武倬如(國(guó)能鄂爾多斯市神東檢測(cè)有限責(zé)任公司, 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

1 前言

混凝土是以水泥、膠凝材料、骨料、水和適當(dāng)外加劑為原材料制備的人造石材。 據(jù)統(tǒng)計(jì),在我國(guó)已完成的混凝土建筑中,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)占所有結(jié)構(gòu)類型95%以上。 伴隨著近幾年的社會(huì)發(fā)展,混凝土技術(shù)也得到了重大突破,混凝土技術(shù)的發(fā)展也給社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步起到了重要作用天然的河沙就是我們所說的特細(xì)砂的一種,細(xì)度模數(shù)在0.7 ～1.5 。 有著平均粒徑小、顆粒級(jí)配不良和含泥量較高等基本特點(diǎn)。 開發(fā)利用特細(xì)砂混凝土對(duì)合理利用資源和降低工程建設(shè)成本具有重要意義。 神東礦區(qū)地處高原地區(qū),所用砂子大部分為特細(xì)砂,遵循就地取材的原則,對(duì)合理開發(fā)利用地方資源,降低工程建設(shè)造價(jià),研究創(chuàng)新應(yīng)用特細(xì)砂混凝土技術(shù)都具有很重要意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度,易性問題做了大量研究。 學(xué)者在不同的入模溫度和引氣劑摻量對(duì)負(fù)溫下混凝土抗壓強(qiáng)度影響[1]做了研究。 不同酸性環(huán)境下玄武巖纖維混凝土抗壓強(qiáng)度,不同測(cè)試方式下混凝土抗壓強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)研究[2-3],不同因素如取代率對(duì)再生陶瓷粗骨料、不同巖性粗骨料、納米SiO2粉煤灰、腐蝕凍融耦合循環(huán)作用下碳纖維對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)研究[4-7]。 學(xué)者在度時(shí)積對(duì)免蒸壓PHC 管樁對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度影響,框架柱新增混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差分析,不同粒徑級(jí)配的透水混凝土抗壓強(qiáng)度等問題上做了試驗(yàn)研究[8-10]。 另外還有學(xué)者在生物質(zhì)灰混凝土,預(yù)填集料高強(qiáng)混凝土[11-12]的抗壓強(qiáng)度的影響因素問題上做了數(shù)值模型研究。

然而,在特細(xì)砂混凝土在粉煤灰比例對(duì)抗壓強(qiáng)度影響,特細(xì)砂混凝土的易性問題還有所欠缺。 本文就特細(xì)砂混凝土問題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

2 特細(xì)砂配制混凝土易性試驗(yàn)研究和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究方案

2.1 特細(xì)砂配制混凝土易性正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案

為了便于攪拌、運(yùn)輸、澆筑,振搗等施工作業(yè),在拌合成型時(shí)沒有發(fā)生泌水離析現(xiàn)象,成型混凝土必須質(zhì)量均勻密實(shí),這就說明混凝土的和易性至關(guān)重要。 和易性包括流動(dòng)性,黏聚性和保水性三個(gè)方面。坍落度的大小反應(yīng)了其流動(dòng)性好壞,反應(yīng)各個(gè)材料組成分之間凝聚力的高低,選擇合理的稠度范圍,將影響著新拌混凝土的施工性能和質(zhì)量均勻性。 本文使用坍落度法測(cè)定混凝土。

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)一種以均衡分散排列有序?yàn)樗枷牖A(chǔ)來編制的一種表格。 對(duì)結(jié)果用極差分析能夠找出影響坍落度的主要因素,可確定因素之間的主因和次因,進(jìn)而挑選出最優(yōu)組合就是最終的最優(yōu)方案。 本試驗(yàn)對(duì)坍落度值大小因素分析還應(yīng)用了層次分析法(AHP)得到各因素影響的權(quán)重。

正交試驗(yàn)其原理是將均衡分散的理論想法結(jié)合我們常用的數(shù)字理論在拉丁方和正拉丁方建立數(shù)據(jù)表格。 本論文試驗(yàn)選用了三因素三水平,為了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性把其中列表空也作為一項(xiàng)因素列出,具體見表1。

表1 因素水平表

2.2 混凝土抗壓強(qiáng)度正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案

特細(xì)砂混凝土的抗壓強(qiáng)度主要取決于原材料的種類與質(zhì)量、各組成材料之間的相對(duì)比例。 此外,粗骨料的種類對(duì)特細(xì)砂混凝土抗壓強(qiáng)度也有重要影響,原則上相對(duì)密度較大、致密、堅(jiān)硬、表面粗糙的粗骨料與砂漿黏結(jié)牢固,能有效提高混凝土強(qiáng)度。 目前,實(shí)際工程中特細(xì)砂混凝土強(qiáng)度一般都在C40 以下。 試驗(yàn)水平及因素與上相同,因素水平與表1相同。

3 特細(xì)砂配制混凝土和易性試驗(yàn)研究和坍落度結(jié)果分析

3.1 易性試驗(yàn)研究結(jié)果

坍落度試驗(yàn)是測(cè)定混凝土工作性好壞的最基本試驗(yàn)。 表2 列出了每組試驗(yàn)的材料構(gòu)成用量,表3為試驗(yàn)結(jié)果。

表2 混凝土試驗(yàn)配合比

表3 混凝土和易性試驗(yàn)結(jié)果

混凝土裝滿將坍落度筒后,清理好填裝時(shí)灑落的其他混凝土后,把坍落度筒緩緩提起,迅速把量筒放置一遍,用搗棍橫放在坍落度筒的筒頂,用直尺測(cè)量量筒高和混凝土最高點(diǎn)之間的距離,該距離就是這組混凝土的坍落度值;若發(fā)現(xiàn)混凝土有崩塌現(xiàn)象,則應(yīng)從新進(jìn)行試驗(yàn);若還是一樣有崩塌出現(xiàn),該混凝土工作性還有待改善。 黏聚性好壞的判定通常用搗棒在混凝土側(cè)面敲打,若有崩塌現(xiàn)象說明黏聚性不好。 若有稀漿從底部流出,說明保水性較差;若反之保水性良好。 坍落度測(cè)量值精確至1 mm,結(jié)果表達(dá)至5 mm。

如果為了滿足施工的特殊需要或特殊環(huán)境的需要,為改進(jìn)混凝土的工作性,迫不得已就要增加水泥或其他的外加化學(xué)劑的用量,施工的經(jīng)濟(jì)成本。 澆筑坍落度高的混凝土也會(huì)帶來以下兩個(gè)好處:一個(gè)是經(jīng)濟(jì)方面,另一個(gè)是技術(shù)方面。 經(jīng)濟(jì)上的好處包括澆筑更快(因而生產(chǎn)效率更高)、需要的振搗更少(減少人力成本以及振搗設(shè)備和模架的損耗)。

3.2 極差法分析混凝土拌合物坍落度試驗(yàn)分析

通過正交試驗(yàn)中的極差分析方法,可以得到主次因素,進(jìn)一步能得到最優(yōu)組合。 混凝土的澆筑還應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)種類(鋼筋的密度、結(jié)構(gòu)的形狀和尺寸)和實(shí)際工程操作中實(shí)際要遇到的技術(shù)困難和外部環(huán)境進(jìn)行選擇。 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者和施工澆筑的工人最了解澆筑所要遇到的困難,實(shí)際拌制出的混凝土應(yīng)當(dāng)注明所拌制的混凝土適合的稠度等級(jí),這樣能使混凝土得到更好的應(yīng)用。

拌合物的坍落度影響因素是水膠比和砂率,水膠比越大混凝土的和易性越是良好,砂率變大對(duì)拌合物的影響同樣很大。 當(dāng)水膠比的值小時(shí),水泥漿相對(duì)來說就會(huì)變得較稠,所造成的后果就是流動(dòng)性小甚至難以密實(shí)成型;而水膠比變大時(shí),水泥漿又會(huì)變得很稀,拌合物的流動(dòng)性變大,黏聚性和保水性就會(huì)受到影響。 當(dāng)水膠比過大時(shí),將會(huì)有離析泌水現(xiàn)象。 因此,為了得到合格標(biāo)準(zhǔn)的混凝土,水膠比值不能太大不能太小。 本試驗(yàn)水膠比達(dá)到0.46 時(shí),坍落度達(dá)到最大值,水膠比為0.4 是,坍落度值最小。砂率是砂子占石子和砂子總和的比率。 砂率的變化,直接影響著砂子的空隙率和總比表面積的變化。砂率的變化對(duì)拌合物的坍落度值影響很大,并且是主要影響因素。 砂率較小時(shí),石子之間的大量空需要水泥漿來作為填充物填充,導(dǎo)致坍落度降低;砂率較大時(shí),比表面積就會(huì)加大,為了滿足混凝土的工作性就需要更多的水泥漿,從而導(dǎo)致坍落度也會(huì)降低;本試驗(yàn)當(dāng)砂率達(dá)到32%時(shí),拌合物的坍落度值達(dá)到最大值。 當(dāng)石子與石子之間的空隙被顆粒級(jí)配良好的砂子填充就是我們所說的合理砂率。

混凝土各個(gè)骨料之間及水泥表面附著著一層薄薄的水膜,在顆粒和顆粒之間起到了潤(rùn)滑的作用,拌合物的流動(dòng)性得到體現(xiàn)。 而拌合物的黏聚性也靠水在個(gè)材料之間的張力作用。 若用水少,水膜較薄,黏聚性會(huì)差;若用水量太多,砂子與石子本身的毛細(xì)孔會(huì)被水來填充填滿,張力作用變?nèi)?黏聚性也會(huì)變得很差,還常常伴有泌水現(xiàn)象的發(fā)生。 所以混凝土用水量不宜過大和過小。 且經(jīng)過多次試驗(yàn)表明,當(dāng)砂率和粗細(xì)骨料種類確定后,在某一段水膠比范圍內(nèi),單位用水量是決定坍落度的主要因素,而其他因素變?yōu)榇我蛩?我們稱這一現(xiàn)象為固定加水量定則。這一定則為配合比的設(shè)定提供了參考依據(jù)。 本試驗(yàn)用水量的增加導(dǎo)致坍落度出現(xiàn)略微遞減的規(guī)律,用水量為175 kg 時(shí)為最優(yōu)水平選擇。

3.3 影響權(quán)重值的計(jì)算

應(yīng)用層次分析法(AHP)是一種定性和定量相結(jié)合的、系統(tǒng)化的科學(xué)合理分析方法。 根據(jù)結(jié)果會(huì)直觀表示各因素水平對(duì)坍落度的影響權(quán)重比例如圖1 所示。 各因素中砂率所占比重較大,其他因素對(duì)坍落度值也有一定的影響;第二是水膠比影響因素;第三影響因素為單位用水量因素。 通過公式計(jì)算得到各個(gè)因素對(duì)坍落度值的影響權(quán)重:其中砂率最大達(dá)到了49.6%、其次水膠比35.6%、最后是單位用水量14.8%。

圖1 各因素水平對(duì)坍落度的影響權(quán)重比例圖

3.4 對(duì)比試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

本試驗(yàn)在正交設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上,選取合理砂率值32%基礎(chǔ)上,采用等量替代法添加粉煤灰,粉煤灰取代率分別為0%,10%,20%,30%,40%時(shí)來研究混凝土性能的變化。 按照第三章配合比計(jì)算過程,摻加粉煤灰后試驗(yàn)結(jié)果如圖2 所示。

圖2 摻加粉煤灰對(duì)坍落度值

摻加了粉煤灰的4 組混凝土拌合物的坍落度與未摻的組相比,混凝土坍落度都得到了提高,其值分別提高了10 mm,30 mm,43 mm,23 mm,并且粉煤灰摻加的越多,坍落度增加值越大,當(dāng)摻量為30%達(dá)到最大,隨后摻量40%時(shí)坍落度增加值略有降低。

因?yàn)榉勖夯沂且环N火山灰材料,顆粒大多數(shù)是光滑球形,也有一些大顆粒屬于中空球形(即玻璃漂珠)或不規(guī)則空心顆粒。 摻入粉煤灰后各材料之間的摩擦力降低,混凝土流動(dòng)性變大同時(shí)減小用水量減輕泌水,混凝土性能得到改善。

粉煤灰的加入增大了漿體的體積。 漿體填充了骨料之間的體積,同時(shí)包裹了各個(gè)骨料的表面,流動(dòng)性和可塑性變的更好。 各個(gè)骨料界面的摩擦受到粉煤灰的影響(其形狀起到軸承的效果),改善了混凝土和易性。 但也還存在其他機(jī)理作用,甚至可能還是主導(dǎo)因素。 特別是由于電荷作用,較細(xì)的粉煤灰顆粒會(huì)被吸附在水泥顆粒表面。 如果有足夠的粉煤灰顆粒包裹水泥顆粒表面,則水泥顆粒變?yōu)榻庑鯛顟B(tài),在保持工作性一定的條件下可以降低用水量。如果粉煤灰用量超過包裹水泥表面所需的量,就達(dá)不到降低用水量的效果。 當(dāng)摻量30%時(shí)達(dá)到最大,坍落度值達(dá)到最大,填充效果達(dá)到最佳。

4 特細(xì)砂混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)測(cè)其7 d、28 d 的抗壓強(qiáng)度。 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)尺寸150 mm×150 mm ×150 mm,由于尺寸效應(yīng)影響,應(yīng)乘以折算系數(shù)0.95。 壓試塊時(shí)要注意幾何對(duì)中,清除表面雜物;除此,壓力機(jī)的加載的速率也有相關(guān)規(guī)定。 強(qiáng)度小于C30 的混凝土,加載速度一般控制在0.3 ～0.5 MPa/s。 采用極差法分析得知:三個(gè)因素對(duì)7 d 與28 d 抗壓強(qiáng)度的影響變化走勢(shì)和規(guī)律基本類似,但28 d 的水膠比斜率相比于其他兩項(xiàng)更大,28 d 的影響力大于7 d 的影響力。 總體上看,特細(xì)砂混凝土的抗壓強(qiáng)度與水膠比成反比,這與普通混凝土的變化規(guī)律相同(這是因?yàn)榛炷恋钠茐亩酁樗嗍c骨料的界面間,若混凝土水膠比較小,水泥石的黏結(jié)力大,混凝土抗壓強(qiáng)度提高);抗壓強(qiáng)度隨砂率的增加呈現(xiàn)出先增大后降低的趨勢(shì),試驗(yàn)測(cè)得當(dāng)砂率達(dá)到30%時(shí),抗壓強(qiáng)度值效果最佳;抗壓強(qiáng)度隨單位用水量的增加而降低。

4.2 對(duì)比設(shè)計(jì)試驗(yàn)與分析

為進(jìn)一步了解特細(xì)砂混凝土,所做試驗(yàn)中還摻加了粉煤灰(0%、10%、20%、30%、40%)來研究粉煤灰對(duì)特細(xì)砂混凝土的強(qiáng)度變化規(guī)律。 試驗(yàn)測(cè)試方法與上一章節(jié)所述試驗(yàn)相同。

摻入粉煤灰后,混凝土抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。 7 d 的抗壓強(qiáng)度隨著粉煤灰的摻加,強(qiáng)度分別降低了4 MPa、10 MPa、14 MPa、15 MPa。

圖3 不同摻量和不同天數(shù)的抗壓強(qiáng)度圖

28 d 的抗壓強(qiáng)度分別下降了7 MPa、14 MPa、16 MPa、19 MPa,這是因?yàn)榉勖夯胰〈瞬糠炙?水泥水化產(chǎn)生的硅酸三鈣變少,從強(qiáng)度會(huì)有所降低,同時(shí)粉煤灰也會(huì)抑制水泥中硅酸三鈣的水化反應(yīng),這大大影響了混凝土的早期強(qiáng)度。 摻量過大時(shí),部分粉煤灰沒有參與反應(yīng),所以摻合料摻量超過一定范圍內(nèi)時(shí),多余的摻合料只起到了細(xì)骨料的作用,并未參加化學(xué)反應(yīng)。 所以混凝土強(qiáng)度會(huì)隨摻摻合料合料摻量的增大水泥用量減少呈下降走勢(shì)。 可見,不能單純利用摻加粉煤灰來提高抗壓強(qiáng)度。

5 結(jié)論

(1)砂率對(duì)混凝土的坍落度影響比重最大,影響的權(quán)重值達(dá)到了49.58%;其次為水膠比,其權(quán)重比達(dá)到了35.64%,而單位用水量的影響權(quán)重為14.77%。

(2)通過正交試驗(yàn)得出,配制特細(xì)砂混凝土的合理砂率為30%,水膠比為0.46,單位用水量為175 kg 時(shí),混凝土和易性達(dá)到最佳。

(3)通過對(duì)比試驗(yàn)確定了粉煤灰可以有效改善混凝土工作性,同時(shí)粉煤灰的最佳摻量30%。

(4)影響混凝土抗壓強(qiáng)度的主要因素為水膠比,單位用水量和砂率次之。 混凝土的抗壓強(qiáng)度與粉煤灰的摻加量成反比。

(5)對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明:粉煤灰摻量分別為10%、20%、30%、40%時(shí),混凝土的7 d 抗壓強(qiáng)度平均比基準(zhǔn)混凝土抗壓強(qiáng)度降低4 MPa、10 MPa、14 MPa、15 MPa,28 d 的抗壓強(qiáng)度分別下降了7 MPa、14 MPa、16 MPa、19 MPa。