小而已經(jīng)不太適用于制備高強(qiáng)混凝土。當(dāng)砂子細(xì)度模數(shù)太小時(shí)，混凝土單方用水量明顯增大，混凝土的強(qiáng)度降低，收縮率增大且混凝土容易產(chǎn)生干縮裂紋現(xiàn)象，這對(duì)于混凝土的施工質(zhì)量控制是十分不利的。

3 結(jié) 語

隨著新疆西部大開發(fā)的力度逐漸增加，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)力度逐漸增大，工程混凝土及工程用砂需求也逐漸增大，新疆現(xiàn)有的河砂，人工砂資源已經(jīng)不能滿足工程建設(shè)需要。本次通過正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)，研究了水灰比、粉煤灰摻量、砂率、風(fēng)積砂摻量對(duì)風(fēng)積砂高強(qiáng)度混凝土7天抗壓強(qiáng)度、28天抗壓強(qiáng)度、28天劈裂抗拉強(qiáng)度的影響，通過極差分析獲得了此次風(fēng)積砂高強(qiáng)混凝土力學(xué)性能的最佳含量組合。在正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上通過單一變量因素試驗(yàn)，分析其不同風(fēng)積砂摻量7天抗壓強(qiáng)度、28天抗壓強(qiáng)度，得到了該混凝土不同風(fēng)積砂摻量對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響規(guī)律。最后通過質(zhì)量換算法推算了不同風(fēng)積砂摻量的細(xì)骨料細(xì)度模數(shù)。結(jié)合正交試驗(yàn)分析、單一變量因素試驗(yàn)、理論推算等方法可知，利用風(fēng)積砂制備高強(qiáng)混凝土的摻量合適區(qū)間為0～30%。