技术交流：机制砂混凝土试验研究

来源：( 中国商品混凝土网) 时间： 2018-08-04 点击：4165 点赞：5

机制砂混凝土试验研究

戴鹏，李曦，蒋震，冷政，曹毅，肖丹

（中建西部建设湖南有限公司，湖南长沙 410005）

［摘要］本文以 C40 混凝土为基准，利用 L9(34) 正交试验，探究了水胶比、砂率、机制砂取代率对机制砂混凝土性能的影响，并进行极差分析，以总功效系数 d 为评价指标确定最优试验方案，并进行试验验证。结果表明：以总功效系数 d 为考核指标得出的机制砂混凝土各因素作用的主次顺序依次为：水胶比、机制砂取代率、砂率，最优试验方案的水胶比为 0.38，砂率为 0.42，机制砂取代率为 50%。

［关键词］机制砂；正交试验；极差分析；总功效系数

我国预拌混凝土中使用的细骨料大多为天然河砂，但随着建筑业的快速发展，天然河砂资源日益匮乏。此外，因天然河砂资源过度开采带来的环境问题也日益严重。很多地方均已采取相关措施严控天然河砂的开采，直接导致建筑市场天然河砂出现货源少、价格飙升、质量大幅下降等问题，严重影响了预拌混凝土生产质量控制和可持续发展，预拌混凝土用砂问题亟需解决[1-3]。

众所周知，机制砂来源广泛、价格相对低廉，使用机制砂取代天然河砂已成为一种必然趋势。本试验以 C40 混凝土为基准，选用花岗岩机制砂，利用正交试验，研究了水胶比、砂率、机制砂取代率对机制砂混凝土性能的影响，制备出工作性能和力学性能良好的机制砂混凝土。

1 材料及方法

1.1 原材料

水泥：P·O42.5 普通硅酸盐水泥，其物理性能见表 1。

粉煤灰：F 类 Ⅱ 级灰，45μm 筛筛余 14.5%，烧失量 1.8%。

矿渣粉： S95 级矿渣粉，比表面积为 410m2/kg，烧失量为 0.7%。

粗骨料：5～31.5mm 连续级配天然碎石。

细骨料：天然河砂和花岗岩机制砂，其中花岗岩机制砂生产过程中经过颗粒整形和选粉工艺处理，细骨料的颗粒级配和主要技术指标分别见表 2 和表 3。

减水剂：市售某厂低浓聚羧酸高性能减水剂。

水：普通自来水。

表 1 水泥的物理性能

比表面积(m2/kg)	安定性	凝结时间(min)		抗折强度(MPa)		抗压强度(MPa)
比表面积(m2/kg)	安定性	初凝	终凝	3d	28d	3d	28d
360	合格	205	270	6.1	8.7	30.6	53.4

表 2 细骨料的颗粒级配

筛孔尺寸(mm)

细度模数

5.00

2.50

1.25

0.63

0.315

0.160

筛底

天然河砂

累计筛余(%)

2.5

100

花岗岩机制

砂累计筛余(%)

3.2

100

1.2 试验方法

混凝土拌合物性能：依据现行国家标准 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》的规定进行测试。

混凝土抗压强度：试件尺寸为 150mm×150mm× 150mm，依据现行国家标准 GB/T 50081—2016《普通混凝土力学性能试验方法标准》的规定进行测试。

2 试验研究

2.1 正交试验设计

本试验考虑 C40 机制砂混凝土配合比设计中水胶比、砂率、机制砂取代率三个因素的影响，每个因素选取三个水平，选用 L9(34) 正交表，采用极差法分析试验结果。本次正交试验因素水平列表见表 4，正交试验数据方案见表 5，正交试验结果见表 6。

2.2 试验结果极差分析

本试验各个考核指标的极差分析结果，分别见表 7、表 8 和表 9。

表 4 正交试验因素水平列表

水平	A 水胶比	B 砂率(%)	C 机制砂取代率(%)	D 空白
1	0.42	44	30
2	0.40	42	50
3	0.38	40	70

表 5 正交试验数据方案 kg/m3

组别	水	水泥	粉煤灰	矿粉	河砂	机制砂	石	减水剂
1	164	293	39	59	594	255	997	7.8
2	164	293	39	59	406	406	1033	7.8
3	164	293	39	59	233	543	1070	7.8
4	164	308	41	62	420	420	986	8.2
5	164	308	41	62	241	562	1023	8.2
6	164	308	41	62	537	230	1059	8.2
7	164	324	43	65	249	581	974	8.6
8	164	324	43	65	556	238	1010	8.6
9	164	324	43	65	379	379	1047	8.6

表 6 正交试验结果

水平	流动度(mm)	7d 抗压强度(MPa)	28d 抗压强度(MPa)
1	215	41.7	51.8
2	225	42.3	53.4
3	230	40.0	50.2
4	205	46.5	59.8
5	210	42.7	54.9
6	195	43.3	56.4
7	210	43.8	56.9
8	230	44.7	58.3
9	220	44.2	57.5

表 7 以流动度为考核指标的极差分析

编号	A	B	C	D
Ⅰ	223.333	210.000	213.333	215.000
Ⅱ	203.333	221.667	216.667	210.000
Ⅲ	220.000	215.000	216.667	221.667
R	20.000	11.667	3.334	11.667

表 8 以 7d 抗压强度为考核指标的极差分析

编号	A	B	C	D
Ⅰ	41.333	44.000	43.233	42.867
Ⅱ	44.167	43.233	44.333	43.133
Ⅲ	44.233	42.500	42.167	43.733
R	2.900	1.500	2.166	0.866

表 9 以 28d 抗压强度为考核指标的极差分析

编号	A	B	C	D
Ⅰ	51.800	56.167	55.500	54.733
Ⅱ	57.033	55.533	56.900	55.567
Ⅲ	57.567	54.700	54.000	56.100
R	5.767	1.467	2.900	1.367

由表 7 可知，以流动度为考核指标得出的各因素作用的主次顺序依次为：A→B、D→C；由表 8 可知，以 7d 抗压强度为考核指标得出的各因素作用的主次顺序依次为：A→C→B→D；由表 9 可知，以 28d 抗压强度为考核指标得出的各因素作用的主次顺序依次为：A→C→B→D，且与 7d 抗压强度各因素作用顺序一致。

2.3 试验结果总功效系数分析

在混凝土配合比设计中，不能纯粹地以强度作为考核指标，还要考虑其工作性能的影响。为找出各考核指标在不同情况下较好的试验方案。本文引入功效系数法，对每组试验配合比进行综合评价。由于各个考核指标的数值相差比较大，为了使数据之间具有可比性，将所有试验数据作归一化处理。各因素功效系数归一化处理的具体方法为：将各因素考核指标中实测值的最大值作“1”处理，同因素试验值与其最大值的比值为归一化值，即功效系数[4]。各考核指标归一化处理的结果，见表 10。

表 10 正交试验各考核指标归一化处理一览表

水平	流动度(mm)		7d 抗压强度(MPa)		28d 抗压强度(MPa)
1	215	0.9348	41.7	0.8968	51.8	0.8662
2	225	0.9783	42.3	0.9097	53.4	0.8930
3	230	1.0000	40.0	0.8602	50.2	0.8395
4	205	0.8913	46.5	1.0000	59.8	1.0000
5	210	0.9130	42.7	0.9183	54.9	0.9181
6	195	0.8478	43.3	0.9312	56.4	0.9431
7	210	0.9130	43.8	0.9419	56.9	0.9515
8	230	1.0000	44.7	0.9613	58.3	0.9749
9	220	0.9565	44.2	0.9505	57.5	0.9615

假设正交试验配合比的总数为 m，其中第 i 个配合比的总功效系数为 d，对应的工作性和 7d、28d抗压强度（m1、m2 和 m3）的考核指标归一化处理后，功效系数分别为 d1、d2 和 d3，则总功效系数为：d=(d1×d2×d3)1/3。总功效系数的计算，见表 11。

表 11 正交试验总功效系数 d

水平	流动度 (mm)	7d 抗压强度(MPa)	28d 抗压强度(MPa)	总功效系数 d
1	0.9348	0.8968	0.8662	0.8988
2	0.9783	0.9097	0.8930	0.9262
3	1.0000	0.8602	0.8395	0.8972
4	0.8913	1.0000	1.0000	0.9624
5	0.9130	0.9183	0.9181	0.9165
6	0.8478	0.9312	0.9431	0.9064
7	0.9130	0.9419	0.9515	0.9354
8	1.0000	0.9613	0.9749	0.9786
9	0.9565	0.9505	0.9615	0.9562

以总功效系数 d 为考核指标的极差分析结果，见表12。

表 12 以总功效系数 d 为考核指标的极差分析

编号	A	B	C	D
Ⅰ	0.907	0.932	0.928	0.924
Ⅱ	0.928	0.940	0.948	0.923
Ⅲ	0.957	0.920	0.916	0.946
R	0.050	0.020	0.032	0.023

由表 12 可知，以总功效系数 d 为考核指标得出的各因素作用的主次顺序依次为：A→C→D→B，可能的最优方案是 AⅢ BⅡCⅡ。

2.4 最优试验方案验证

根据确定的最优试验方案 AⅢ BⅡCⅡ，即水胶比0.38，砂率 0.42，机制砂取代率为 50%，具体试验方案见表 13，试验结果见表 14。

表 13 最优试验方案及试验结果 kg/m3

水	水泥	粉煤灰	矿粉	河砂	机制砂	石	减水剂
164	324	43	65	397	397	1010	8.6

表 14 最优方案试验结果

流动度(mm)	7d 抗压强度(MPa)	28d 抗压强度(MPa)
240	45.1	59.7

由表 14 可知，与原正交试验各组方案试验结果相比，最优方案 AⅢ BⅡCⅡ 制备的机制砂混凝土具有更好的工作性能和力学性能；从工作性能和力学性能角度分析，该方案为最优试验方案。

3 结论

（1）机制砂混凝土正交试验中影响混凝土流动度最大的因素是水胶比，最小的因素是机制砂取代率。

（2）机制砂混凝土正交试验中影响混凝土 7d、28d 抗压强度最大的因素是水胶比，最小的因素是砂率。

（3）以工作性、各龄期强度和总功效系数 d 为考核指标时各因素作用的主次顺序，依次为：水胶比→机制砂取代率→砂率，机制砂混凝土最优试验方案的水胶比为 0.38，砂率 0.42，机制砂取代率为 50%。

（4）经过颗粒整形和选粉处理的花岗岩机制砂具有良好的物理性能，适当取代天然河砂，对混凝土的工作性能影响较小，对混凝土的力学性能影响略高于砂率，具有良好的应用前景。

参考文献

[1] 张伟鑫．福州地区机制砂生产质量现状调研分析[J].福建建材，2016(7): 31-33．

[2] 唐凯靖，刘来宝，周应．岩性对机制砂特性及其混凝土性能的影响[J]．混凝土，2011(12): 62-66．

[3] 朱荣军，季涛，刘春苹，等．泥石粉对人工砂混凝土工作性及力学性能的影响[J]．福州大学学报（自然科学版），2012(3): 388-392．

[4] 朱平华，陈华建，郭佳赤，等．大体积混凝土优化设计的四功能准则[J]．混凝土，2004(1): 41-45．

［作者简介］戴鹏（1989—），男，硕士，工程师，主要研究方向为建筑材料与工程。

［通讯地址］湖南省长沙市开福区湘江北路与绕城高速交界处中建西部建设湖南有限公司技术部（410005）