特細砂混凝土配制的易性和抗壓強度試驗研究與分析

武倬如(國能鄂爾多斯市神東檢測有限責任公司, 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、水和適當外加劑為原材料制備的人造石材。 據(jù)統(tǒng)計,在我國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)展也給社會的發(fā)展和進步起到了重要作用天然的河沙就是我們所說的特細砂的一種,細度模數(shù)在0.7 ～1.5 。 有著平均粒徑小、顆粒級配不良和含泥量較高等基本特點。 開發(fā)利用特細砂混凝土對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砂,遵循就地取材的原則,對合理開發(fā)利用地方資源,降低工程建設(shè)造價,研究創(chuàng)新應(yīng)用特細砂混凝土技術(shù)都具有很重要意義。

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

然而,在特細砂混凝土在粉煤灰比例對抗壓強度影響,特細砂混凝土的易性問題還有所欠缺。 本文就特細砂混凝土問題進行實驗研究。

2 特細砂配制混凝土易性試驗研究和抗壓強度試驗研究方案

2.1 特細砂配制混凝土易性正交試驗設(shè)計試驗方案

為了便于攪拌、運輸、澆筑,振搗等施工作業(yè),在拌合成型時沒有發(fā)生泌水離析現(xiàn)象,成型混凝土必須質(zhì)量均勻密實,這就說明混凝土的和易性至關(guān)重要。 和易性包括流動性,黏聚性和保水性三個方面。坍落度的大小反應(yīng)了其流動性好壞,反應(yīng)各個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定混凝土。

正交試驗設(shè)計一種以均衡分散排列有序為思想基礎(chǔ)來編制的一種表格。 對結(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,進而挑選出最優(yōu)組合就是最終的最優(yōu)方案。 本試驗對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。 本論文試驗選用了三因素三水平,為了試驗數(shù)據(jù)的準確性把其中列表空也作為一項因素列出,具體見表1。

表1 因素水平表

2.2 混凝土抗壓強度正交設(shè)計試驗方案

特細砂混凝土的抗壓強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比例。 此外,粗骨料的種類對特細砂混凝土抗壓強度也有重要影響,原則上相對密度較大、致密、堅硬、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度。 目前,實際工程中特細砂混凝土強度一般都在C40 以下。 試驗水平及因素與上相同,因素水平與表1相同。

3 特細砂配制混凝土和易性試驗研究和坍落度結(jié)果分析

3.1 易性試驗研究結(jié)果

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

表2 混凝土試驗配合比

表3 混凝土和易性試驗結(jié)果

混凝土裝滿將坍落度筒后,清理好填裝時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,用直尺測量量筒高和混凝土最高點之間的距離,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)從新進行試驗;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。 坍落度測量值精確至1 mm,結(jié)果表達至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劑的用量,施工的經(jīng)濟成本。 澆筑坍落度高的混凝土也會帶來以下兩個好處:一個是經(jīng)濟方面,另一個是技術(shù)方面。 經(jīng)濟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分析

通過正交試驗中的極差分析方法,可以得到主次因素,進一步能得到最優(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)和實際工程操作中實際要遇到的技術(shù)困難和外部環(huán)境進行選擇。 結(jié)構(gòu)設(shè)計者和施工澆筑的工人最了解澆筑所要遇到的困難,實際拌制出的混凝土應(yīng)當注明所拌制的混凝土適合的稠度等級,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,砂率變大對拌合物的影響同樣很大。 當水膠比的值小時,水泥漿相對來說就會變得較稠,所造成的后果就是流動性小甚至難以密實成型;而水膠比變大時,水泥漿又會變得很稀,拌合物的流動性變大,黏聚性和保水性就會受到影響。 當水膠比過大時,將會有離析泌水現(xiàn)象。 因此,為了得到合格標準的混凝土,水膠比值不能太大不能太小。 本試驗水膠比達到0.46 時,坍落度達到最大值,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,石子之間的大量空需要水泥漿來作為填充物填充,導致坍落度降低;砂率較大時,比表面積就會加大,為了滿足混凝土的工作性就需要更多的水泥漿,從而導致坍落度也會降低;本試驗當砂率達到32%時,拌合物的坍落度值達到最大值。 當石子與石子之間的空隙被顆粒級配良好的砂子填充就是我們所說的合理砂率。

混凝土各個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滑的作用,拌合物的流動性得到體現(xiàn)。 而拌合物的黏聚性也靠水在個材料之間的張力作用。 若用水少,水膜較薄,黏聚性會差;若用水量太多,砂子與石子本身的毛細孔會被水來填充填滿,張力作用變?nèi)?黏聚性也會變得很差,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)過多次試驗表明,當砂率和粗細骨料種類確定后,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)。 本試驗用水量的增加導致坍落度出現(xiàn)略微遞減的規(guī)律,用水量為175 kg 時為最優(yōu)水平選擇。

3.3 影響權(quán)重值的計算

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)化的科學合理分析方法。 根據(jù)結(jié)果會直觀表示各因素水平對坍落度的影響權(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。 通過公式計算得到各個因素對坍落度值的影響權(quán)重:其中砂率最大達到了49.6%、其次水膠比35.6%、最后是單位用水量14.8%。

圖1 各因素水平對坍落度的影響權(quán)重比例圖

3.4 對比試驗設(shè)計與結(jié)果分析

本試驗在正交設(shè)計基礎(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%時來研究混凝土性能的變化。 按照第三章配合比計算過程,摻加粉煤灰后試驗結(jié)果如圖2 所示。

圖2 摻加粉煤灰對坍落度值

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,當摻量為30%達到最大,隨后摻量40%時坍落度增加值略有降低。

因為粉煤灰是一種火山灰材料,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,混凝土流動性變大同時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,同時包裹了各個骨料的表面,流動性和可塑性變的更好。 各個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。 但也還存在其他機理作用,甚至可能還是主導因素。 特別是由于電荷作用,較細的粉煤灰顆粒會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,就達不到降低用水量的效果。 當摻量30%時達到最大,坍落度值達到最大,填充效果達到最佳。

4 特細砂混凝土抗壓強度試驗結(jié)果與分析

4.1 試驗結(jié)果與分析

試驗測其7 d、28 d 的抗壓強度。 試驗標準尺寸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。 壓試塊時要注意幾何對中,清除表面雜物;除此,壓力機的加載的速率也有相關(guān)規(guī)定。 強度小于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:三個因素對7 d 與28 d 抗壓強度的影響變化走勢和規(guī)律基本類似,但28 d 的水膠比斜率相比于其他兩項更大,28 d 的影響力大于7 d 的影響力。 總體上看,特細砂混凝土的抗壓強度與水膠比成反比,這與普通混凝土的變化規(guī)律相同(這是因為混凝土的破壞多為水泥石與骨料的界面間,若混凝土水膠比較小,水泥石的黏結(jié)力大,混凝土抗壓強度提高);抗壓強度隨砂率的增加呈現(xiàn)出先增大后降低的趨勢,試驗測得當砂率達到30%時,抗壓強度值效果最佳;抗壓強度隨單位用水量的增加而降低。

4.2 對比設(shè)計試驗與分析

為進一步了解特細砂混凝土,所做試驗中還摻加了粉煤灰(0%、10%、20%、30%、40%)來研究粉煤灰對特細砂混凝土的強度變化規(guī)律。 試驗測試方法與上一章節(jié)所述試驗相同。

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

圖3 不同摻量和不同天數(shù)的抗壓強度圖

28 d 的抗壓強度分別下降了7 MPa、14 MPa、16 MPa、19 MPa,這是因為粉煤灰取代了部分水泥,水泥水化產(chǎn)生的硅酸三鈣變少,從強度會有所降低,同時粉煤灰也會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度。 摻量過大時,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,多余的摻合料只起到了細骨料的作用,并未參加化學反應(yīng)。 所以混凝土強度會隨摻摻合料合料摻量的增大水泥用量減少呈下降走勢。 可見,不能單純利用摻加粉煤灰來提高抗壓強度。

5 結(jié)論

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

(2)通過正交試驗得出,配制特細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,混凝土和易性達到最佳。

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

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

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