活性粉末混凝土配合比優化設計研究

基金項目：2023年度廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目“礦物摻合料對活性粉末混凝土性能影響研究”（編號：2023KY1162）、S95/SiCp協同赤泥制備環境友好型地聚物組成設計與力學性能研究（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混凝土粗骨料，依據最緊密堆積原理，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性及密實性，并分析水膠比、漿集比對活性粉末混凝土力學性能的影響，以達到對活性粉末混凝土配合比進行優化設計的目的。試驗表明，通過優化骨料集配結構，調整水膠比與漿集比，在不改變流動度的情況下，提高了活性粉末混凝土的力學性能。

關鍵詞：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度、高耐久性、高韌性以及良好的體積穩定性的水泥基無機非金屬材料，在橋梁、隧道、核電站、修復或加固工程等領域開始廣泛應用。國內外學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活性粉末混凝土的力學性能；鄭文忠等^［3］研究了礦物摻合料、鋼纖維品種及摻量以及養護制度對活性粉末混凝土的強度和流動度的影響，并通過最優的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性能是目前國內外研究的一大熱點^［4-6］。

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

1 試驗過程

1.1 原料及其性質要求

（1）水泥。試驗使用的水泥為海螺牌P·O 42.5水泥，其指標如表1所示。

（2）石英砂：試驗選取了3種不同粒級的細石英砂作為混凝土的骨料。試驗根據標準《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》（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，以實現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部傳遞，從而提高體系的力學性能。基于以上兩點，本試驗以骨料的堆積密度為指標，進行骨料的初步內摻比例的確定。

活性粉末混凝土配合比優化設計研究/李基恒，林長峰，汪鑰龍，劉承偉，莫林強

2 試驗結果與討論

2.1 不同粒級石英砂的最緊密堆積

試驗先將中砂與細砂進行一級堆積，通過對不同粒徑的石英砂進行混摻，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）一級混摻加骨料達到最大密實狀態時的摻加比例為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，進行二級堆積，以確定三級石英砂緊密堆積后的密度。根據緊密堆積密度試驗，確定不同粒徑的石英砂在內摻比例為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、工作性及力學性能有影響。為綜合考慮石英砂各方面因素對砂漿力學性能的影響，以及進一步確定最佳內摻比例，在確定石英砂達到最緊密堆積狀態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，以抗壓抗折強度值為指標，進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性能的影響，結果如圖3所示。

由圖3可以看出，石英砂內摻比例的變化引起的力學性能的變化規律基本一致，因此分析結果以28 d的力學性能變化為原始數據進行極差分析，分析結果如下頁表4所示。

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

由圖4可以直觀地分析出細砂對強度的影響最大，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化試驗配比，得出A1B1C3為最佳組合比例為粗∶中∶細=1.2∶1.01∶0.9。

2.3 水膠比

根據規范《活性粉末混凝土》（GB/T31387-2015）采用絕對體積法進行配合比設計。預配置混凝土強度為75MPa，根據規范《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ55-2011），采用高強混凝土的試驗規定：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，根據以上試驗初步確定的混凝土配合比基本參數。

根據以上計算設計的配合比參數，以水膠比為變量，進行試驗，結果如圖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，產生的漿體無法完全包裹石英砂表面或者包裹厚度較薄，導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致混凝土嚴重開裂干縮，影響活性粉末混凝土的修補性能。因此需要進行不同漿集比試驗，以確定適宜的漿集比。試驗結果如圖6所示。

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

3 結語

（1）試驗根據最緊密堆積理論，并通過正交試驗進行了力學試驗的對比驗證，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

［1］郝先慧，李海艷，李 華，等.活性粉末混凝土（RPC）配合比優化試驗及計算［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］.湖南大學學報（自然科學版），2009，36（2）：13-17.

［4］何曉雁，秦立達，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計［J］.硅酸鹽通報，2016，35（5）：1 402-1 406，1 412.

［5］朱 鵬，李宗陽，屈文俊，等.摻稻殼灰活性粉末混凝土配合比試驗［J］.建筑科學與工程學報，2015，32（6）：58-65.

［6］肖 銳，鄧宗才，蘭明章，等.不摻硅粉的活性粉末混凝土配合比試驗［J］.吉林大學學報（工學版），2013，43（3）：671-676.

收稿日期：2023-03-30