譚明 蘇紫敏 黃瀅 楊小龍 蘇天德

摘要：花崗巖破碎制成細(xì)骨料時(shí)與石灰?guī)r機(jī)制砂類似，具有大量的石粉，存在顆粒棱角性大、級(jí)配分布不良等問題，導(dǎo)致花崗巖機(jī)制砂混凝土拌和物工作性變差?；诖?，文章采用正交試驗(yàn)方法，設(shè)計(jì)不同因素水平，通過方差分析探究各因素對(duì)花崗巖機(jī)制砂路面混凝土力學(xué)性能的影響程度，進(jìn)而得到花崗巖機(jī)制砂路面混凝土的最優(yōu)配合比。結(jié)果表明：水膠比對(duì)花崗巖機(jī)制砂路面混凝土的坍落度、抗彎拉強(qiáng)度、抗壓及抗劈拉強(qiáng)度影響較大；砂率在一定范圍內(nèi)可以改善混凝土的坍落度；花崗巖機(jī)制砂路面混凝土最優(yōu)配合比為水膠比0.34、水泥342 kg/m3、粉煤灰38 kg/m3、水116 kg/m3、砂子657 kg/m3、碎石922 kg/m3、減水劑6.44 kg/m3。

關(guān)鍵詞：花崗巖機(jī)制砂；機(jī)制砂混凝土；正交試驗(yàn)；力學(xué)性能；配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U416.03 A 18 052 4

0 引言

河沙的大量采集不僅破壞河流生態(tài)環(huán)境，還會(huì)導(dǎo)致天然河沙資源日益匱乏。而機(jī)制砂原料分布廣泛、資源豐富，其使用降低了水泥混凝土工程成本［1-2］，并且廣西東部地區(qū)有著豐富的花崗巖，如果將其生產(chǎn)為機(jī)制砂，能極大地降低工程成本。然而，花崗巖機(jī)制砂的石粉含量、用水量、壓碎值較大，顆粒粗糙、級(jí)配較差，因此，摻入花崗巖機(jī)制砂往往會(huì)降低混凝土的工作性能、力學(xué)性能及耐久性。許多學(xué)者［3-6］研究發(fā)現(xiàn)，機(jī)制砂混凝土的力學(xué)性能與材料用量密切相關(guān)?；诖?，為確定機(jī)制砂混凝土配合比的最佳設(shè)計(jì)參數(shù)，眾多學(xué)者［7-11］均對(duì)機(jī)制砂混凝土進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)優(yōu)化，并證明其力學(xué)性能、工作性以及耐久性均滿足設(shè)計(jì)要求。因此，花崗巖機(jī)制砂混凝土配合比設(shè)計(jì)在水膠比、砂率、石粉含量、外加劑摻量以及集料級(jí)配等方面都有一些特殊要求。為提高花崗巖機(jī)制砂混凝土的各項(xiàng)性能，應(yīng)從原材料用量和材料設(shè)計(jì)參數(shù)出發(fā)，設(shè)計(jì)并優(yōu)化花崗巖機(jī)制砂混凝土的配合比。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)機(jī)制砂的力學(xué)性能、工作性能及耐久性能的研究取得了一定成果，但對(duì)花崗巖混凝土配合比設(shè)計(jì)優(yōu)化研究鮮有報(bào)道。為改善花崗巖機(jī)制砂混凝土的力學(xué)綜合性能及耐久性，本文將采用正交試驗(yàn)方法，探究各因素與花崗巖機(jī)制砂混凝土工作性及力學(xué)性能的顯著性影響程度，提出花崗巖機(jī)制砂路面混凝土的最優(yōu)配合比。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

1.1.1 水泥

所用水泥為廣西華潤紅水河牌水泥，其技術(shù)指標(biāo)見表1。

1.1.2 集料

粗集料為花崗巖碎石，技術(shù)指標(biāo)見表2。細(xì)集料采用細(xì)度模數(shù)為2.823、石粉含量為3.6%、堆積密度為1 545 kg/m3、堆積空隙率為42.8%、表觀密度為2 702 kg/m3以及壓碎值為19%的花崗巖。

1.1.3 外加劑

外加劑是減水率為15%的WYF-H緩凝高效型減水劑，具體技術(shù)指標(biāo)見表3。

1.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

將膠凝材料用量（A）、水膠比（B）、粉煤灰摻量（C）及砂率（D）作為影響因素，各因素水平見表4。試驗(yàn)采用正交表L16（44），安排16組試驗(yàn)組合。選用坍落度、抗彎拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度4個(gè)指標(biāo)，對(duì)花崗巖機(jī)制砂混凝土配合比進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.3 試驗(yàn)方法

為確保水泥混凝土路面具有良好的長期服役性能，混凝土拌和物在澆筑成型過程中應(yīng)具有良好的工作性，且盡量避免泌水和離析，凝結(jié)硬化后花崗巖機(jī)制砂路面混凝土也必須具備足夠的抗拉及抗壓強(qiáng)度?；诖?，本研究選用坍落度、抗彎拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度4個(gè)指標(biāo)，對(duì)花崗巖機(jī)制砂混凝土配合比進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)?；◢弾r機(jī)制砂路面混凝土工作性能及力學(xué)性能的測(cè)試方法見表5。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 坍落度測(cè)試結(jié)果

花崗巖機(jī)制砂混凝土正交試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見表6，坍落度極差分析結(jié)果見表7。由表6、表7可知：

（1）水膠比是影響花崗巖機(jī)制砂路面混凝土工作性能的主要因素，隨水膠比的增大，試件坍落度逐漸增大。這是由于水膠比越大，膠凝體系中的自由漿體越多，集料間的摩擦阻力越小，從而使得拌和物坍落度減小。

（2）對(duì)于花崗巖機(jī)制砂路面混凝土坍落度而言，各因素的影響顯著性主次順序?yàn)樗z比>膠凝材料用量>砂率>粉煤灰摻量。其中砂率對(duì)應(yīng)的極差小于水灰比對(duì)應(yīng)的極差，但與粉煤灰摻量對(duì)應(yīng)的極差相近，說明砂率對(duì)坍落度具有一定的影響，摻入粉煤灰可以改善花崗巖機(jī)制砂混凝土的坍落度。

（3）膠凝材料用量的極差大于粉煤灰摻量的極差，且具有同一最優(yōu)水平分別為A4和C4，說明隨著膠凝材料用量及粉煤灰摻量的增加，花崗巖機(jī)制砂路面混凝土坍落度逐漸增大。此外水膠比及砂率的最佳水平為B1和D1，最優(yōu)組合為A4B1C4D1。

2.2 力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

2.2.1 抗彎拉強(qiáng)度

路面混凝土抗彎拉強(qiáng)度極差分析結(jié)果見下頁表8。

根據(jù)表8可知，花崗巖機(jī)制砂路面混凝土7 d、28 d抗彎拉強(qiáng)度影響因素順序依次為：水膠比>砂率>粉煤灰摻量>膠凝材料用量，即水膠比對(duì)混凝土抗彎拉強(qiáng)度的影響最大，并且各因素的影響程度隨齡期的增大逐漸減小。此外，在28 d齡期內(nèi)，水膠比對(duì)應(yīng)的極差遠(yuǎn)大于粉煤灰摻量、砂率及膠凝材料用量所對(duì)應(yīng)的極差，且在服役期間，花崗巖機(jī)制砂混凝土路面板主要受彎拉荷載，因此主要考慮28 d抗彎拉強(qiáng)度最佳的各因素組合為A3B4C3D3。

2.2.2 抗壓強(qiáng)度

花崗巖機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度極差分析結(jié)果見表9，各因素不同水平下抗彎拉強(qiáng)度平均值如圖1所示。

由表9可知，水膠比對(duì)花崗巖機(jī)制砂混凝土7 d及28 d抗壓強(qiáng)度的影響最大，砂率對(duì)花崗巖機(jī)制砂混凝土7 d抗壓強(qiáng)度的影響最??；水膠比對(duì)花崗巖機(jī)制砂混凝土28 d抗壓強(qiáng)度的影響最大，膠凝材料用量及砂率對(duì)花崗巖機(jī)制砂混凝土28 d抗壓強(qiáng)度的影響最小。因此，砂率對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響最小，水膠比對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響最大，并且抗壓強(qiáng)度隨著水膠比的減小而逐漸增大。此外，在7 d時(shí)，水膠比對(duì)應(yīng)的極差遠(yuǎn)大于粉煤灰摻量、砂率及膠凝材料用量所對(duì)應(yīng)的極差，且后三者之間同樣相差明顯；由于花崗巖機(jī)制砂的石粉活性較低，早期混凝土的抗壓強(qiáng)度會(huì)受到一定的影響，因此28 d時(shí)各因素所對(duì)應(yīng)的極差會(huì)減?。环勖夯覔搅窟^大不利于混凝土抗壓強(qiáng)度的形成，各因素對(duì)花崗巖機(jī)制砂混凝土前期抗壓強(qiáng)度形成的影響更為顯著?；诨炷猎缙诳箟簭?qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，得出抗壓強(qiáng)度各因素的最佳組合為A2B4C1D3。

由圖1可知，隨著水膠比的增大花崗巖機(jī)制砂路面混凝土7 d、28 d抗壓強(qiáng)度不斷下降；花崗巖機(jī)制砂路面混凝土7 d、28 d抗壓強(qiáng)度隨著砂率及膠凝材料用量呈先增大后減小的趨勢(shì)；粉煤灰摻量的增大會(huì)降低花崗巖機(jī)制砂路面混凝土的7 d抗壓強(qiáng)度?？梢姡饕蛩貙?duì)花崗巖機(jī)制砂混凝土各齡期抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律與抗彎拉強(qiáng)度基本相同。

2.2.3 劈裂強(qiáng)度

花崗巖機(jī)制砂抗劈拉強(qiáng)度極差分析結(jié)果見表10，各因素不同水平下抗劈拉強(qiáng)度平均值如圖2所示。

由表10可以發(fā)現(xiàn)，花崗巖機(jī)制砂路面混凝土7 d抗劈拉強(qiáng)度影響因素的主次順序?yàn)椋核z比>膠凝材料用量>粉煤灰摻量>砂率，而28 d抗劈拉強(qiáng)度影響因素的主次順序?yàn)椋核z比>砂率=粉煤灰摻量>膠凝材料用量，說明水膠比對(duì)抗劈拉強(qiáng)度的影響最大。

由圖2可知：（1）花崗巖機(jī)制砂路面混凝土7 d、28 d抗劈拉強(qiáng)度隨水膠比的增大而降低，這一趨勢(shì)在后期逐漸減小，但相比于抗彎拉強(qiáng)度其變化幅度較小；（2）花崗巖機(jī)制砂路面混凝土7 d、28 d抗劈拉強(qiáng)度隨膠凝材料用量增加呈逐漸增大的趨勢(shì)；（3）隨著粉煤灰摻量的增大，花崗巖機(jī)制砂路面混凝土7 d抗劈拉強(qiáng)度先增大后減小，但總體變化幅度不大；（4）隨著砂率的增大，花崗巖機(jī)制砂路面混凝土7 d、28 d抗劈拉強(qiáng)度先增大后減小，即砂率存在最佳值。

3 最優(yōu)配合比確定

本文選取重載交通作用下的高等級(jí)公路水泥路面混凝土作為研究對(duì)象，綜合考慮了花崗巖機(jī)制砂路面混凝土的坍落度、7 d及28 d抗彎拉強(qiáng)度、7 d及28 d抗壓強(qiáng)度、7 d及28 d抗劈拉強(qiáng)度，對(duì)花崗巖機(jī)制砂路面混凝土的最佳水平組合進(jìn)行決策，進(jìn)而確定最優(yōu)配合比，使得混凝土拌和物在澆筑成型過程中滿足施工和易性的要求，凝結(jié)硬化后具備足夠的抗彎拉強(qiáng)度抵抗行車荷載，并使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定密實(shí)，耐久性更好。經(jīng)正交試驗(yàn)得出的花崗巖機(jī)制砂路面混凝土各項(xiàng)性能對(duì)應(yīng)的各因素最佳水平如表11所示。

由表11可知，膠凝材料用量為380 kg/m3、水膠比為0.34時(shí)混凝土的28 d抗彎拉強(qiáng)度、7 d及28 d抗壓強(qiáng)度最大。因此確定膠凝材料用量為380 kg/m3，水膠比為0.34。

砂率在45%時(shí)混凝土坍落度抗彎拉強(qiáng)度達(dá)到最大，但砂率在43%時(shí)混凝土7 d、28 d抗壓強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值，并且考慮到砂率并不是抗彎拉強(qiáng)度的最顯著影響因素，因此確定砂率為43%。

粉煤灰摻量是7 d抗劈拉強(qiáng)度、28 d抗彎拉強(qiáng)度的最顯著影響因素，并且粉煤灰摻量為10%時(shí)，機(jī)制砂路面混凝土的各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到最優(yōu)，因此確定粉煤灰摻量為10%。

基于此，確定花崗巖機(jī)制砂路面混凝土最優(yōu)配合比如表12所示。

4 結(jié)語

（1）路面混凝土工作性能評(píng)價(jià)主要基于坍落度而定，坍落度主要影響因素為水膠比，其次為膠凝材料用量及砂率，粉煤灰摻量的影響相對(duì)最小，砂率在一定范圍內(nèi)可以改善混凝土的坍落度。

（2）隨著砂率的增大，花崗巖機(jī)制砂路面混凝土7 d、28 d抗彎拉強(qiáng)度呈先增大后減小的趨勢(shì)，并且在41%時(shí)達(dá)到最佳值。砂率越高抗彎拉強(qiáng)度的發(fā)展越慢，過大的砂率對(duì)前期抗彎拉強(qiáng)度的形成不利。

（3）水膠比對(duì)花崗巖機(jī)制砂路面混凝土抗彎拉強(qiáng)度、抗壓及劈裂抗拉強(qiáng)度的影響較大，其次為粉煤灰摻量、砂率和膠凝材料摻量。

參考文獻(xiàn)

［1］劉曉剛.機(jī)制砂的特點(diǎn)及其對(duì)瀝青混凝土路面造價(jià)的影響［J］.黑龍江交通科技，2011，34（6）：79.

［2］吳大鴻.中國公路行業(yè)機(jī)制砂混凝土發(fā)展綜述［J］.中國公路，2023（8）：28-33.

［3］徐 劍，崔春亮，王立莊.C40機(jī)制砂自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)及性能研究［J］.江西建材，2022（12）：22-23，26.

［4］李建東，李新華，李 信.機(jī)制砂制備高流態(tài)C30襯砌混凝土的配合比研究［J］.交通科技，2022（5）：104-106，144.

［5］郎貴軍，李軍偉，武劍鋒，等.材料配合比對(duì)機(jī)制砂混凝土流動(dòng)性影響的試驗(yàn)研究［J］.交通建設(shè)與管理，2021（4）：109-113.

［6］Lu Zili，Yang Zhenguo，Shen Weiguo，et al.Proportion Design Parameter of Manufactured Sand Concrete［J］.Journal of Wuhan University of Technology，2014，36（12）：32-36.

［7］張 興，蘇志煥.純機(jī)制砂混凝土配合比的設(shè)計(jì)及優(yōu)化［J］.廣東土木與建筑，2023（3）：112-115.

［8］翟文靜.機(jī)制砂混凝土配合比設(shè)計(jì)方法研究［D］.北京：北京建筑大學(xué)，2023.

［9］白安生.玄武巖機(jī)制砂制備C50混凝土配比正交試驗(yàn)研究［J］.路基工程，2022（2）：94-99.

［10］Shen W，Liu Y，Cao L，et al.Mixing design and microstructure of ultra high strength concrete with manufactured sand［J］.CONSTRUCTION AND BUILDING MATERIALS，2017（143）：312-321.

［11］Ji T，Chen C，Zhuang Y，et al.A mix proportion design method of manufactured sand concrete based on minimum paste theory［J］.CONSTRUCTION AND BUILDING MATERIALS，2013（44）：422-426.

收稿日期：2023-06-20