機制砂混凝土試驗研究

戴鵬，李曦，蔣震，冷政，曹毅，肖丹

（中建西部建設湖南有限公司，湖南 長沙 410005）

機制砂混凝土試驗研究

戴鵬，李曦，蔣震，冷政，曹毅，肖丹

（中建西部建設湖南有限公司，湖南 長沙 410005）

本文以 C40 混凝土為基準，利用 L9(34) 正交試驗，探究了水膠比、砂率、機制砂取代率對機制砂混凝土性能的影響，并進行極差分析，以總功效系數 d 為評價指標確定最優試驗方案，并進行試驗驗證。結果表明：以總功效系數 d 為考核指標得出的機制砂混凝土各因素作用的主次順序依次為：水膠比、機制砂取代率、砂率，最優試驗方案的水膠比為 0.38，砂率為 0.42，機制砂取代率為 50%。

機制砂；正交試驗；極差分析；總功效系數

我國預拌混凝土中使用的細骨料大多為天然河砂，但隨著建筑業的快速發展，天然河砂資源日益匱乏。此外，因天然河砂資源過度開采帶來的環境問題也日益嚴重。很多地方均已采取相關措施嚴控天然河砂的開采，直接導致建筑市場天然河砂出現貨源少、價格飆升、質量大幅下降等問題，嚴重影響了預拌混凝土生產質量控制和可持續發展，預拌混凝土用砂問題亟需解決[1-3]。

眾所周知，機制砂來源廣泛、價格相對低廉，使用機制砂取代天然河砂已成為一種必然趨勢。本試驗以C40 混凝土為基準，選用花崗巖機制砂，利用正交試驗，研究了水膠比、砂率、機制砂取代率對機制砂混凝土性能的影響，制備出工作性能和力學性能良好的機制砂混凝土。

1 材料及方法

1.1 原材料

水泥：P·O42.5 普通硅酸鹽水泥，其物理性能見表1。

粉煤灰：F 類 Ⅱ 級灰，45μm 篩篩余 14.5%，燒失量 1.8%。

礦渣粉： S95 級礦渣粉，比表面積為 410m2/kg，燒失量為 0.7%。

粗骨料：5～31.5mm 連續級配天然碎石。

細骨料：天然河砂和花崗巖機制砂，其中花崗巖機制砂生產過程中經過顆粒整形和選粉工藝處理，細骨料的顆粒級配和主要技術指標分別見表 2 和表 3。

減水劑：市售某廠低濃聚羧酸高性能減水劑。

水：普通自來水。

表 1 水泥的物理性能

表 2 細骨料的顆粒級配

表 3 細骨料的主要技術指標

1.2 試驗方法

混凝土拌合物性能：依據現行國家標準 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》的規定進行測試。

混凝土抗壓強度：試件尺寸為 150mm×150mm× 150mm，依據現行國家標準 GB/T 50081—2016《普通混凝土力學性能試驗方法標準》的規定進行測試。

2 試驗研究

2.1 正交試驗設計

本試驗考慮 C40 機制砂混凝土配合比設計中水膠比、砂率、機制砂取代率三個因素的影響，每個因素選取三個水平，選用 L9(34) 正交表，采用極差法分析試驗結果。本次正交試驗因素水平列表見表 4，正交試驗數據方案見表 5，正交試驗結果見表 6。

2.2 試驗結果極差分析

本試驗各個考核指標的極差分析結果，分別見表7、表 8 和表 9。

表 4 正交試驗因素水平列表

表 5 正交試驗數據方案 kg/m3

表 6 正交試驗結果

表 7 以流動度為考核指標的極差分析

表 8 以 7d 抗壓強度為考核指標的極差分析

表 9 以 28d 抗壓強度為考核指標的極差分析

由表 7 可知，以流動度為考核指標得出的各因素作用的主次順序依次為：A→B、D→C；由表 8 可知，以 7d 抗壓強度為考核指標得出的各因素作用的主次順序依次為：A→C→B→D；由表 9 可知，以 28d 抗壓強度為考核指標得出的各因素作用的主次順序依次為：A→C→B→D，且與 7d 抗壓強度各因素作用順序一致。

2.3 試驗結果總功效系數分析

在混凝土配合比設計中，不能純粹地以強度作為考核指標，還要考慮其工作性能的影響。為找出各考核指標在不同情況下較好的試驗方案。本文引入功效系數法，對每組試驗配合比進行綜合評價。由于各個考核指標的數值相差比較大，為了使數據之間具有可比性，將所有試驗數據作歸一化處理。各因素功效系數歸一化處理的具體方法為：將各因素考核指標中實測值的最大值作“1”處理，同因素試驗值與其最大值的比值為歸一化值，即功效系數[4]。各考核指標歸一化處理的結果，見表 10。

表 10 正交試驗各考核指標歸一化處理一覽表

假設正交試驗配合比的總數為 m，其中第 i 個配合比的總功效系數為 d，對應的工作性和 7d、28d抗壓強度（m1、m2和 m3）的考核指標歸一化處理后，功效系數分別為 d1、d2和 d3，則總功效系數為：d=(d1×d2×d3)1/3?？偣π禂档挠嬎?，見表 11。

表 11 正交試驗總功效系數 d

以總功效系數 d 為考核指標的極差分析結果，見表12。

表 12 以總功效系數 d 為考核指標的極差分析

由表 12 可知，以總功效系數 d 為考核指標得出的各因素作用的主次順序依次為：A→C→D→B，可能的最優方案是 AⅢ BⅡCⅡ。

2.4 最優試驗方案驗證

根據確定的最優試驗方案 AⅢ BⅡCⅡ，即水膠比0.38，砂率 0.42，機制砂取代率為 50%，具體試驗方案見表 13，試驗結果見表 14。

表 13 最優試驗方案及試驗結果 kg/m3

表 14 最優方案試驗結果

由表 14 可知，與原正交試驗各組方案試驗結果相比，最優方案 AⅢ BⅡCⅡ 制備的機制砂混凝土具有更好的工作性能和力學性能；從工作性能和力學性能角度分析，該方案為最優試驗方案。

3 結論

（1）機制砂混凝土正交試驗中影響混凝土流動度最大的因素是水膠比，最小的因素是機制砂取代率。

（2）機制砂混凝土正交試驗中影響混凝土 7d、28d 抗壓強度最大的因素是水膠比，最小的因素是砂率。

（3）以工作性、各齡期強度和總功效系數 d 為考核指標時各因素作用的主次順序，依次為：水膠比→機制砂取代率→砂率，機制砂混凝土最優試驗方案的水膠比為 0.38，砂率 0.42，機制砂取代率為 50%。

（4）經過顆粒整形和選粉處理的花崗巖機制砂具有良好的物理性能，適當取代天然河砂，對混凝土的工作性能影響較小，對混凝土的力學性能影響略高于砂率，具有良好的應用前景。

[1] 張偉鑫．福州地區機制砂生產質量現狀調研分析[J].福建建材，2016(7)∶ 31-33．

[2] 唐凱靖，劉來寶，周應．巖性對機制砂特性及其混凝土性能的影響[J]．混凝土，2011(12)∶ 62-66．

[3] 朱榮軍，季濤，劉春蘋，等．泥石粉對人工砂混凝土工作性及力學性能的影響[J]．福州大學學報（自然科學版），2012(3)∶ 388-392．

[4] 朱平華，陳華建，郭佳赤，等．大體積混凝土優化設計的四功能準則[J]．混凝土，2004(1)∶ 41-45．

［通訊地址］湖南省長沙市開福區湘江北路與繞城高速交界處 中建西部建設湖南有限公司技術部（410005）

戴鵬（1989—），男，碩士，工程師，主要研究方向為建筑材料與工程。