配合比對粉煤灰陶粒混凝土強度影響的灰色關聯分析研究

連慧慧

（山西交通養護集團有限公司，山西太原 030006）

當前，我國正積極推進綠色裝配式建筑墻體板材，其構成材料需滿足輕質高強保溫特性，陶?；炷脸蔀樽顑炦x擇[1]。受粗骨料陶粒自身力學特性影響，粉煤灰陶?；炷僚浜媳戎械牟煌蛩貙ζ淞W性能的影響與普通混凝土有所區別[2]。

為了探究配合比中水灰比、水泥用量、砂率三因素對粉煤灰陶?；炷恋牧W性能的影響，本文通過制備粉煤灰陶粒混凝土，調整不同配合比參數進行力學性能測試，并通過灰色關聯分析法確定各因素的重要性系數，分析其對抗壓強度的影響規律。

1 試驗材料及方案

1.1 原材料選擇

1.1.1 水泥

試驗用水泥為獅頭牌P·O 42.5 型普通硅酸鹽水泥，其主要性能如表1 所示。

表1 水泥性能參數表

1.1.2 砂

試驗采用普通河砂，中砂；其篩分結果及性能參數如表2、表3 所示。

表2 試驗用砂性能參數

表3 試驗用砂篩分結果

1.1.3 陶粒

試驗所用陶粒為采用回轉窯燒結法制成，外形為均勻球體。

粉煤灰陶粒主要由粉煤灰燒結組成，且燒結過程處于常壓，因此粉煤灰陶粒結構較為松散，其內部孔洞較多，表面較為致密[3]，如圖1 所示，陶粒主要呈棕灰色圓球狀，表面為燒結釉面層，質地堅硬致密，內部呈多孔蜂窩結構，基本性能如表4 所示。

圖1 粉煤灰陶粒

表4 粉煤灰陶?；拘阅?/p>

1.1.4 減水劑

試驗用減水劑為聚羧酸高效減水劑，其性能指標如表5 所示。

表5 減水劑性能指標

1.2 基礎配合比

依據《輕骨料混凝土技術規程》（JGJ 51—2002）制備粉煤灰陶?；炷??；A試驗配合比設計主要以滿足工作性能為目的，并以合理用材為原則，設計采用松散體積法[4]。試驗配合比如表6 所示。

表6 試驗基礎配合比

2 水灰比對陶?；炷翉姸扔绊懺囼?/h2>

2.1 試塊制備及測試

對不同水灰比下粉煤灰陶?；炷吝M行抗壓試驗，具體試驗方案如表7 所示。

表7 水灰比對粉煤灰陶粒混凝土強度影響試驗表

2.2 試驗結果及分析

不同水灰比下，各齡期粉煤灰陶?；炷恋目箟簭姸仍囼灲Y果如表8、圖2 所示。

圖2 不同水灰比下粉煤灰陶?；炷量箟簭姸?/p>

表8 不同水灰比下粉煤灰陶?；炷量箟簭姸?單位：MPa

分析圖2 可以看出，不同齡期下各個水灰比強度增長規律較為相似，A-1 組，其3 d 與7 d 齡期抗壓強度分別占28 d 齡期最終抗壓強度的53.5%、76.0%。A-2組其3 d 與7 d 齡期抗壓強度分別占28 d 齡期最終抗壓強度的53.5%、76.5%。A-3 組其3 d 與7 d 齡期抗壓強度分別占28 d 齡期最終抗壓強度的54.8%、79.8%。由上述數據可以得出，采用圖2 所示的水灰比進行試驗時，粉煤灰陶?；炷量箟簭姸鹊脑鲩L規律為：3 d 強度為28 d 強度的50%～55%，7 d 強度增長為28 d 強度的70%～80%。

對比普通混凝土，其3 d 齡期強度一般為28 d 齡期強度的50%，7 d 齡期的強度一般為28 d 齡期強度的60%。由此發現，在混凝土齡期較短時，陶粒混凝土的強度增長速度與普通混凝土較為接近，在3～7 d 齡期時，陶?；炷恋膹姸仍鲩L更快，這是由于陶粒的微泵現象約在3 d左右開始出現，受微泵的作用返水養護，界面過渡區強度迅速增長，破壞面逐漸轉變為粗骨料陶粒[5]；7～28 d 齡期時，相比于普通混凝土，陶?；炷翉姸仍鲩L變慢，這是因為陶粒相較于石子強度更低，其作為薄弱面首先開裂，由于短板效應，水泥強度的增長已不能再提升陶?；炷恋目箟簭姸萚6]。對于陶粒混凝土，降低其水灰比會導致粗骨料陶粒提前開裂，并加重混凝土的干縮現象，使混凝土在較早齡期時出現開裂。因此在粉煤灰陶?；炷恋呐浜媳仍O計中，難以通過調整水灰比的方式來增強陶?；炷恋目箟簭姸?。

3 水泥及砂率對陶?；炷翉姸鹊挠绊?/h2>

3.1 試驗方案

在探究水泥及砂率對粉煤灰陶粒混凝土強度的影響時，試驗的砂率區間取0.35～0.45，水泥區間為400～500 kg，分別按梯度調整砂率及水泥用量，具體試驗方案如表9 所示。

表9 水泥及砂率對混凝土強度影響試驗表

3.2 立方體抗壓強度性能

分別對不同水泥及砂率作用下的粉煤灰陶粒混凝土進行抗壓強度試驗，試驗結果如表10 所示。

表10 不同水泥及砂率作用下陶粒混凝土抗壓強度 單位：MPa

3.3 灰色關聯分析

在粉煤灰陶?；炷林?，水泥與砂均作為配合比中的關鍵部分，兩者相關性類似，該研究選用灰色關聯法分析其重要性占比?；疑P聯分析是根據體系內各因素之間發展趨勢的相似或相異程度，作為衡量因素間關聯程度的一種方法，具體計算過程如下。

3.3.1 確定數據序列

在表10 所示各試驗組數據中，以抗壓強度作為母數據序列，以不同水泥用量和砂率為子序列，如式（1）、式（2）所示：

母序列：

子序列：

式中：Yi為i天齡期時陶?；炷翉姸冉M成的數據序列；X1為砂率；X2為水泥用量。

3.3.2 去量綱化

為了避免代表兩種不同物理意義的序列數據直接進行比較而出現誤差，進行去量綱化處理，處理后試驗數據如式（3）、式（4）所示：

3.3.3 建立差異矩陣

計算S中比較數列與參考數列的絕對差值并建立差異矩陣Δb，以表示數據序列間的離散關系，計算公式如式（5）～式（7）所示：

3.3.4 求解關聯度ξi

ξi(k)用于表征矩陣中對應因素的差值，可按式（8）計算：

式中：ρ∈[0,1]為分辨系數，取ρ= 0.5。

通過式（8）計算出的ξi(k)反映了不同條件下母數據序列與子數據序列的離散程度，用均值γ表示上述兩個序列間的整體關聯度，如式（9）：

3.4 灰色關聯分析結論

不同齡期下粉煤灰陶粒混凝土抗壓強度與各灰色關聯因素的相關度如圖3 所示。

圖3 各關聯因素分析結果

由灰色關聯度計算結果可知，兩種抗壓強度影響因子中，水泥用量對粉煤灰陶粒混凝土抗壓強度的影響普遍高于砂率對強度的影響。砂率與強度的關聯度在3 d、7 d、28 d 時依次為0.13、0.16、0.12，整體呈現先增后減的趨勢，與陶粒微泵作用的表現規律基本一致；水泥用量與強度的關聯度為0.19，0.17，0.13，數值結果逐漸下降，最終與砂率保持相同。

3.4.1 水泥用量關聯度

如圖4 所示，由于粉煤灰陶?；炷劣纱止橇?、細骨料、膠凝材料構成，其中，水泥包裹細骨料、水泥砂漿包裹粗骨料均存在一定的厚度上限。

圖4 混凝土結構圖

對于陶粒混凝土，前期水泥砂漿強度低于粗骨料，其強度對陶?；炷量箟簭姸扔绊憳O大，體現在關聯度上即水泥用量與強度的關聯度大于砂率與水泥用量的關聯度。隨著齡期增長，水泥基體和界面過渡區強度提高，破壞面轉為陶粒，水泥用量與抗壓強度的關聯性逐漸降低。

3.4.2 砂率關聯度

由于砂在陶?；炷林凶鳛楣羌芷鸬搅颂畛浯罂紫兜淖饔茫邶g期較早時，陶?；炷量箟簭姸戎饕芩嗷w強度影響，破壞的原因大多為水泥強度較低，當粉煤灰陶粒混凝土齡期達到7 d 時，水泥在水化作用下已經具備了一定的強度，粉煤灰陶粒成為薄弱面，相關性因而減小。

3.5 試驗結論及分析

水泥用量作為基準，分析不同水泥用量下，粉煤灰陶粒混凝土強度隨砂率的變化，變化曲線如圖5 所示。

圖5 粉煤灰陶?；炷翉姸入S砂率的變化

分析圖5，當陶粒混凝土的水泥用量為400 kg/m3時，其抗壓強度隨砂率增加而增加，這是由于混凝土中骨料與水泥接觸的表面積隨砂率增加而增大，水泥漿體包裹的面積增加，強度也隨之增加；450 kg/m3用量下，混凝土強度在45.48 MPa～54.78 MPa 波動，整體隨著砂率增加而變大，整體強度相比水泥用量為400 kg/m3時更高，這是由于水泥漿增加且水灰比保持不變，混凝土的流動性增大，其結構較為松散，黏聚性變差，強度降低；在水泥用量500 kg/m3時，混凝土的強度隨砂率的增加進一步減小，整體抗壓強度隨之降低。同時，砂率的增大使得陶粒減少，陶粒的微泵作用減輕，混凝土內氣孔增多，試件的強度降低[8]。

抗壓強度數據擬合公式如式（10）～式（12）所示：

式中：fcu,k為立方體抗壓強度標準值；βs為砂率。

綜上所述，水泥用量和砂率兩種因素均會對粉煤灰陶?；炷恋膹姸仍斐捎绊?。其中，水泥用量對強度的影響更為明顯，最佳的水泥用量為400～450 kg/m3，此時最佳砂率為0.45。

4 結論

通過對不同配合比下粉煤灰陶?；炷恋膹姸刃阅苓M行試驗研究，分別研究水灰比、水泥用量、砂率3個因素對粉煤灰陶粒混凝土的強度性能的影響規律，通過灰色關聯分析法確定了水泥用量和砂率的重要性系數，在此基礎上分析了其對抗壓強度的影響規律，得出以下結論：

a）降低水灰比會導致粗骨料陶粒的提前開裂，造成混凝土的干縮，使混凝土結構易在較早齡期時出現開裂，故難以通過調整水灰比的方式來增強陶?；炷量箟簭姸?。

b）在各齡期水泥用量對強度的重要性系數均大于砂率，隨著齡期增加，水泥的重要性系數逐漸降低，砂率的重要性系數則呈現出先增大后減小的趨勢，在齡期為28 d 時，兩者的影響持平。