基于響應(yīng)面法的機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度影響因素研究

劉安強(qiáng) 李雷軍 薛 晉 張碧川

(陜西陜煤曹家灘礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，世界各國(guó)的基礎(chǔ)設(shè)施投資力度加大，混凝土用量急劇增加。砂是混凝土基本組成材料，隨著混凝土消耗量的增加，越來(lái)越多的河砂被開(kāi)采。河砂的大范圍開(kāi)采會(huì)對(duì)周?chē)h(huán)境產(chǎn)生不良的影響，目前部分河流已經(jīng)禁止開(kāi)采河砂。機(jī)制砂正在逐步取代天然砂[1]。

機(jī)制砂由巖石破碎而成，具有一些天然砂所沒(méi)有的獨(dú)特成分[2-3]。機(jī)制砂能夠避免天然砂中的活潑二氧化硅組分與水泥的堿金屬、氫氧化物之間的反應(yīng)。通過(guò)對(duì)比大量的已有研究可知，機(jī)制砂混凝土部分性能優(yōu)于天然砂混凝土[4-6]。為提高機(jī)制砂混凝土的各項(xiàng)性能，各種礦物摻合料成為不可或缺的組成部分[7]。石粉可以誘導(dǎo)水化物析晶，通過(guò)提高有效結(jié)晶產(chǎn)物含量而提高混凝土強(qiáng)度[8]。粉煤灰能夠促進(jìn)水泥熟料水化中的解絮作用降低用水量，并充填孔隙阻止水泥顆粒間的團(tuán)聚。硅灰加入噴射混凝土中能夠顯著改善其粘附性和凝聚性，增大依次成型厚度。另外，研究表明，在機(jī)制砂混凝土中加入石粉、粉煤灰和硅灰能夠發(fā)揮各自的“疊加效應(yīng)”，降低混凝土水化熱的同時(shí)提高力學(xué)性能[9-11]。

響應(yīng)面法是解決多變量問(wèn)題的一種科學(xué)統(tǒng)計(jì)方法，能夠利用合理的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并通過(guò)多元二次方程來(lái)擬合因素和響應(yīng)值之間的函數(shù)關(guān)系。響應(yīng)面法中的Box-Behnken設(shè)計(jì)被提出后已廣泛應(yīng)用于工程中，其中關(guān)于添加劑劑量和混凝土強(qiáng)度關(guān)系的研究也一直是熱點(diǎn)。本文基于響應(yīng)面法的Box-Behnken設(shè)計(jì)以石粉、粉煤灰和硅灰摻量為因素，抗壓強(qiáng)度為響應(yīng)值研究三者摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響，并建立各影響因素的多元預(yù)測(cè)回歸模型進(jìn)行因素影響大小分析，為機(jī)制砂混凝土配合比設(shè)計(jì)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)和理論指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 水泥、水

采用山東山水水泥集團(tuán)（日照）有限公司生產(chǎn)的普通硅酸鹽P·O42.5水泥進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，質(zhì)量符合《通用硅酸鹽水泥》（GB175-2023）和ASTM C150。水泥化學(xué)成分見(jiàn)表1，比表面積為338m2∕kg，燒失量為4.54%。水泥初凝時(shí)間＞45min；終凝時(shí)間＜600min。

試驗(yàn)全部用水均為自來(lái)水，符合《混凝土拌合水標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ 63-2006）要求。

1.1.2 機(jī)制砂和粗骨料

機(jī)制砂全部來(lái)自于山東省青島地鐵6號(hào)線一期工程。青島地鐵施工采用爆破的方式進(jìn)行推進(jìn)，產(chǎn)生的石塊體積較大，需要采用破碎機(jī)進(jìn)行破碎并進(jìn)行篩分才能夠使用。在該項(xiàng)工作中，采用顎式破碎機(jī)對(duì)石塊進(jìn)行破碎，按照如圖1所示的機(jī)制砂級(jí)配進(jìn)行篩分。

圖1 骨料級(jí)配圖

粗骨料采用耐久性好的碎石，粒徑5～10mm之間，符合《錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》（GB 50086-2015）。如圖1所示，機(jī)制砂和粗骨料級(jí)配線均位于噴射混凝土技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)級(jí)配上下線之間。

1.1.3 石粉

石粉含量在一定范圍內(nèi)能夠改善混凝土工作性能，超出該范圍后石粉將產(chǎn)生負(fù)面影響。如果水粉比過(guò)大，易產(chǎn)生離析泌水，對(duì)于水灰比較大的混凝土，可以靠石粉適當(dāng)降低水粉比，改善粘聚性和增強(qiáng)保水性，減弱離析泌水；在工作性能良好的情況下，如果石粉含量過(guò)高，會(huì)使水粉比偏小而降低拌合物的流動(dòng)性。本課題中的石粉通過(guò)篩分破碎后的機(jī)制砂得到，其粒徑為＜0.075mm。石粉摻量設(shè)置3個(gè)水平，分別為水泥質(zhì)量的5%、10%和15%。

1.1.4 粉煤灰

粉煤灰能夠起到活性和充填的作用，使得混凝土的結(jié)構(gòu)密度提高。在混凝土拌和形成初期，粉煤灰的形態(tài)效應(yīng)和微集料填充效應(yīng)能夠改善混凝土拌合物的流動(dòng)性，針對(duì)噴射混凝土，能更好地輸送和應(yīng)用。本課題中的粉煤灰均由河南恒源新材料有限公司生產(chǎn)提供的F類(lèi)粉煤灰，其化學(xué)成分如表2所示。其中細(xì)度、需水量比、燒失量、含水量分別為8.7%，91%，2.8%，0.2%，滿(mǎn)足Ⅰ級(jí)粉煤灰對(duì)相關(guān)參數(shù)指標(biāo)的要求。本課題中的粉煤灰摻量設(shè)置3個(gè)水平，分別為水泥質(zhì)量的10%、15%和20%。

1.1.5 硅灰

硅灰在混凝土中摻量太少，對(duì)混凝土性能改善不大，但是摻量太多，則混凝土太黏，不易施工，且干縮變形大，抗凍性差。本課題中的硅灰由河南恒源新材料有限公司生產(chǎn)，其化學(xué)成分如表3所示。其中密度為2.4g∕cm3，比表面積為75000m2∕kg。硅灰摻量設(shè)置3個(gè)水平，分別為水泥質(zhì)量的2.5%、5%和7.5%。

表3 硅灰化學(xué)成分

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 混凝土配合比

該試驗(yàn)混凝土的水灰比為0.5，其中水泥、碎石、機(jī)制砂和水比例按照1∶1.5∶2.25∶0.5配制而成。石粉、粉煤灰和硅灰按照水泥用量的質(zhì)量占比加入。根據(jù)響應(yīng)面法中的Box-Behnken試驗(yàn)?zāi)Ｐ停煌瑩搅肯鹿残?7種配合比，其中石粉、粉煤灰和硅灰摻量占水泥質(zhì)量的百分比如表4所示，每種配比下做3塊試塊進(jìn)行力學(xué)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果為3塊力學(xué)強(qiáng)度的平均值。

表4 石粉、粉煤灰和硅灰配合比（%）

1.2.2 試件制備

混凝土試塊制作符合《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB∕T 50081-2016）試件尺寸制作標(biāo)準(zhǔn)要求，模具尺寸為100mm×100mm×100mm。按照混凝土配合比和表4中添加劑配合比配置混凝土，實(shí)驗(yàn)過(guò)程時(shí)先將粗骨料、機(jī)制砂和水泥放置在混凝土攪拌機(jī)中混合1min。隨后加入水和其他添加劑繼續(xù)攪拌3min。混合好的混凝土被澆筑在模具中，放置振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行振實(shí)，振動(dòng)時(shí)間為4min。需要注意的是，振動(dòng)過(guò)程會(huì)導(dǎo)致模具中的混凝土減少，需要向模具中持續(xù)加入混凝土直至溢出。最后刮掉模具上多余的混凝土，在室溫下固化24h，然后脫模。脫模后試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d[12]。

2 結(jié)果與討論

2.1 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)及顯著性檢驗(yàn)

2.1.1 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以單軸抗壓強(qiáng)度值作為響應(yīng)值，以石粉摻量（X1）、粉煤灰摻量（X2）以及硅灰摻量（X3）作為考察因素，Box-Behnken試驗(yàn)因素與水平見(jiàn)表5所示，試驗(yàn)結(jié)果與分析見(jiàn)表6所示。

表5 Box-Behnken試驗(yàn)因素與水平

表6 Box-Behnken試驗(yàn)結(jié)果分析

采用最小二乘法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，建立回歸模型如下：

2.1.2 顯著性檢驗(yàn)

對(duì)所建立的標(biāo)準(zhǔn)二次回歸方程（式1）進(jìn)行方差分析，所得結(jié)果如表7所示。通過(guò)方差分析對(duì)模型進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，設(shè)定顯著性水平為0.05，即當(dāng)P值＜0.05時(shí)，認(rèn)為該指標(biāo)顯著；當(dāng)P值＞0.05時(shí)，認(rèn)為該指標(biāo)不顯著。由表7可以看出抗壓強(qiáng)度的二次回歸模型的P值＜0.05，多元相關(guān)系數(shù)R2為0.83，說(shuō)明該回歸方程能夠很好地逼近真實(shí)曲面，模型能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度。

表7 方差分析

如表7所示，單因素下石粉、粉煤灰和硅灰對(duì)應(yīng)的方差值依次為3.125,91.125和4.5，因此可得到單因素對(duì)抗壓強(qiáng)度的顯著程度為：粉煤灰對(duì)機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度影響最大，硅灰影響次之，石粉影響最小。

2.2 響應(yīng)面分析

根據(jù)機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度回歸方程分析，采用響應(yīng)面和等高線分析石粉、粉煤灰和硅灰兩兩交互作用對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響（見(jiàn)圖2所示）。討論兩兩交互作用對(duì)抗壓強(qiáng)度影響規(guī)律時(shí)控制另外一個(gè)因素處于中間水平。根據(jù)前文所述，本課題中的石粉、粉煤灰和硅灰摻量的中等水平分別為水泥質(zhì)量的10%、15%和5%。由圖2可知，兩兩因素之間存在交互影響。

圖2 兩因素之間交互作用圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文采用響應(yīng)面法對(duì)石粉、粉煤灰和硅灰的摻量對(duì)機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度的影響進(jìn)行研究，得到的結(jié)論如下：

（1）采用多元回歸分析方法，以石粉、粉煤灰和硅灰摻量為因素，抗壓強(qiáng)度為響應(yīng)值建立機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度與石粉、粉煤灰和硅灰摻量的預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)模型的多元相關(guān)系數(shù)R2為0.83。

（2）對(duì)單因素的統(tǒng)計(jì)值進(jìn)行分析，單因素對(duì)抗壓強(qiáng)度的顯著程度為：粉煤灰對(duì)機(jī)制砂噴射混凝土抗壓強(qiáng)度影響最大，硅灰影響次之，石粉影響最小；此外，兩兩因素之間的交互作用均是顯著的。