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        基于正交試驗(yàn)方法的裝配式小型水工建筑物混凝土配合比研究

        2021-04-08 02:06:14劉建剛張禮華
        城市道橋與防洪 2021年3期
        關(guān)鍵詞:耐堿硅粉極差

        劉建剛,張禮華

        (1.常州市武進(jìn)區(qū)水利局,江蘇 武進(jìn) 213100 ;2.揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 揚(yáng)州 225009)

        1 問題的提出

        小型裝配式建筑物由于具有施工簡(jiǎn)、工期短、資金少等方面的優(yōu)點(diǎn),近年來在小型水利工程中得到越來越多的應(yīng)用。但同時(shí),由于小型水工建筑物面廣量大,且一般地處偏遠(yuǎn),交通不便,而采用傳統(tǒng)混凝土預(yù)制構(gòu)件存在笨重,運(yùn)輸、安裝不便等問題,依然在一定程度上制約了小型裝配式水工建筑物的推廣。因此,如何尋找一種強(qiáng)度滿足要求條件下,兼具質(zhì)量較輕特性的混凝土預(yù)制構(gòu)件材料,已成為下一步水利發(fā)展的緊迫問題之一。

        正交試驗(yàn)方法由于具有“均衡搭配”和“綜合可比性”的特點(diǎn)[1],多年來得到了極為廣泛的應(yīng)用。材料方面,由于玻璃纖維混凝土具有強(qiáng)度高、韌性大、抗沖擊性強(qiáng)等特點(diǎn),在隧道、道路、房屋等領(lǐng)域得到較為廣泛的應(yīng)用,但目前針對(duì)該種材料混凝土的研究主要集中在抗拉、抗剪等力學(xué)性能等方面的研究[2-8],尚少見到該建筑物應(yīng)用于水工建筑物中,且同時(shí)滿足輕質(zhì)、高強(qiáng)的目的?,F(xiàn)擬根據(jù)裝配式小型水工建筑物的要求,結(jié)合常規(guī)混凝土外摻劑粉煤灰、硅粉,利用正交設(shè)計(jì)方法,開發(fā)出一種適宜配合比的玻璃纖維混凝土,與傳統(tǒng)混凝土相比,滿足輕質(zhì)、高強(qiáng)的要求,以期為小型裝配式水工建筑物的發(fā)展和推廣提供助力。

        2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

        2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

        一般情況下,小型水工建筑物混凝土強(qiáng)度達(dá)到C25 即可滿足使用要求,特殊情況下需達(dá)到C30 以上。該項(xiàng)試驗(yàn)以C25 為控制指標(biāo),在傳統(tǒng)混凝土建筑材料的基礎(chǔ)上,通過摻加適宜的耐堿玻璃纖維等外摻劑,使之與傳統(tǒng)混凝土相比,在滿足強(qiáng)度要求的前題下,容重降低10%以上,達(dá)到輕質(zhì)高強(qiáng)的要求。

        2.2 材料選取

        該項(xiàng)試驗(yàn)選用材料除包括傳統(tǒng)的混凝土材料外,主要有水泥、黃砂、石子等,還包括外摻劑粉煤灰、硅粉、耐堿玻璃纖維。

        試驗(yàn)用水泥采用南京海螺水泥有限公司生產(chǎn)的海螺牌P·042.5 級(jí)普通硅酸鹽水泥,其比表面積≤300,總堿含量≤0.6,28 d 抗壓強(qiáng)度≥42.5。選用常州Ⅱ級(jí)粉煤灰,其主要性能為SiO2含量49.5%。硅粉購(gòu)自常州航艇,其特性為SiO3含量0.41%,CaO 含量0.59%。耐堿玻璃纖維產(chǎn)自河南永興,密度2 700 g/cm3,長(zhǎng)度16 mm,抗拉強(qiáng)度1 900 MPa。

        對(duì)采用不同產(chǎn)地的產(chǎn)品,構(gòu)成材料各項(xiàng)性能可能不完全一致。

        2.3 配合比設(shè)計(jì)

        為減少試驗(yàn)次數(shù),規(guī)劃采用正交試驗(yàn)方法,探尋不同外摻劑摻量對(duì)混凝土性能的影響。在前人研究的基礎(chǔ)上,確定此次試驗(yàn)粉煤灰摻量分別為10%、20%、30%,硅粉摻量分別設(shè)定為3%、6%、9%,玻璃纖維摻量分別設(shè)定為1%、2%、3%。由此,構(gòu)造L9(34)型正交表,其因素及水平見表1 所列。

        表1 因素與水平一覽表

        根據(jù)上述因素和水平,可構(gòu)造正交試驗(yàn)設(shè)計(jì),見表2 列(1)~ 列(4)。

        表2 正交表設(shè)計(jì)一覽表

        根據(jù)上述正交表,制作混凝土試塊,試塊規(guī)格150 mm×150 mm×150 mm,每組試驗(yàn)制作三塊,總計(jì)27 塊,在恒溫恒氧養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)至28 d 齡期,測(cè)取每一試塊容重后,再進(jìn)行破壞荷載試驗(yàn),試驗(yàn)室中取每一組試塊的平均值作為該配合比條件下的試塊容重和強(qiáng)度。

        同時(shí),試驗(yàn)室中按水泥∶砂∶碎石∶水=1∶1.48∶3.63∶0.44 的比例,制備普通混凝土,在同樣條件下養(yǎng)護(hù),以作對(duì)比分析。

        3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

        3.1 試驗(yàn)結(jié)果

        對(duì)實(shí)驗(yàn)室試制的每一組試塊測(cè)算容重,并采用破壞荷載試驗(yàn)確定其強(qiáng)度,容重和強(qiáng)度平均結(jié)果見表2 列(5)~列(6)。由結(jié)果可知,每一組試塊強(qiáng)度均能滿足C25 強(qiáng)度要求。

        3.2 結(jié)果分析

        3.2.1 極差分析

        3.2.1.1 極差分析

        進(jìn)行極差分析的主要目的是:由于粉煤灰、硅粉、耐堿玻璃纖維均對(duì)混凝土強(qiáng)度和容重產(chǎn)生影響,通過極差分析,找出影響上述指標(biāo)的主要因素和次要因素;同時(shí),分析粉煤灰、硅粉、耐堿玻璃纖維處于什么水平時(shí),使混凝土達(dá)到輕質(zhì)高強(qiáng)的目的。極差分析見表3 所列。

        表3 極差分析表

        根據(jù)極差分析結(jié)果,試件強(qiáng)度- 因素變化、試件容重-因素變化趨勢(shì)見圖1、圖2 所示。

        圖1 試件強(qiáng)度- 因素趨勢(shì)圖

        對(duì)試件強(qiáng)度- 因素和試件容重-因素關(guān)系曲線進(jìn)行分析可知:

        (1)隨著A 因素(粉煤灰)摻量的不斷加大,混凝土強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后減小的現(xiàn)象,強(qiáng)度由水平1(10%)提升至水平2(20%)時(shí),相應(yīng)強(qiáng)度提升2.5%,摻量進(jìn)一步提升至水平3(30%)時(shí),相應(yīng)強(qiáng)度降低3.5%;但同時(shí),其容重則隨摻量的不斷提升呈現(xiàn)不斷降低的趨勢(shì),當(dāng)摻量由水平1(10%)經(jīng)水平2(20%)提升至水平3(30%)時(shí),容重分別降低6.0%、7.0%。由于粉煤灰是用來代替水泥的,粉煤灰摻量的不斷增大,對(duì)保證混凝土強(qiáng)度不利。

        圖2 試件容重- 因素趨勢(shì)圖

        (2)隨著B 因素(硅粉)摻量的不斷加大,混凝土試件強(qiáng)度呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì),當(dāng)摻量由水平1(3%)經(jīng)水平 2(6%)提升至水平 3(9%)時(shí),強(qiáng)度先降低2.6%、再提升7.5%;而容重則呈現(xiàn)不斷降低的趨勢(shì),當(dāng)摻量由水平 1(3%)經(jīng)水平 2(6%)至水平 3(9%)時(shí),容重分別降低7%、22%。說明隨硅粉摻量的不斷加大,對(duì)強(qiáng)度的增加是有利的,且不低于2%。

        (3)隨著C 因素(耐堿玻璃纖維)摻量的不斷增大,強(qiáng)度和容重均隨之減少,當(dāng)摻量由水平1(3%)經(jīng)水平2(6%)至水平3(9%)時(shí),強(qiáng)度分別降低1.1%、1.0%;而容重則分別降低2.2%、4.0%。

        3.2.1.2 成果

        綜合上述極差分析成果,易知:

        (1)對(duì)強(qiáng)度影響的主次次序是:C>B>A;對(duì)容重影響的主次次序是:A>C>B。

        (2)對(duì)強(qiáng)度而言,最優(yōu)組合為A2B3C1(要求試塊強(qiáng)度越高越好);對(duì)容重而言,最優(yōu)組合為A3B3C3(要求試塊容重越低越好)。

        3.2.2 最優(yōu)配合比確定

        以綜合平衡法確定最優(yōu)配合比。

        根據(jù)極差分析成果,最優(yōu)強(qiáng)度組合和最優(yōu)容重組合并不一致,因此,尚需對(duì)極差結(jié)果進(jìn)一步分析,以找出最優(yōu)配合比,根據(jù)各因素影響主次次序,采用綜合平衡法確定最優(yōu)配合比。

        以A(粉煤灰)因素為例,判斷過程如下:由極差分析表易知,A 因素對(duì)容重影響最大,而對(duì)強(qiáng)度影響最小。對(duì)強(qiáng)度而言,隨著摻量的增加,強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加、再減少的現(xiàn)象,因此,A2方案為最優(yōu)選擇。而對(duì)于容重而言,呈現(xiàn)摻量越大容重越低的現(xiàn)象,因此,A3為最優(yōu)選擇。為便于比較A2、A3對(duì)優(yōu)選結(jié)果的影響,分別以 A2、A3為基準(zhǔn),在權(quán)重 1∶1,即強(qiáng)度、容重同等重要條件下,判斷A 因素不同摻量時(shí)相對(duì)變化幅度,以此確定A 因素最優(yōu)摻量,見表4 所列。

        表4 A 因素不同摻量相對(duì)變化幅度一覽表

        由表4 分析可知,以A2為基準(zhǔn),摻量A3相對(duì)于A2,試件強(qiáng)度減少3.5%(不利),容重減少7.5%(有利);以A3為基準(zhǔn),摻量A2相對(duì)于A3,強(qiáng)度增加3.7%(有利),但容重增加達(dá)8.1%(不利)。因此,綜合上述分析,A 因素宜選擇A2。

        同理,可確定 B 因素(硅粉)、C 因素(耐堿玻璃纖維)最優(yōu)選擇分別為B3、C1,則此試驗(yàn)最優(yōu)配合比為A2B3C1。

        根據(jù)上述最優(yōu)配合比,其最優(yōu)試驗(yàn)剛好為第6號(hào)試驗(yàn),即粉煤灰摻量20%、硅粉摻量9%、耐堿玻璃纖維摻量1%時(shí),可取得較好的強(qiáng)度和容重,其試驗(yàn)結(jié)果為:強(qiáng)度30.5 MPa,容重2 015 kg/cm3。其與普通混凝土(水泥∶砂∶碎石∶水=1∶1.48∶3.63∶0.44)性能比較結(jié)果見表5 所列。

        表5 與普通混凝土性能比較表

        由表5 可知,與傳統(tǒng)C25 混凝土相比,通過上述優(yōu)選比例添加粉煤灰、硅粉、耐堿玻璃纖維等,可使混凝土強(qiáng)度提升15.1%,容重減少15.3%,達(dá)到輕質(zhì)高強(qiáng)的目的。

        4 結(jié) 語

        (1)在傳統(tǒng)混凝土建筑材料基礎(chǔ)上,通過正交試驗(yàn)方法,確定粉煤灰、硅粉、耐堿玻璃纖維等外摻劑的優(yōu)化配合比,在保證混凝土抗壓強(qiáng)度的同時(shí),能夠有效降低混凝土容重,從而為裝配式水工建筑物的實(shí)施提供了保障。

        (2)在試驗(yàn)中,采用指定產(chǎn)地的產(chǎn)品材料,水泥采用的是南京海螺水泥有限公司生產(chǎn)的海螺牌P·042.5 級(jí)普通硅酸鹽水泥,粉煤灰選用常州Ⅱ級(jí)粉煤灰,硅粉購(gòu)自常州航艇,耐堿玻璃纖維產(chǎn)自河南永興,由于不同產(chǎn)地產(chǎn)品,其性質(zhì)并不一定相同,甚至差異很大,因而具體推廣應(yīng)用時(shí),應(yīng)在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步調(diào)整適宜的配合比。

        (3)優(yōu)選結(jié)果假定混凝土試塊的強(qiáng)度、容重對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響重要性比值為1∶1,如改變兩者的重要性比值,則相應(yīng)結(jié)果可能隨之改變。

        (4)通過綜合平衡法確定最優(yōu)配合比,其最優(yōu)結(jié)果剛好為6 號(hào)試驗(yàn),但往往大量工程試驗(yàn)中最優(yōu)配合比并不一定剛好位于已發(fā)生試驗(yàn)中。此時(shí),尚需根據(jù)所分析的最優(yōu)配合比結(jié)果重新試驗(yàn),并與已知試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì),進(jìn)一步判斷優(yōu)化結(jié)果的合理性。

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