賈璐衛(wèi),范海宏,米曉凡,尚 碩,李 琳,李 周

(西安建筑科技大學 材料科學與工程學院,陜西 西安 710055)

1 前 言

當前陶?；炷潦俏覈p骨料混凝土的重要研究對象,與普通混凝土相比,陶?；炷量梢栽诒ＷC強度要求的條件下降低結構的自重,常用于高層建筑、大跨土木工程的結構混凝土材料。國內外學者針對陶?；炷恋男阅茏隽吮姸嗵接?例如李玉平等[1]和鄧宏衛(wèi)等[2]研究了粉煤灰對陶粒混凝土強度和抗鹽凍性的影響;Youm 等[3]研究了摻量分別為0%、3.5%和7.0%的硅灰對輕骨料混凝土強度和耐久性的影響,指出硅灰的適量摻入可以增大抗壓強度,但對抗凍性的影響不大;趙威等[4]分析了陶粒粒徑及級配對混凝土抗壓強度和抗折強度的影響,結果表明單一粒徑15 mm 制備的陶?；炷亮W性能較好;穆龍飛等[5]研究發(fā)現陶粒預濕會導致混凝土早期強度較低,但28 d強度會提高;孔麗娟等[6]指出陶?；炷量箖鲂噪S預濕程度的增加逐漸減弱。除此之外,有關粉煤灰[7-8]、硅灰[9-11]、陶粒級配[12-13]和陶粒預濕時間[14-15]對陶粒輕骨料混凝土力學和耐久性能的影響研究眾多,但研究因素都較單一,對于這四個因素對陶粒混凝土綜合性能的影響評價則鮮有探討。

本研究利用正交試驗設計,基于AHP 層次分析法和極差分析,對陶粒輕骨料混凝土強度、抗凍性及收縮性3項性能為主的綜合性能影響因素進行研究,確定其最優(yōu)配合比,以期為陶?；炷恋墓こ虒嶋H運用提供參考。

2 實 驗

2.1 原材料

試驗用原材料包括:產地為陜西三原的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥;西安電廠產Ⅱ級粉煤灰,燒失量為5.6%;采用的硅灰二氧化硅含量87%,比表面積為26.3 m2/g;粗骨料為污泥陶粒,堆積密度為830 kg/m3,表觀密度為1 380 kg/m3,筒壓強度6.2 MPa,將陶粒分為5～10 mm 和10～15 mm 兩種粒級進行試驗,10～15 mm 粒級陶粒摻量比例分別為0%、33.3%、66.7%、100%,其不同預濕時間下的吸水率見圖1;細骨料為西安市涇陽河砂,堆積密度為1 520 kg/m3,表觀密度為2 730 kg/m3,細度模數3.11,屬于粗砂,含泥量小于1%;外加劑為540P聚羧酸高性能減水劑,減水率28%;普通自來水。原材料粒度分布見表1。

表1 原材料粒度分布表Table 1 Particle size distribution of raw materials

圖1 不同10～15 mm 粒級陶粒摻量下預濕時間與吸水率的關系Fig.1 Relationship between prewetting time and water absorption under different dosages of 10-15 mm ceramsite

2.2 正交試驗設計

本研究的試驗采用正交試驗設計方法,選定4個考察因素,采用4因素4水平的正交試驗表L16(44),試驗因素與水平見表2。

表2 試驗因素與水平Table 2 Test factors and levels

陶?；炷恋呐浜媳仍O計參考JGJ/T 12-2019《輕骨料混凝土應用技術標準》,混凝土強度設計等級為LC40,膠凝材料(水泥、粉煤灰、硅灰)總量為480 kg/m3,陶?？偭繛?525 kg/m3,河砂為640 kg/m3,水膠比0.33,減水劑摻量為膠材總量的0.4%,表3為正交試驗設計方案。

表3 混凝土正交設計配合比Table 3 Concrete orthogonal design mix proportion kg/m3

2.3 層次分析法(AHP)

AHP是美國運籌學家薩蒂提出的一種定性與定量相結合的層次權重決策分析方法,該方法可以合理地給出每一層次的相對權重,進而得到各層次的優(yōu)劣次序?；舅悸肥菍⑺治龅膯栴}層次化,依據達成的總目標將問題分解為多項指標,每項指標包含多個影響因素,每個因素下有不同的水平,利用AHP對實驗數據分析得出各因素各水平對不同指標和總目標的影響權重。圖2為陶?；炷辆C合性能評價層次結構圖。

圖2 陶?；炷辆C合性能評價層次結構圖Fig.2 Hierarchy diagram of comprehensive performance evaluation of ceramsite concrete

2.4 試樣制備與測試方法

試樣分為16 組,每組12 塊,試塊制備1 d后脫模,隨后標準條件下養(yǎng)護。強度和抗凍性分別用28 d抗壓強度和100次凍融強度損失率表征,試樣均制成100 mm×100 mm×100 mm 非標準試塊;收縮性能采用90 d收縮率表征,試驗制成75 mm×75 mm×275 mm 非標準試塊。試驗主要依照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》和《普通混凝土長期性能和耐久性性能試驗方法》進行,抗壓強度測試選用YES-2000B 數顯型壓力試驗機,凍融試驗采用全自動混凝土凍融儀。

3 結果與分析

3.1 基本性能測試結果

16個試驗組陶?；炷?8 d抗壓強度、100次凍融強度損失率和90 d收縮率的測試結果見表4。從表可見,5#試塊的28 d抗壓強度達到最大,此時因素水平組合為A2B1C2D3;12#試塊的100 次凍融強度損失最小,此時因素水平組合為A3B4C2D1;1#試塊的90 d收縮率最小,此時因素水平組合為A1B1C1D1。陶?；炷? 項基本性能所對應的最優(yōu)組合不盡相同,為方便進行各試驗組28 d抗壓強度、100次凍融強度損失率和90 d 收縮率的綜合評價,本試驗利用AHP法確定各個評價指標的權重,采用極差分析和AHP法確定因素各水平對各個指標的影響權重和最優(yōu)配合比。

表4 評價指標試驗值和標準值結果Table 4 Results of evaluation index test value and standard value

3.2 指標權重分析

合理確定陶?；炷炼囗椫笜说臋嘀啬芴岣咴u價結果的可靠有效性。利用AHP 將復雜問題分解為多指標的層次結構,可以確定各指標的主次順序,客觀全面地體現樣本的數據信息。依照正交試驗法,所考察的28 d抗壓強度、100次凍融強度損失和90 d收縮率稱為指標,為消除這3項評價指標單位量綱的影響,方便對指標的分析評價,先采用極差変換法[16]對試驗數據做線性標準化處理,即:

當指標要求越大越好時,

當指標要求越小越好時,

式中:x i,y i表示指標i的試驗值和標準值;max(x i),min(x i) 表示指標i的最大值和最小值;各項指標標準值結果見表4。

依照AHP確定指標權重的方法,將陶?；炷?8 d抗壓強度、100次凍融強度損失率和90 d收縮率3項性能指標分為3個層次,并根據其相對重要程度確定各指標的優(yōu)先順序為:28 d抗壓強度＞100次凍融強度損失率＞90 d收縮率。因此,28 d抗壓強度與100次凍融強度損失率對比后賦值3;28 d抗壓強度與90 d收縮率對比后賦值5;100次凍融強度損失率與90 d收縮率對比后賦值2。利用Yaahp12.5軟件,計算得到這3 項性能指標的AHP 權重ω 分別為0.648 3、0.229 7 和0.122(一致性比例因子CR=0.003 6＜0.10,權重系數有效)。

各組最后的綜合評分為:綜合評分=(28 d抗壓強度標準值×0.648 3+100次凍融強度損失率標準值×0.229 7+90 d收縮率標準值×0.122)×100,其結果見表4。

3.3 因素權重分析及最優(yōu)配比確定

依據正交試驗分析方法,對試驗結果和綜合評分值進行極差分析,并利用AHP 層次分析法對結果進行統(tǒng)計分析得出每一因素下各個水平對多指標的影響權重值,從而確定因素的主次順序,因素各水平對指標的影響權重ω計算公式[17]如下:

其中:A表示水平試驗影響效應矩陣;AS表示水平標準影響效應矩陣;C表示因素試驗影響權重矩陣;權重計算結果見表5。

表5 因素各水平對多項指標的影響權重Table 5 Impact weight of each level of factors on multiple indicators

從表中28 d抗壓強度的因素極差值看出,硅灰摻量對抗壓強度的影響最大,其次是陶粒預濕時間和粉煤灰摻量,兩者較為接近,而10～15 mm 粒級陶粒摻量的影響最小。其中4個因素對抗壓強度的影響權重依次為:硅灰摻量(0.360 3)＞陶粒預濕時間(0.226 2)＞粉煤灰摻量(0.217 8)＞10～15 mm 粒級陶粒摻量(0.195 8)。在因素4個水平中,影響權重最大的分別是A4(粉煤灰摻量30%)、B3(硅灰摻量5%)、C4(10～15 mm 粒級陶粒摻量100%)和D3(陶粒預濕時間6 h)。

由100次凍融強度損失的各因素極差值看出,粉煤灰摻量對凍融強度損失的影響最大,其次是陶粒預濕程度,再次是硅灰摻量,而10～15 mm 粒級陶粒摻量的影響最小。其中4個因素對100次凍融強度損失率的影響權重依次為:粉煤灰摻量(0.317 3)＞陶粒預濕時間(0.306 7)＞硅灰摻量(0.239 5)＞10～15 mm 粒級陶粒摻量(0.124 3)。在因素4個水平中,影響權重最大的分別是A1(粉煤灰摻量0%)、B4(硅灰摻量10%)、C2(10～15 mm 粒級陶粒摻量33.3%)和D1(陶粒預濕時間0 h)。

從表5中90 d收縮率的各因素極差值看出,陶粒預濕時間對收縮的影響最大,其次是硅灰摻量和10～15 mm 粒級陶粒摻量,兩者比較接近,而粉煤灰摻量的影響相對最小。其中4個因素對90 d收縮率的影響權重依次為:陶粒預濕時間(0.332 4)＞硅灰摻量(0.283 8)＞10～15 mm 粒級陶粒摻量(0.268 7)＞粉煤灰摻量(0.122 5)。在因素4個水平中,影響權重最大的分別是A3(粉煤灰摻量20%)、B1(硅灰摻量0%)、C1(10～15 mm 粒級陶粒摻量0%)和D1(陶粒預濕時間0 h)。

從表5中3項指標綜合評分的因素極差值看出,硅灰摻量對綜合性能的影響最大,屬于主要因素;粉煤灰摻量是影響綜合性能的次要因素;而10～15 mm 粒級陶粒摻量和陶粒預濕時間的影響相對較小,兩者比較接近,屬于一般因素。其中4個因素對該陶?；炷辆C合性能的影響權重依次為:硅灰摻量(0.329 6)＞粉煤灰摻量(0.284)＞陶粒預濕時間(0.197 1)＞10～15 mm 粒級陶粒摻量(0.189 3)。在因素4個水平中,影響權重最大的分別是A2(粉煤灰摻量10%)、B3(硅灰摻量5%)、C4(10～15 mm 粒級陶粒摻量100%)和D3(陶粒預濕時間6 h)。由此得出,陶粒混凝土的最佳配合比為A2B3C4D3。

3.4 試驗驗證

由于最優(yōu)配比A2B3C4D3未包含在16組正交試驗中,故設計平行驗證試驗對優(yōu)選結果進行驗證:試塊的制備按照粉煤灰、硅灰、10～15 mm 粒級陶粒摻量分別為10%、5%、100%,且陶粒預濕6 h。最終試驗結果:28 d抗壓強度為55.26 MPa,100次凍融強度損失率為20.72%,90 d收縮率為8.05×10-4,綜合評分為97.96,相比于其他試驗組綜合性能最優(yōu)。

4 結 論

基于AHP 層次分析法,得出4個因素對陶?；炷辆C合性能的影響權重依次為:硅灰摻量(0.329 6)＞粉煤灰摻量(0.284)＞陶粒預濕時間(0.197 1)＞10～15 mm 粒級陶粒摻量(0.189 3),其中硅灰和粉煤灰摻量分別是影響陶?；炷辆C合性能的主次要因素。

陶?；炷恋淖罴雅浜媳葹榉勖夯覔搅?、硅灰摻量、10～15 mm 粒級陶粒摻量分別為10%、5%、100%,陶粒預濕6 h,在此條件下制備的陶?；炷辆C合性能最優(yōu)。

所采用的數據分析方法可以較為精確的判斷陶?；炷辆C合性能的優(yōu)劣,對陶?；炷恋呐浜媳葍?yōu)化具有一定的指導意義。