邵永紅,李 林,程志順,馮紹亮,王 彬

(1.中鐵二局集團有限公司,成都 610039; 2.長春工程學院土木工程學院,長春 130012)

0 引言

近年來,隨著我國對生態(tài)環(huán)境保護的重視程度增強,作為加快轉變經濟發(fā)展方式的重要著力點,建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會,利用機制砂取代或部分取代天然砂作為混凝土細集料已成為混凝土界研究的熱點之一。Polytechniccollege,et al[1]通過研究提出了機制砂混凝土的抗壓、劈裂抗拉強度比河砂混凝土大,而加入塑料纖維更能大幅度提高混凝土的劈裂抗拉能力。Chow,et al[2]研究了機制砂的顆粒形狀、粒徑分布、細粒含量和填料密度對混凝土性能的影響。Gruyaert E,et al[3]研究了3組不同水膠比的機制砂混凝土中石粉含量對其和易性的影響,提出了當混凝土配合比中水膠比、水量一定時,可通過改變外加劑的用量來保證機制砂的坍落度達到設定值,并得出了減水劑量隨石粉含量不同的變化規(guī)律。張禮華等[4]運用SEM、XRD等測試方法對不同巖性機制砂、水泥水化產物及混凝土的微結構進行研究,提出了石粉的摻入有助于提高混凝土的和易性及強度。蔣正武等[5]研究了不同石粉含量下,混凝土的抗壓強度、彈性模量的變化規(guī)律。謝華兵[6]提出了石灰?guī)r機制砂的粒形綜合指數越高,混凝土工作性能、力學性能和抗氯離子滲透性能越好。隨著硅灰和鋼渣的高強性能被行業(yè)認可,國內外開展了以硅灰和鋼渣為摻合料的混凝土的性能研究。Wu,et al[7]提出摻入10%～25%的硅灰對膠砂各齡期強度有較大提升。Ne?erka,et al[8]通過研究發(fā)現以10%、30%的硅灰替代水泥時,混凝土的界面過渡區(qū)厚度分別降低了25%和65%。Mastali,et al[9]發(fā)現硅灰改善了漿體與骨料、纖維間的黏結,同纖維摻量下摻加14%的硅灰時會使自密實混凝土的抗壓強度提高22%,劈裂抗拉強度增長25%,抗折強度增長10%。鄒啟賢等[10]提出鋼渣粉可以增大混凝土坍落度并降低坍落度損失,但會導致凝結時間延長。鄭永超等[11]提出鋼渣可以有效降低體系水化熱,但其中鋁、鈣配位極不規(guī)則的七鋁十二鈣(C12A7)會在初期快速反應放熱,對新拌混凝土的和易性造成不利影響。Wang,et al[12]提出混凝土的抗壓強度(尤其是早期強度)會隨鋼渣摻量的增大而下降,尤其是鋼渣摻量超過30%時。Liu,et al[13]研究了鋼渣—硅灰復合摻合料對混凝土性能的影響,研究結果表明硅灰吸附在鋼渣顆粒表層從而加強了鋼渣與周圍水化產物的黏接,并且減輕了鋼渣的緩凝效果。

雖然前述研究對提高機制砂混凝土的力學性能與工作性能取得了一定效果,但是針對以鋼渣—硅灰為摻合料的機制砂混凝土的力學性能研究仍處于初探階段。本文依托金甬鐵路工程項目,對復摻了鋼渣和硅灰的機制砂混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度等進行了試驗研究,分析了不同摻合料條件下機制砂混凝土的性能變化規(guī)律,為后續(xù)鐵路工程中機制砂混凝土的應用提供了數據參考。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

制備復合摻合料機制砂混凝土所需的原材料主要有水、水泥、粗骨料、鋼渣、硅灰、天然砂、機制砂和外加劑。水泥采用P·O42.5普通硅酸鹽水泥。采用單一粒徑的粗骨料作為復合摻合料機制砂混凝土的骨架結構,骨料粒徑范圍分別為0～5 mm和5～20 mm,如圖1所示,性能參數見表1。天然砂取自長春市某工地,其顆粒級配見表2。試驗采用的機制砂取自金甬鐵路工程中回收的石灰?guī)r,經過破碎后而成,其顆粒級配與性能指標見表3～4。

(a)5～20 mm

表1 粗骨料性能指標

表2 天然砂級配

表3 機制砂級配

表4 機制砂性能指標

硅灰是鐵合金在工業(yè)電爐中高溫熔煉工業(yè)硅和硅鐵時,隨廢氣逸出的大量煙塵迅速與空氣氧化冷凝沉淀而成的一種比表面積很大、活性很高的火山灰物質。本試驗采用的硅灰化學成分見表5。鋼渣是煉鋼過程中的一種副產品,由生鐵中的硅、錳、磷、硫等雜質在熔煉過程中氧化而成的各種氧化物以及這些氧化物與溶劑反應生成的鹽類所組成。本試驗鋼渣化學成分見表6。

表5 硅灰化學成分表

表6 鋼渣化學成分表

減水劑是為了改善混凝土功能的一種外加劑,拌合混凝土時,加入減水劑可以使其獲得較高的強度以及較好的和易性。本試驗采用天津市靜海區(qū)生產的HLX(標準型)液體聚羧酸高性能減水劑,其性能參數見表7。

表7 聚羧酸減水劑性能指標

1.2 試驗設計

1.2.1 試驗方案

本次正交試驗共設計了機制砂取代率、機制砂石粉含量、鋼渣摻量以及硅灰摻量4個因素,每個因素選取5個水平。根據試驗實際需要,采用四因素五水平正交試驗法,共計25組不同配合比試驗方案;每組配合比均需要進行28 d抗壓試驗及劈裂抗拉試驗,參照JTG 3420—2020《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》,28 d抗壓試驗和劈裂抗拉試驗均采用非標準立方體,尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的混凝土試件,每組配合比試驗需要制作3個試件,合計150塊試件。

1.2.2 配合比設計

根據前期試配、現行規(guī)范以及以往研究人員的研究成果,機制砂混凝土的水膠比取值為0.34;砂率為42%;減水劑摻量為1%。礦物摻合料雙摻時:機制砂取代率分別為 100%、87.5%、75%、62.5%、50%;機制砂石粉含量分別為6%、9%、12%、15%、18%;鋼渣取代水泥比例分別為 20%、27.5%、35%、45.5%、50%;硅灰取代水泥比例分別為 5%、7.5%、10%、12.5%、15%。試驗因素與水平見表8,復合摻合料機制砂混凝土試驗配合比見表9。

表8 試驗因素與水平表

表9 復合摻合料機制砂混凝土試驗配合比表

1.3 試驗方法

1.3.1 抗壓強度試驗

參照JTG 3420—2020《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》,測定復合摻合料機制砂混凝土的28 d抗壓強度,試驗設備采用微機控制電液伺服壓力試驗機,如圖2(a)所示。將試件放置于如圖2(b)所示的位置,在開始加載之前,打開電液伺服系統(tǒng),設定加載方式及相關參數。加載方式采用“荷載—位移”的方式進行加載,將加荷速率調整為5 000 N/s,測試結果乘以尺寸換算系數0.95,當試件接近破壞而開始迅速變形時,停止調整試驗機油門,直至試件被破壞,記錄破壞極限荷載F。

1.3.2 劈裂抗拉強度試驗

與抗壓強度試驗不同,在上、下壓板之間分別放置墊塊墊條,并將成型后的試件放入中間,幾何對中,且使試件中心線與下壓板、墊塊墊條的中心軸重合,將試驗機上壓板調至與試塊上表面恰好接觸。將試件放置于如圖2(c)所示的位置,在加載之前,打開電液伺服系統(tǒng),設定加載方式及相關參數。加載方式采用“荷載—位移”進行加載,將加載速率設定為500 N/s,將測試結果乘以尺寸換算系數0.85,當試件接近破壞而開始迅速變形時,停止調整試驗機油門,直至試件被破壞,記錄破壞極限荷載F。

(a)微機控制電液伺服壓力試驗機

1.3.3 坍落度試驗

參照JTG 3420—2020《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》,測定復合摻合料機制砂混凝土的坍落度以及擴展度,并用直觀經驗作為輔助手段,判定其狀態(tài)的優(yōu)劣。大致步驟:將坍落筒內外洗凈,放在經水潤濕過的平板上,并踏緊踏腳板。將混凝土分3層裝入筒內,每層裝入高度稍大于筒高的1/3,用搗棒在每一層的橫截面上均勻插搗25次。插搗在全部面積上進行,沿螺旋線由邊緣至中心,當頂層插搗完畢后,清除多余的混凝土,用抹刀抹平筒口,刮凈筒底周圍的拌合物,而后立即垂直地提起坍落筒,提筒控制在3～7 s內完成。將坍落筒放在錐體混凝土試樣一旁,筒頂平放木尺,用鋼尺量出木尺底面至試樣頂面最高點的垂直距離,即為混凝土拌合物的坍落度,精確至1 mm。當混凝土拌合物的坍落度>160 mm時,用鋼尺測量混凝土擴展后最終的最大直徑和最小直徑,在這兩個直徑之差<50 mm的條件下,用其算術平均值作為坍落擴展度值。黏聚性和保水性則需要用目測方法及直觀經驗來判斷,并予以相應的記錄。

2 試驗結果與分析

2.1 抗壓強度試驗結果

對復合摻合料機制砂混凝土進行28 d抗壓強度試驗,并將抗壓強度試驗結果分別與機制砂取代率、石粉含量、鋼渣摻量及硅灰摻量4個因素進行極差分析,繪制效應曲線,如圖3所示。

由圖3(a)可知,復合摻合料機制砂混凝土在機制砂取代率較小時,其抗壓強度變化并不是特別明顯。當機制砂取代率超過87.5%時,抗壓強度呈明顯增長趨勢。由圖3(b)可知,當石粉含量<15%時,復合摻合料機制砂混凝土的抗壓強度隨石粉含量的增長而增長;當石粉含量>15%時,抗壓強度呈顯著下降趨勢。由圖3(c)可知,復合摻合料機制砂混凝土的抗壓強度隨鋼渣摻量的增大而減小。由圖3(d)可知,復合摻合料機制砂混凝土的抗壓強度以硅灰摻量為10%作為界限值,當硅灰摻量<10%時,抗壓強度隨硅灰摻量的增大而增大,而>10%時,抗壓強度隨硅灰摻量的增大而減小。

(a)機制砂取代率

2.2 劈裂抗拉強度試驗結果

對復合摻合料機制砂混凝土進行劈裂抗拉強度試驗,并將劈裂抗拉強度試驗結果分別與機制砂取代率、石粉含量、鋼渣摻量及硅灰摻量4個因素進行極差分析,繪制效應曲線,如圖4所示。

(a)機制砂取代率

由圖4(a)可知,復合摻合料機制砂混凝土的劈裂抗拉強度隨機制砂取代率的增大而增大。由圖4(b)可知,當石粉含量<15%時,復合摻合料機制砂混凝土的劈裂抗拉強度隨石粉含量的增大而增大,但>15%時,其劈裂抗拉強度隨即變小。由圖4(c)可知,復合摻合料機制砂混凝土的劈裂抗拉強度隨鋼渣摻量的增大先增大后減小,其中鋼渣摻量為35%時,劈裂抗拉強度達到峰值。由圖4(d)可知,復合摻合料機制砂混凝土的劈裂抗拉強度隨硅灰摻量的增大先增大后減小,當硅灰摻量為10%時,劈裂抗拉強度達到峰值。

2.3 坍落度試驗結果

對復合摻合料機制砂混凝土進行坍落度試驗,并將坍落度試驗結果分別與機制砂取代率、石粉含量、鋼渣摻量及硅灰摻量4個因素進行極差分析,繪制效應曲線,如圖5所示。

由圖5(a)可知,復合摻合料機制砂混凝土的坍落度先隨機制砂取代率的增大而增大,當取代率>85%后,坍落度隨取代率的增大而減小。由圖5(b)可知,復合摻合料機制砂混凝土的坍落度總體上隨石粉含量的增大而減小,當石粉含量在9%～12%時,坍落度有小幅提高趨勢,當石粉含量>12%后,復合摻合料機制砂混凝土的坍落度隨石粉含量的增大快速變小。由圖5(c)可知,復合摻合料機制砂混凝土的坍落度總體隨鋼渣含量的增大而增大。由圖5(d)可知,復合摻合料機制砂混凝土的坍落度隨硅灰摻量的增大而增大。

(a)機制砂取代率

3 最優(yōu)方案比選

3.1 模糊綜合評判模型

采用模糊數學中的綜合評判原理,結合復合摻合料機制砂混凝土的工作性能、28 d抗壓強度以及劈裂抗拉強度等方面性能,建立復合摻合料機制砂混凝土最優(yōu)配合比方案比選的綜合評判數學模型,通過試驗數據及理論分析評價不同配合比方案的優(yōu)劣。

假設有m個擬定的復合摻合料機制砂混凝土配合比方案所組成的方案集V={v1,v2,…,vm},vm為第m個復合摻合料機制砂混凝土配合比方案。

復合摻合料機制砂混凝土綜合性能評價因素或指標共有n個,則因素集U={u1,u2,…,un},un為第n個評價因素或指標。

對于單因素評判,第i個影響因素對不同復合摻合料機制砂混凝土配合比方案綜合性能影響的單因素評判集為R={ri1,ri2,…,rim}。

集合所有評價因素的單因素評判結果,即得單因素評判矩陣:

(1)

式中rij為第i個因素ui對j復合摻和料機制砂混凝土配合比方案vj的隸屬度。

則評判集為

B=A·R={b1,b2,…,bi,…,bn},

(2)

bi值越大,表示第i個復合摻合料機制砂混凝土配合比方案的綜合性能越好。因此,根據評判指標bi的大小,即可以對復合摻合料機制砂混凝土配合比方案綜合性能的優(yōu)劣進行排序,從而對3種配合比方案進行優(yōu)選推薦。

3.2 模糊關系的量化

模糊關系的量化目標是確定單因素模糊評判矩陣R,也就是要確定隸屬度rij。根據性質,可以將影響因素分為定性和定量兩個方面來分析。

3.2.1 定性因素的隸屬度

對于工作性能這種量化困難的因素,可以考慮使用模糊語言來確定3種不同配合比方案相比較而言的工作性能。以工作性能最有利者為優(yōu),最不利者為劣,一般可以分為5級,即優(yōu)、良、中、次、差,相對應的隸屬度分為 1、0.75、0.5、0.25、0。

3.2.2 定量因素的隸屬度

定量因素是可以通過試驗方法確定該評價指標的具體數值,例如本試驗中的28 d抗壓強度和劈裂抗拉強度。為了方便比較,按照最優(yōu)值相對隸屬度為1的原則來定義隸屬度。因此,對于值越大越優(yōu)型因素(所謂越大越優(yōu)型因素是指因素指標值以最大值為最優(yōu),反之則為越小越優(yōu)型因素)的隸屬度為

(3)

對于越小越優(yōu)型因素,其隸屬度則為

(4)

式中:yij為第j個配合比方案中第i項因素的指標值;max{yij}與min{yij}分別為所有配合比方案中第i項因素指標的最大值和最小值。

3.3 配合比方案優(yōu)選

運用模糊數學綜合評判原理,對復合摻合料機制砂混凝土工作性能最優(yōu)配合比、28 d抗壓強度最優(yōu)配合比、劈裂抗拉強度最優(yōu)配合比進行綜合評價,將前述3種最優(yōu)配合比方案組成評價集,即V={v1,v2,v3}={工作性能最優(yōu)方案,28 d抗壓強度最優(yōu)方案,劈裂抗拉強度最優(yōu)方案}。相應的因素集為U={u1,u2,u3}={工作性能,28 d抗壓強度,劈裂抗拉強度}。

通過正交試驗結果得到3種配合比方案的評價指標見表10。

表10 不同配合比方案的定量因素評價指標值

根據式(3)計算定量因素的隸屬度,計算結果見表11。

表11 定量因素的隸屬度

使用模糊語言來確定其隸屬度,結果見表12。

表12 定性因素的隸屬度

由前述各因素隸屬度計算的結果可以得到單因素評判矩陣:

(5)

合理確定各影響因素的權重對正確評價復合摻合料機制砂混凝土配合比方案有重大影響,根據正交試驗結果以及相關的極差分析,綜合確定各因素的權重。本文重點考慮復合摻合料機制砂混凝土的工作性能、28 d抗壓強度以及劈裂抗拉強度,從而確定因素的權重集為A={a1,a2,…,ai,…,an}={工作性能,28 d抗壓強度,劈裂抗拉強度}={0.2,0.5,0.3}。

根據前述確定的權重集和單因素評價矩陣計算綜合評判集為

B=A·R={0.718,0.850,0.940}。

(6)

由綜合評判集可知,3種復合摻合料機制砂混凝土的配合比方案的綜合性能:劈裂抗拉強度最優(yōu)方案>28 d抗壓強度最優(yōu)方案>工作性能最優(yōu)方案。即優(yōu)先選擇劈裂抗拉強度最優(yōu)方案。

4 結論

1)通過復合摻合料機制砂混凝土的抗壓強度、劈裂抗拉強度和坍落度試驗結果可知,當機制砂取代率為100%、機制砂石粉含量為15%、鋼渣摻量為35%、硅灰摻量為10%時,鋼渣—硅灰復合摻合料機制砂混凝土的抗壓強度、劈裂抗拉強度和坍落度達到最優(yōu)。

2)本文構建了一種適用于復合摻合料機制砂混凝土最優(yōu)配比方案的數學模型,該模型可對影響混凝土工作性能的因素進行客觀評價,并確定相應的權重。通過試驗結果可知,在制備鋼渣—硅灰復合摻合料機制砂混凝土時,應優(yōu)先選擇劈裂抗拉強度作為配合比方案優(yōu)選的參考指標。

3)本研究將鋼渣—硅灰高性能復合摻合料摻入機制砂混凝土,有效提高了混凝土的力學性能并改善了其工作性能,對高性能復合摻合料及高強機制砂混凝土的制備具有參考價值。通過構建的綜合性能配合比方案評判模型,提高了機制砂混凝土的配合比方案優(yōu)選的效率,有利于復合摻合料機制砂混凝土在實際工程中的應用。