干硬性混凝土配合比優(yōu)化及其性能研究

引言混凝土是工程中應(yīng)用最廣泛、用量最大的建筑材料之一，隨著當(dāng)代混凝土技術(shù)的不斷創(chuàng)新，工程規(guī)模的不斷擴大，材料的種類和工藝水平也日益提升。為滿足生產(chǎn)需要，加快施工進程，節(jié)約成本和資源，干硬性混凝土得到了廣泛應(yīng)用[1]。強度是混凝土最重要的力學(xué)性能指標，直接影響混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計和施工等，一直以來，較高的混凝土強度是行業(yè)追求的目標[2]。目前工程中的多個領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用了干硬性混凝土，但是對干硬性混凝土的研究尚不完善。路面裂縫主要由混凝土的收縮及混凝土面板的主體結(jié)構(gòu)荷載破壞而引起，然而，引起混凝土路面裂縫主要是施工時混凝土水灰比、坍落度大而引起[3-4]。本文通過試驗對干硬性混凝土配合比設(shè)計及施工方式進行改善，對干硬性混凝土力學(xué)性能及抗開裂、抗凍性能等進行探究，通過不斷的試驗改進以及探索將干硬性混凝土的優(yōu)勢和潛力激發(fā)出來[5-6]。

1、試驗部分

1.1原材料金隅冀東產(chǎn)P·O42.5普通硅酸鹽水泥。唐山博全實業(yè)產(chǎn)骨料，其中，石料為5～10mm連續(xù)級配，砂為II級中砂，細度模數(shù)2.82。選用原材料時需要注意以下事項：（1）不能摻加粉煤灰或者礦渣粉，尤其是粉煤灰，以免起毛；（2）保證混凝土的出機坍落度在40mm左右，入模坍落度10～30mm，運輸時間控制在30min以內(nèi)，可采用自卸汽車，每車運7～8m3；（3）為保證混凝土的拌合均勻性，混凝土總拌合時間不應(yīng)少于90s，每盤料的攪拌時間要符合規(guī)范要求，且不應(yīng)超過3min；（4）混凝土拌合站檢查混合料的質(zhì)量，無明顯離析，色澤一致，無灰團、凝結(jié)現(xiàn)象，呈粘塑狀。

1.2試驗儀器試驗主要儀器有：SJD60混凝土攪拌機、HZJ-1振動臺、WYA-2000抗壓試驗機、KZJ-500抗折試驗機、LT2002電子天平、KDR-16S快速凍融箱。

1.3試驗方法為了確定干硬性混凝土最優(yōu)配比，采用正交試驗[7-9]來確定，選取砂膠比（2.0、2.2、2.4）、水膠比（0.35、0.40、0.45）、砂率（35%、40%、45%）三因素，設(shè)計三因素三水平正交試驗表，見表1、表2。

表1

配合比設(shè)計表2

正交表設(shè)計方案根據(jù)試驗配合比稱量所需試驗材料，將石子、砂子、水泥依次倒入攪拌機中，攪拌1min，使之混合均勻。水的加入量根據(jù)工作性需要確定，將稱量好的自來水緩慢加入攪拌機中，直至混凝土拌合物滿足工作性要求。將制備好的混凝土裝入設(shè)計的專用模具（抗壓強度測量所需100mm×100mm×100mm無頂模塊以及抗折強度所需混凝土條狀模塊）中，然后將專用模具置于振動臺振動加壓，振動完畢后24h拆模，取出試件并移入標準養(yǎng)護室進行養(yǎng)護。養(yǎng)護至相應(yīng)齡期，取出并置于相應(yīng)養(yǎng)護條件下。制備好的干硬性混凝土觀察測量其流動性以及坍落度，記錄并整理。針對不同配比干硬性混凝土試樣進行流動性能、力學(xué)性能測試，確定最優(yōu)試驗組，并針對其抗裂、抗凍性能進行測試。

1.3.1流動性能測試按照GB/T2419—2016《水泥膠砂流動度測試方法》測試混凝土坍落度。

1.3.2力學(xué)性能測試按照GB/T50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標準》對養(yǎng)護至3d、7d、28d齡期的模塊測定其抗壓強度。試驗選用混凝土壓力試驗機，加載速度由混凝土的設(shè)計強度決定。測得的強度值應(yīng)乘以系數(shù)的0.95進行尺寸換算。

1.3.3抗裂性能測試按照JCT951—2005《水泥砂漿抗裂性能試驗方法》、GB/T50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》進行。矩形板式試件幾何尺寸為800mm×600mm×100mm，在溫度（20±3）℃、相對濕度（60±5）%的室內(nèi)成型并使用3臺風(fēng)扇按規(guī)定方法和時間進行吹風(fēng)，測量試件表面裂縫寬度及相應(yīng)的長度。

1.3.4抗凍融循環(huán)性能測試本研究主要利用快速凍融法對干硬性混凝土抗凍性進行試驗，以相對動彈模量和質(zhì)量損失作為評價指標，在對試驗數(shù)據(jù)進行了數(shù)理統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上，分別研究干硬性混凝土抗凍性。依據(jù)GB/T50082—2009中混凝土抗凍試驗（快凍法）進行，因干硬性混凝土成型方式不同的原因，采用尺寸為100mm×100mm×100mm的試件。凍融試件飽水4d，3個為1組進行凍融試驗；吸水飽和后將試件取出并擦去表面水分，測試初始質(zhì)量和初始聲波聲速值；測試完畢后將試件放回凍融箱，按凍融介質(zhì)要求，在塑料面套筒內(nèi)注入自來水；凍融循環(huán)次數(shù)達到設(shè)定次數(shù)后，取出擦干表面水分，再次測定凍融后的質(zhì)量和聲波聲速，測試完畢重新放入凍融箱并注入自來水，繼續(xù)試驗循環(huán)。

其中，力學(xué)性能及抗凍融循環(huán)性能試驗中，均取3個試件的平均值為最終值，若最大值或最小值與中間值相差15%，取中間值作為最終結(jié)果；若最大值與最小值均超過中間值的15%，此組數(shù)值無效，需進行重新測定。2、結(jié)果與討論

2.1流動性能測試結(jié)果混凝土試件的坍落度及極差分析結(jié)果見表3。按要求，混凝土坍落度需控制在30～40mm之間，且接近40mm。由表3可知影響坍落度的主要因素是水膠比，水膠比越大，坍落度越大；其次是砂率；影響最弱的因素是砂膠比。最優(yōu)配比選用A2B2C2（砂膠比2.2、水膠比0.40、砂率40%）。表3

混凝土坍落度結(jié)果及極差分析2.2力學(xué)性能測試結(jié)果混凝土試件養(yǎng)護3d、28d的抗壓、抗折強度結(jié)果及極差分析見表4，極差分析柱狀圖如圖1所示。表4

混凝土抗壓強度結(jié)果及極差分析圖1

混凝土3d、28d極差柱狀圖按要求，混凝土3d強度需高于20MPa。由表4、圖1可知，影響混凝土3d強度的主要因素是水膠比，水膠比越大，強度越低；其次是砂率；影響最弱的因素是砂膠比。其中砂膠比與砂率的作用相當(dāng)，都非常弱。最優(yōu)配比為：A2B1C2（砂膠比2.2、水膠比0.35、砂率40%）。按要求，混凝土28d強度需高于32MPa。由表4、圖1可知，影響混凝土28d強度的主要因素是水膠比，水膠比越大，強度越低；其次是砂膠比；影響最弱的因素是砂率。其中砂膠比與砂率的作用相當(dāng)，都非常弱。最優(yōu)配比選用：A3B2C2（砂膠比2.4、水膠比0.40、砂率40%）。綜上所述，影響干硬性混凝土流動性、抗壓強度的主要因素是水膠比，最優(yōu)水膠比為0.4；砂率對坍落度的性能影響較大，但是對于3d、28d抗壓強度和砂膠比的影響效果相當(dāng)，都非常弱。通過重復(fù)試驗，選取砂膠比2.2、水膠比0.40、砂率40%為最優(yōu)配比。

2.3抗開裂性能測試結(jié)果利用C30干硬性混凝土與普通C30混凝土進行對比，具體配合比見表5。由表5可知，干硬性混凝土的抗開裂性能明顯優(yōu)于普通C30混凝土。

表5

混凝土配合比及抗裂性能測試結(jié)果2.4抗凍性能測試利用C30干硬性混凝土與普通C30混凝土進行對比，試驗結(jié)果見表6。由表6可知，干硬性混凝土的抗凍融性能明顯優(yōu)于普通C30混凝土。

結(jié)論

（1）影響干硬性混凝土流動性、抗壓強度的主要因素是水膠比；砂率