凌 建 軍

(中鐵十八局集團(tuán)建筑安裝工程有限公司， 天津 300308)

機(jī)制砂混凝土已經(jīng)成為解決天然河砂匱乏難題的重要手段，對(duì)其配合比進(jìn)行優(yōu)化具有重要意義，除此之外，如何根據(jù)材料配比預(yù)測(cè)混凝土的強(qiáng)度也是可促進(jìn)機(jī)制砂混凝土快速發(fā)展的重要因素。

目前，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)機(jī)制砂混凝土的力學(xué)特性展開了較多研究，相關(guān)研究主要集中于以下幾個(gè)方面：某個(gè)特定摻料配比對(duì)機(jī)制砂混凝土力學(xué)指標(biāo)的影響，如劉世星[1]、徐鑫等[2]、寧成晉[3]和張敏等[4]的研究；對(duì)低標(biāo)號(hào)混凝土的配比進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，如黃煒[5]，吳小鋒等[6]的研究；機(jī)制砂中某一含量對(duì)混凝土力學(xué)指標(biāo)的影響，如郭維媛[7]、程小栓等[8]通過試驗(yàn)研究了石粉所占質(zhì)量比例對(duì)混凝土的力學(xué)指標(biāo)的影響，并量化了兩者之間的相關(guān)數(shù)學(xué)關(guān)系；田進(jìn)[9]、張亞曼等[10]通過大量試驗(yàn)研究了鋼渣物理化學(xué)特性、含量等對(duì)混凝土力學(xué)指標(biāo)的影響，并量化了鋼渣對(duì)其的影響規(guī)律和程度；除此之外，部分學(xué)者還對(duì)機(jī)制砂中某一成分變化對(duì)混凝土工作特性的影響展開了深入研究，如施忠旗等[11]通過室內(nèi)試驗(yàn)探討了石粉的質(zhì)量比例對(duì)混凝土成形過程中放熱特性進(jìn)行了研究，確定了其早期的放熱系數(shù)。以上專家學(xué)者的研究成果可為機(jī)制砂混凝土的工程實(shí)踐提供較好的試驗(yàn)依據(jù)和理論指導(dǎo)，但由于上述研究中分析的因素相對(duì)較少，并沒有綜合考慮機(jī)制砂摻料全因素對(duì)其抗壓強(qiáng)度影響。同時(shí)，上述因素并未對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步分析，基于試驗(yàn)結(jié)果建立混凝土強(qiáng)度預(yù)測(cè)方法對(duì)于機(jī)制砂混凝土的工程應(yīng)用具有重要意義。

基于此，采用室內(nèi)正交試驗(yàn)對(duì)高強(qiáng)度玄武巖機(jī)制砂混凝土抗壓特性進(jìn)行了研究，分析了機(jī)制砂摻入量、鋼渣摻入量、粉煤灰摻入量、水泥摻入量等因素對(duì)其7 d、28 d和56 d抗壓強(qiáng)度的影響，探討了各因素影響顯著性；在此基礎(chǔ)之上，對(duì)比分析了不同階數(shù)函數(shù)對(duì)抗壓強(qiáng)度的預(yù)測(cè)效果，并采用三階非線性函數(shù)建立并驗(yàn)證了機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度的預(yù)測(cè)模型。

1 試驗(yàn)材料及方案

1.1 機(jī)制砂制備

機(jī)制砂選自云南省楊柳至宣威高速公路項(xiàng)目2標(biāo)段主線工程，該工程全長(zhǎng)9.62 km，設(shè)計(jì)速度為100 km/h。全線包含橋梁工程近20余座，隧道工程近4 km，對(duì)混凝土需求量極大。宣威市境內(nèi)沒有大河，又是在旅游業(yè)大省云南，環(huán)境保護(hù)相當(dāng)嚴(yán)格，因此沒有河沙可利用。

機(jī)制砂混凝土作為解決天然河砂匱乏難題的重要手段，會(huì)對(duì)該工程順利進(jìn)行提供便利條件。根據(jù)前期的地質(zhì)調(diào)研和外圍測(cè)驗(yàn)表明：該工程中隧道開挖而出的玄武巖節(jié)理發(fā)育良好，成分、顆粒形態(tài)及質(zhì)地硬脆。因此，可將隧道開挖得到的玄武巖進(jìn)行資源再利用，制成機(jī)制砂用于混凝土制備。

通過自主研發(fā)的制砂機(jī)生產(chǎn)出玄武巖機(jī)制砂，能夠滿足機(jī)制砂顆粒級(jí)配、含泥量、含粉量等要求，其主要參數(shù)如表1所示。

表1 玄武巖機(jī)制砂主要物理化學(xué)參數(shù)

其中，其顆粒級(jí)配如表2所示，級(jí)配曲線如圖1所示。由圖可知，顆粒級(jí)配能夠達(dá)到規(guī)范要求，可作為高強(qiáng)度混凝土摻料使用。

表2 顆粒級(jí)配表

圖1 機(jī)制砂顆粒級(jí)配

1.2 其他試驗(yàn)材料

(1) 水泥：試驗(yàn)中采用云南省某水泥廠生產(chǎn)的P.O 42.5R級(jí)水泥，經(jīng)過測(cè)定其28 d實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度達(dá)到50.1 MPa，滿足試驗(yàn)要求。

(2) 試驗(yàn)用砂：天然砂為云南省楊宣周邊河砂。

(3) 石子：最大的粒徑為30.6 mm，且整體顆粒級(jí)配連續(xù)(4.75 mm～9.50 mm占25%，9.5 mm～19.0 mm占55%，19.0 mm～31.5 mm占20%組合)。

(4) 水：自來水。

(5) 粉煤灰及鋼渣：試驗(yàn)中采用II級(jí)粉煤灰和S75級(jí)鋼渣粉，具體性能如表3與表4所示。

表3 粉煤灰的性能指標(biāo)

表4 鋼渣粉的性能指標(biāo)

(6) 外加劑：重慶天耀建材有限公司生產(chǎn)的TY-J25緩凝劑。

1.3 試驗(yàn)因素及水平

根據(jù)前人研究成果和混凝土各摻料材料的特點(diǎn)，以及云南楊宣混凝土工程實(shí)際對(duì)力學(xué)性能的要求，本次試驗(yàn)選取粉煤灰的摻量、鋼渣的摻量、機(jī)制砂的摻量、天然砂和機(jī)制砂總量比例(砂率)和水膠比這五個(gè)變量作為正交試驗(yàn)因素。為了研究上述因素對(duì)機(jī)制砂混凝土坍落度和擴(kuò)展度的影響并找出工作性能最優(yōu)的配比，制定L25(65)正交試驗(yàn)方案[12]，其中水膠比五水平為0.30、0.35、0.40、0.45、0.50；粉煤灰摻量五水平為0.05、0.10、0.15、0.20、0.25；鋼渣粉摻量五水平為0.05、0.10、0.15、0.20、0.25；機(jī)制砂摻量五水平為0、0.25、0.50、0.75、1.00；砂率五水平為0.40、0.41、0.42、0.43、0.44。

1.4 試驗(yàn)方案及結(jié)果

試驗(yàn)中配比嚴(yán)格按照試驗(yàn)方案進(jìn)行，試件長(zhǎng)寬高均為15 cm，養(yǎng)護(hù)后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度的測(cè)試，每個(gè)試驗(yàn)方案均含3組平行試驗(yàn)，取三組平均值為該方案最終強(qiáng)度。最終試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 正交試驗(yàn)結(jié)果

通過上述試驗(yàn)獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)后，可進(jìn)一步對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究各獨(dú)立摻料摻量對(duì)不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下的力學(xué)指標(biāo)的影響。為便于書寫，將影響成分水膠比、粉煤灰的摻量、鋼渣的摻量、機(jī)制砂的摻量和砂率，分別用b1、b2、b3、b4和b5代替。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以得到b1、b2、b3、b4和b5五個(gè)因素的試驗(yàn)結(jié)果方差，如表6所示。由表6中數(shù)據(jù)對(duì)比可知，水膠比的方差均較大，分別達(dá)到了68.9和42.2，影響較為顯著；而砂率和機(jī)制砂摻量的方差均較小，分別為0.9和0.6及1.0和1.0。該結(jié)果與極差分析較為接近，共同說明了水膠比影響較大，而機(jī)制砂摻量和砂率產(chǎn)生的影響較為微弱。

表6 方差分析

2 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 水膠比影響

采用單一變量法展開研究，即保持其他因素不變，只改變水膠比，對(duì)比分析不同養(yǎng)護(hù)齡期下強(qiáng)度ft隨水膠比變化曲線如圖2所示。由圖2中曲線不難看出，隨著水膠比的增大，不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下的力學(xué)指標(biāo)減小，且養(yǎng)護(hù)時(shí)間越長(zhǎng)，力學(xué)指標(biāo)減小的幅度變得越大。分析其原因?yàn)椋核z比越大，其蒸發(fā)過程會(huì)在玄武巖機(jī)制砂混凝土的內(nèi)部形成較多的孔隙，影響其整體強(qiáng)度；且隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長(zhǎng)，混凝土中孔隙體積更大，因此強(qiáng)度降低更加明顯。

圖2 水膠比對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響曲線

將上述因素與試驗(yàn)結(jié)果擬合，不同類型擬合函數(shù)得到的方差如表7所示。

表7 擬合函數(shù)類型及方差

由表7可知，與線性擬合函數(shù)相比，多項(xiàng)式擬合效果較好，且3階多項(xiàng)式計(jì)算方差最大，擬合效果最好。

2.2 粉煤灰摻量影響

采用單一變量法展開研究，即保持其他因素不變，只改變粉煤灰的摻入量，對(duì)比分析不同養(yǎng)護(hù)齡期下強(qiáng)度隨粉煤灰的摻入量變化曲線如圖3所示。分析圖3可以看出，隨著粉煤灰摻量的增大，不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下的抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，不同養(yǎng)護(hù)齡期下，強(qiáng)度衰減率大體相同。究其原因：粉煤灰與水反應(yīng)的效果較差，其活性比水泥較低，水化反應(yīng)不理想，在混凝土硬化過程中，在一定程度上降低了混凝土的粘聚性與親活力，使得混凝土的強(qiáng)度降低。

圖3 粉煤灰摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響曲線

將上述因素與試驗(yàn)結(jié)果擬合，不同類型擬合函數(shù)得到的方差如表8所示。

表8 擬合函數(shù)類型及方差

由表8可知，與線性擬合函數(shù)相比，多項(xiàng)式擬合效果較好，且3階多項(xiàng)式計(jì)算方差最大，擬合效果最好。

2.3 鋼渣摻量影響

采用單一變量法展開研究，即保持其他因素不變，只改變鋼渣的摻入量，對(duì)比分析不同養(yǎng)護(hù)齡期下強(qiáng)度隨鋼渣的摻入量變化曲線如圖4所示。分析圖4可知，隨著鋼渣摻量的增加，玄武巖機(jī)制砂混凝土的抗壓強(qiáng)度變化較小。原因在于：鋼渣的摻入，調(diào)整了混凝土拌合物粘聚性和保水性等工作性能，對(duì)于混凝土流動(dòng)性的影響較大，而對(duì)于抗壓強(qiáng)度的影響較小。

圖4 鋼渣摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響曲線

將上述因素與試驗(yàn)結(jié)果擬合，不同類型擬合函數(shù)得到的方差如表9所示。

表9 擬合函數(shù)類型及方差

由表9可知，與線性擬合函數(shù)相比，多項(xiàng)式擬合效果較好，且3階多項(xiàng)式計(jì)算方差最大，擬合效果最好。

2.4 機(jī)制砂摻量影響

采用單一變量法展開研究，即保持其他因素不變，只改變機(jī)制砂的摻入量，對(duì)比分析不同養(yǎng)護(hù)齡期下強(qiáng)度隨機(jī)制砂的摻入量變化曲線如圖5所示。

圖5 機(jī)制砂摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響曲線

由圖5可以看出，隨著機(jī)制砂的增大，不同養(yǎng)護(hù)齡期下玄武巖機(jī)制砂混凝土的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，在摻量為75%時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大，故在施工時(shí)應(yīng)注意機(jī)制砂的摻量。

將上述因素與試驗(yàn)結(jié)果擬合，不同類型擬合函數(shù)得到的方差如表10所示。

表10 擬合函數(shù)類型及方差

由表10可知，與線性擬合函數(shù)相比，多項(xiàng)式擬合效果較好，且3階多項(xiàng)式計(jì)算方差最大，擬合效果最好。

2.5 砂率影響

采用單一變量法展開研究，即保持其他因素不變，只改變河砂和機(jī)制砂總量的摻入量，對(duì)比分析不同養(yǎng)護(hù)齡期下強(qiáng)度隨河砂和機(jī)制砂總量的摻入量變化曲線如圖6所示。

圖6 砂率對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響曲線

由圖6可知，隨著河砂和機(jī)制砂總量的增大，不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下的強(qiáng)度均呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，但增長(zhǎng)趨勢(shì)均較小。

將上述因素與試驗(yàn)結(jié)果擬合，不同類型擬合函數(shù)得到的方差如表11所示。

表11 擬合函數(shù)類型及方差

由表11可知，與線性擬合函數(shù)相比，多項(xiàng)式擬合效果較好，且3階多項(xiàng)式計(jì)算方差最大，擬合效果最好。

3 非線性回歸預(yù)測(cè)模型建立

綜合不同因素下的擬合效果可知，與線性擬合函數(shù)相比，多項(xiàng)式擬合效果較好，且3階多項(xiàng)式計(jì)算方差最大，擬合效果最好。因此，采用3階多項(xiàng)式進(jìn)行多元回歸，建立不同養(yǎng)護(hù)齡期下的玄武巖機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度預(yù)測(cè)公式。

將水平下水膠比、粉煤灰摻量、鋼渣摻量、機(jī)制砂摻量及砂率數(shù)值分別用x1、x2、x3、x4、x5代替，假定不同養(yǎng)護(hù)齡期下抗壓強(qiáng)度yt的非線性回歸模型為：

(1)

(2)

上式中共計(jì)15個(gè)未知數(shù)，將不同養(yǎng)護(hù)齡期的試驗(yàn)結(jié)果帶入上式中則可得到回歸方程中系數(shù)如表12所示。

表12 回歸方程系數(shù)表

公式計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比如圖7所示。

圖7 計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比圖

由圖7可知，本文建立的公式計(jì)算得到的抗壓強(qiáng)度與實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度分布于y=x線附近，說明兩者較為接近，預(yù)測(cè)效果較好。

4 非線性回歸預(yù)測(cè)模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文建立預(yù)測(cè)方法的準(zhǔn)確性，進(jìn)行了5組試驗(yàn)，具體方案如表13所示。

表13 具體方案表

除此之外，引用其他學(xué)者試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證[13-14]，對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果及計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

圖8 試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對(duì)比圖

由圖8可知，試驗(yàn)結(jié)果與本文建立的方法計(jì)算結(jié)果較為接近，本文建立的方法計(jì)算效果較好。但由于受到地域限制，不同地區(qū)機(jī)制砂特性有較大差異。因此，其他區(qū)域機(jī)制砂混凝土強(qiáng)度預(yù)測(cè)效果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)效果相比略差。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，需利用相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)提出模型進(jìn)行驗(yàn)證和完善。

5 結(jié) 論

采用室內(nèi)正交試驗(yàn)對(duì)高強(qiáng)度玄武巖機(jī)制砂混凝土抗壓特性進(jìn)行了研究，分析了機(jī)制砂摻量、鋼渣摻量、粉煤灰摻量、水膠比等因素對(duì)其抗壓強(qiáng)度的影響；在此基礎(chǔ)之上，對(duì)比分析了不同階數(shù)函數(shù)對(duì)抗壓強(qiáng)度的預(yù)測(cè)效果，并采用三階非線性函數(shù)建立并驗(yàn)證了機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度的預(yù)測(cè)模型。主要結(jié)論如下：

(1) 水膠比對(duì)抗壓性能的影響最大；隨著水膠比、鋼渣摻量和粉煤灰摻量的增大，其不同齡期混凝土抗壓強(qiáng)度逐漸降低。

(2) 隨著砂率的增大，其不同齡期混凝土抗壓強(qiáng)度升高；隨著機(jī)制砂摻量的增大，混凝土抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后降低的趨勢(shì)，存在最優(yōu)摻入量。

(3) 建立的預(yù)測(cè)模型精度較高，能夠反映各因素對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。