活性粉末混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計研究

李基恒 林長峰 汪鑰龍 劉承偉 莫林強(qiáng)

基金項目：2023年度廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項目“礦物摻合料對活性粉末混凝土性能影響研究”（編號：2023KY1162）、S95/SiCp協(xié)同赤泥制備環(huán)境友好型地聚物組成設(shè)計與力學(xué)性能研究（編號：2023KY1153）

作者簡介：李基恒（1992—），碩士，工程師，研究方向：建筑材料。

摘要：文章研究通過剔除傳統(tǒng)混凝土粗骨料，依據(jù)最緊密堆積原理，采用正交試驗確定三種不同粒級石英砂的最佳摻配比例，以提高活性粉末混凝土的整體均質(zhì)性及密實性，并分析水膠比、漿集比對活性粉末混凝土力學(xué)性能的影響，以達(dá)到對活性粉末混凝土配合比進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的目的。試驗表明，通過優(yōu)化骨料集配結(jié)構(gòu)，調(diào)整水膠比與漿集比，在不改變流動度的情況下，提高了活性粉末混凝土的力學(xué)性能。

關(guān)鍵詞：活性粉末混凝土；配合比；正交試驗

中圖分類號：U414

0 引言

活性粉末混凝土是一種具有高強(qiáng)度、高耐久性、高韌性以及良好的體積穩(wěn)定性的水泥基無機(jī)非金屬材料，在橋梁、隧道、核電站、修復(fù)或加固工程等領(lǐng)域開始廣泛應(yīng)用。國內(nèi)外學(xué)者對活性粉末混凝土的研究也越來越多，特別在初步配合比方面，郝先慧等^［1］研究了礦粉、硅灰、減水劑、鋼纖維等外加劑對活性粉末混凝土強(qiáng)度與流動度的影響，確定了較好的配合比并提出了配合比計算公式；錢紅崗等^［2］通過引入水花活性因子的方式研究了超高強(qiáng)活性粉末混凝土的力學(xué)性能；鄭文忠等^［3］研究了礦物摻合料、鋼纖維品種及摻量以及養(yǎng)護(hù)制度對活性粉末混凝土的強(qiáng)度和流動度的影響，并通過最優(yōu)的6組試塊確定了最佳配合比。由此可見，通過摻入纖維或者摻加礦物摻合料改善其工作性能和力學(xué)性能是目前國內(nèi)外研究的一大熱點^［4-6］。

根據(jù)“緊密堆積理論”，活性粉末混凝土內(nèi)緊密堆積最重要的組分為石英砂細(xì)骨料，科研工作者們在對活性粉末混凝土配合比進(jìn)行研究時，更多是利用外部因素對活性粉末混凝土進(jìn)行研究，而對于骨料、水膠比等內(nèi)部因素的精細(xì)化研究反而較少。鑒于此，本文分別研究石英砂顆粒級配、水膠比、漿集比等內(nèi)部因素對活性粉末混凝土性能的影響，以達(dá)到優(yōu)化配合比設(shè)計的研究目的。

1 試驗過程

1.1 原料及其性質(zhì)要求

（1）水泥。試驗使用的水泥為海螺牌P·O 42.5水泥，其指標(biāo)如表1所示。

（2）石英砂：試驗選取了3種不同粒級的細(xì)石英砂作為混凝土的骨料。試驗根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ 52-2006），采用篩分析試驗得出石英砂的級配分布如表2所示。

（3）減水劑：聚羧酸系列高效減水劑，減水率為30%。

（4）水：普通自來水。

1.2 不同粒級骨料之間的摻配比例設(shè)計

如圖1所示，本研究采用的石英砂是粒徑分別為2.36～4.75 mm、1.18～2.36 mm、0.6～1.18 mm 的3種不同粒級的石英砂。通過改變3種石英砂之間的摻配比例，來改善石英砂的堆積狀態(tài)，以實現(xiàn)石英砂的最緊密堆積。

不同粒徑分布的石英砂相互填充，能夠達(dá)到較好的堆積密實度，從而減少孔隙率，提高整個體系的密實度。從力學(xué)角度看，石英砂合理的顆粒粒徑的分布，能夠增加顆粒間的接觸點，將外部受力較為均勻地在體系內(nèi)部傳遞，從而提高體系的力學(xué)性能?；谝陨蟽牲c，本試驗以骨料的堆積密度為指標(biāo)，進(jìn)行骨料的初步內(nèi)摻比例的確定。

活性粉末混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計研究/李基恒，林長峰，汪鑰龍，劉承偉，莫林強(qiáng)

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 不同粒級石英砂的最緊密堆積

試驗先將中砂與細(xì)砂進(jìn)行一級堆積，通過對不同粒徑的石英砂進(jìn)行混摻，并測定不同比例混摻后的緊密堆積密度且繪制成曲線如圖2所示。

由圖2可確定1.18～2.36 mm（中）與0.6～1.18 mm（細(xì)）一級混摻加骨料達(dá)到最大密實狀態(tài)時的摻加比例為1∶0.85。

將一級堆積混摻骨料的石英砂摻入已堆積好的2.36～4.75 mm石英砂中，進(jìn)行二級堆積，以確定三級石英砂緊密堆積后的密度。根據(jù)緊密堆積密度試驗，確定不同粒徑的石英砂在內(nèi)摻比例為1∶0.81∶0.7時的堆積密度最大。

2.2 石英砂粒徑組成對混凝土力學(xué)性能的影響

石英砂的顆粒粒徑大小、顆粒形狀及其表面特征均對砂漿體系的密實度、工作性及力學(xué)性能有影響。為綜合考慮石英砂各方面因素對砂漿力學(xué)性能的影響，以及進(jìn)一步確定最佳內(nèi)摻比例，在確定石英砂達(dá)到最緊密堆積狀態(tài)的不同粒徑石英砂摻配比例的情況下，試驗在最佳比例：1∶0.81∶0.7的基礎(chǔ)上，上下浮動0.2，形成三水平三因素的正交表，如表3所示。針對3種級配的石英砂，以抗壓抗折強(qiáng)度值為指標(biāo)，進(jìn)行了三水平三因素的正交試驗。

試驗在保持其他因素不變的情況下，測試了不同石英砂顆粒分布對砂漿力學(xué)性能的影響，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出，石英砂內(nèi)摻比例的變化引起的力學(xué)性能的變化規(guī)律基本一致，因此分析結(jié)果以28 d的力學(xué)性能變化為原始數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析，分析結(jié)果如下頁表4所示。

根據(jù)正交試驗理論，K1代表各因素第一水平的3次試驗結(jié)果的和，同理K2、K3代表第二、第三水平試驗數(shù)據(jù)的和。k1、k2、k3分別是K1、K2、K3的3次試驗數(shù)據(jù)的平均值即k_n=Kn/3，其數(shù)值的大小代表各因素所取的不同水平對試驗結(jié)果影響的大小，從而確定最佳水平區(qū)間。極差R為各因素計算結(jié)果k1、k2、k3中最大值與最小值之差，其數(shù)值大小代表著該因素所起水平變動對試驗結(jié)果影響的大小，進(jìn)而分析出各個因素對試驗影響的主次關(guān)系。為了更加直觀地反映各因素各水平對試驗結(jié)果的影響，以各因素的水平作橫坐標(biāo)，試驗數(shù)據(jù)的平均值作縱坐標(biāo)，繪制出試驗結(jié)果與因素的關(guān)系圖，如下頁圖4所示。

由圖4可以直觀地分析出細(xì)砂對強(qiáng)度的影響最大，其次是粗砂，中砂的變動性對于前兩者稍微弱一些。取各因素中的最佳水平來優(yōu)化試驗配比，得出A1B1C3為最佳組合比例為粗∶中∶細(xì)=1.2∶1.01∶0.9。

2.3 水膠比

根據(jù)規(guī)范《活性粉末混凝土》（GB/T31387-2015）采用絕對體積法進(jìn)行配合比設(shè)計。預(yù)配置混凝土強(qiáng)度為75MPa，根據(jù)規(guī)范《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》（JGJ55-2011），采用高強(qiáng)混凝土的試驗規(guī)定：水膠比取0.3，膠凝材料取560 kg/m³。

為保證混凝土合適的工作性，保持混凝土流動度在260 mm左右，減水劑摻量為膠凝材料的0.3%。按絕對體積法計算配合比，根據(jù)以上試驗初步確定的混凝土配合比基本參數(shù)。

根據(jù)以上計算設(shè)計的配合比參數(shù)，以水膠比為變量，進(jìn)行試驗，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，在水膠比為0.28時，混凝土抗折、抗壓強(qiáng)度最佳，且拌和物和易性滿足試驗要求。

2.4 漿集比

粉體膠凝材料的摻量取決于石英砂的空隙率及其總表面積。如果粉體材料摻量過少，產(chǎn)生的漿體無法完全包裹石英砂表面或者包裹厚度較薄，導(dǎo)致拌和物各方面的性能下降。如果摻量過多，不僅會增加成本，而且過多的粉體材料會導(dǎo)致混凝土嚴(yán)重開裂干縮，影響活性粉末混凝土的修補(bǔ)性能。因此需要進(jìn)行不同漿集比試驗，以確定適宜的漿集比。試驗結(jié)果如圖6所示。

由圖6分析可知：隨著漿集比的增加，混凝土的強(qiáng)度先增加后減小。隨著漿集比的增大，不同齡期混凝土強(qiáng)度的變化趨勢基本相同。

3 結(jié)語

（1）試驗根據(jù)最緊密堆積理論，并通過正交試驗進(jìn)行了力學(xué)試驗的對比驗證，最終確定3種粒級的石英砂的最佳摻配比例為粗砂（2.36～4.75 mm）∶中砂（1.18～2.36 mm）∶細(xì)沙（0.6～1.18mm）=1.2∶1.01∶0.9。

（2）在保證混凝土合適的工作性，混凝土流動度為260 mm左右，通過力學(xué)性能試驗確定了活性粉末混凝土的最佳水膠比為0.28。

（3）在保證活性粉末混凝土工作性能不改變的情況下，通過力學(xué)性能試驗確定了活性粉末混凝土的最佳漿集比為0.36。

參考文獻(xiàn)

［1］郝先慧，李海艷，李 華，等.活性粉末混凝土（RPC）配合比優(yōu)化試驗及計算［J］.混凝土，2018（3）：156-160.

［2］錢紅崗，焦楚杰，賴 俊，等.活性粉末混凝土的配合比設(shè)計及試驗驗證［J］混凝土，2016（5）：125-128，131.

［3］鄭文忠，李 莉.活性粉末混凝土配制及其配合比計算方法［J］.湖南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2009，36（2）：13-17.

［4］何曉雁，秦立達(dá)，張淑艷，等.基于正交理論的玄武巖纖維活性粉末混凝土配合比設(shè)計［J］.硅酸鹽通報，2016，35（5）：1 402-1 406，1 412.

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收稿日期：2023-03-30