機(jī)制砂混凝土試驗(yàn)研究

戴鵬，李曦，蔣震，冷政，曹毅，肖丹

（中建西部建設(shè)湖南有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410005）

機(jī)制砂混凝土試驗(yàn)研究

戴鵬，李曦，蔣震，冷政，曹毅，肖丹

（中建西部建設(shè)湖南有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410005）

本文以 C40 混凝土為基準(zhǔn)，利用 L9(34) 正交試驗(yàn)，探究了水膠比、砂率、機(jī)制砂取代率對(duì)機(jī)制砂混凝土性能的影響，并進(jìn)行極差分析，以總功效系數(shù) d 為評(píng)價(jià)指標(biāo)確定最優(yōu)試驗(yàn)方案，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明：以總功效系數(shù) d 為考核指標(biāo)得出的機(jī)制砂混凝土各因素作用的主次順序依次為：水膠比、機(jī)制砂取代率、砂率，最優(yōu)試驗(yàn)方案的水膠比為 0.38，砂率為 0.42，機(jī)制砂取代率為 50%。

機(jī)制砂；正交試驗(yàn)；極差分析；總功效系數(shù)

我國(guó)預(yù)拌混凝土中使用的細(xì)骨料大多為天然河砂，但隨著建筑業(yè)的快速發(fā)展，天然河砂資源日益匱乏。此外，因天然河砂資源過(guò)度開(kāi)采帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題也日益嚴(yán)重。很多地方均已采取相關(guān)措施嚴(yán)控天然河砂的開(kāi)采，直接導(dǎo)致建筑市場(chǎng)天然河砂出現(xiàn)貨源少、價(jià)格飆升、質(zhì)量大幅下降等問(wèn)題，嚴(yán)重影響了預(yù)拌混凝土生產(chǎn)質(zhì)量控制和可持續(xù)發(fā)展，預(yù)拌混凝土用砂問(wèn)題亟需解決[1-3]。

眾所周知，機(jī)制砂來(lái)源廣泛、價(jià)格相對(duì)低廉，使用機(jī)制砂取代天然河砂已成為一種必然趨勢(shì)。本試驗(yàn)以C40 混凝土為基準(zhǔn)，選用花崗巖機(jī)制砂，利用正交試驗(yàn)，研究了水膠比、砂率、機(jī)制砂取代率對(duì)機(jī)制砂混凝土性能的影響，制備出工作性能和力學(xué)性能良好的機(jī)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(jiàn)表1。

粉煤灰：F 類 Ⅱ 級(jí)灰，45μm 篩篩余 14.5%，燒失量 1.8%。

礦渣粉： S95 級(jí)礦渣粉，比表面積為 410m2/kg，燒失量為 0.7%。

粗骨料：5～31.5mm 連續(xù)級(jí)配天然碎石。

細(xì)骨料：天然河砂和花崗巖機(jī)制砂，其中花崗巖機(jī)制砂生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)過(guò)顆粒整形和選粉工藝處理，細(xì)骨料的顆粒級(jí)配和主要技術(shù)指標(biāo)分別見(jiàn)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(lái)水。

表 1 水泥的物理性能

表 2 細(xì)骨料的顆粒級(jí)配

表 3 細(xì)骨料的主要技術(shù)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方法

混凝土拌合物性能：依據(jù)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定進(jìn)行測(cè)試。

混凝土抗壓強(qiáng)度：試件尺寸為 150mm×150mm× 150mm，依據(jù)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 50081—2016《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定進(jìn)行測(cè)試。

2 試驗(yàn)研究

2.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)考慮 C40 機(jī)制砂混凝土配合比設(shè)計(jì)中水膠比、砂率、機(jī)制砂取代率三個(gè)因素的影響，每個(gè)因素選取三個(gè)水平，選用 L9(34) 正交表，采用極差法分析試驗(yàn)結(jié)果。本次正交試驗(yàn)因素水平列表見(jiàn)表 4，正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)方案見(jiàn)表 5，正交試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表 6。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果極差分析

本試驗(yàn)各個(gè)考核指標(biāo)的極差分析結(jié)果，分別見(jiàn)表7、表 8 和表 9。

表 4 正交試驗(yàn)因素水平列表

表 5 正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)方案 kg/m3

表 6 正交試驗(yàn)結(jié)果

表 7 以流動(dòng)度為考核指標(biāo)的極差分析

表 8 以 7d 抗壓強(qiáng)度為考核指標(biāo)的極差分析

表 9 以 28d 抗壓強(qiáng)度為考核指標(biāo)的極差分析

由表 7 可知，以流動(dòng)度為考核指標(biāo)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(qiáng)度為考核指標(biāo)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(qiáng)度為考核指標(biāo)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(qiáng)度各因素作用順序一致。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果總功效系數(shù)分析

在混凝土配合比設(shè)計(jì)中，不能純粹地以強(qiáng)度作為考核指標(biāo)，還要考慮其工作性能的影響。為找出各考核指標(biāo)在不同情況下較好的試驗(yàn)方案。本文引入功效系數(shù)法，對(duì)每組試驗(yàn)配合比進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。由于各個(gè)考核指標(biāo)的數(shù)值相差比較大，為了使數(shù)據(jù)之間具有可比性，將所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)作歸一化處理。各因素功效系數(shù)歸一化處理的具體方法為：將各因素考核指標(biāo)中實(shí)測(cè)值的最大值作“1”處理，同因素試驗(yàn)值與其最大值的比值為歸一化值，即功效系數(shù)[4]。各考核指標(biāo)歸一化處理的結(jié)果，見(jiàn)表 10。

表 10 正交試驗(yàn)各考核指標(biāo)歸一化處理一覽表

假設(shè)正交試驗(yàn)配合比的總數(shù)為 m，其中第 i 個(gè)配合比的總功效系數(shù)為 d，對(duì)應(yīng)的工作性和 7d、28d抗壓強(qiáng)度（m1、m2和 m3）的考核指標(biāo)歸一化處理后，功效系數(shù)分別為 d1、d2和 d3，則總功效系數(shù)為：d=(d1×d2×d3)1/3。總功效系數(shù)的計(jì)算，見(jiàn)表 11。

表 11 正交試驗(yàn)總功效系數(shù) d

以總功效系數(shù) d 為考核指標(biāo)的極差分析結(jié)果，見(jiàn)表12。

表 12 以總功效系數(shù) d 為考核指標(biāo)的極差分析

由表 12 可知，以總功效系數(shù) d 為考核指標(biāo)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(yōu)方案是 AⅢ BⅡCⅡ。

2.4 最優(yōu)試驗(yàn)方案驗(yàn)證

根據(jù)確定的最優(yōu)試驗(yàn)方案 AⅢ BⅡCⅡ，即水膠比0.38，砂率 0.42，機(jī)制砂取代率為 50%，具體試驗(yàn)方案見(jiàn)表 13，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表 14。

表 13 最優(yōu)試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果 kg/m3

表 14 最優(yōu)方案試驗(yàn)結(jié)果

由表 14 可知，與原正交試驗(yàn)各組方案試驗(yàn)結(jié)果相比，最優(yōu)方案 AⅢ BⅡCⅡ 制備的機(jī)制砂混凝土具有更好的工作性能和力學(xué)性能；從工作性能和力學(xué)性能角度分析，該方案為最優(yōu)試驗(yàn)方案。

3 結(jié)論

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

（2）機(jī)制砂混凝土正交試驗(yàn)中影響混凝土 7d、28d 抗壓強(qiáng)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(qiáng)度和總功效系數(shù) d 為考核指標(biāo)時(shí)各因素作用的主次順序，依次為：水膠比→機(jī)制砂取代率→砂率，機(jī)制砂混凝土最優(yōu)試驗(yàn)方案的水膠比為 0.38，砂率 0.42，機(jī)制砂取代率為 50%。

（4）經(jīng)過(guò)顆粒整形和選粉處理的花崗巖機(jī)制砂具有良好的物理性能，適當(dāng)取代天然河砂，對(duì)混凝土的工作性能影響較小，對(duì)混凝土的力學(xué)性能影響略高于砂率，具有良好的應(yīng)用前景。

[1] 張偉鑫．福州地區(qū)機(jī)制砂生產(chǎn)質(zhì)量現(xiàn)狀調(diào)研分析[J].福建建材，2016(7)∶ 31-33．

[2] 唐凱靖，劉來(lái)寶，周應(yīng)．巖性對(duì)機(jī)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(píng)，等．泥石粉對(duì)人工砂混凝土工作性及力學(xué)性能的影響[J]．福州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012(3)∶ 388-392．

[4] 朱平華，陳華建，郭佳赤，等．大體積混凝土優(yōu)化設(shè)計(jì)的四功能準(zhǔn)則[J]．混凝土，2004(1)∶ 41-45．

［通訊地址］湖南省長(zhǎng)沙市開(kāi)福區(qū)湘江北路與繞城高速交界處 中建西部建設(shè)湖南有限公司技術(shù)部（410005）

戴鵬（1989—），男，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)榻ㄖ牧吓c工程。