粉煤灰改性柔性混凝土配合比设计及力学性能研究

蒋志光 高玲玲 崔卫龙

摘要：为提高改性混凝土的工作性能，基于橡胶陶粒柔性混凝土流动性差的特性，通过9组不同配合比的粉煤灰对其进行室内试验研究，采用正交试验方法分别进行抗压强度、抗压弹性模量和抗折强度分析，得出各个组分对力学性能影响的主次顺序，通过优化配比，得出最优粉煤灰掺量和橡胶粉含量。在最优配合比的基础上，分析了粉煤灰掺入量对橡胶陶粒柔性混凝土坍落度和强度的影响，进一步分析了干缩性能，确定了最佳粉煤灰的掺入量。结果显示，在优化条件下所得到的改性混凝土抗压强度为20.8 MPa，抗折强度为3.4 MPa，抗压弹性模量为19.2 GPa，满足使用要求。粉煤灰能较好地改善柔性混凝土的力学性能，在满足强度需求的基础上提高路面的舒适性。

关键词：复合建筑材料;粉煤灰;橡胶陶粒柔性混凝土;正交试验;力学性能

中图分类号：TU528.41文献标志码：Adoi： 10.7535/hbgykj.2019yx01007

JIANG Zhiguang， GAO Lingling， CUI Weilong.Study on optimization and mechanical properties of flexible concrete modified with fly ash[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology，2019，36（1）：36-41.Study on optimization and mechanical properties of

flexible concrete modified with fly ash

JIANG Zhiguang1， GAO Lingling2， CUI Weilong3

（1.Institute of Assets Management， Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang， Hebei 050018， China; 2. School of Civil Engineering， Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuan， Hebei 050018， China;3. Shijiazhuang Metro Company Limited， Shijiazhuang， Hebei 050000， China）

Abstract：In order to improve the working performance of modified concret， and based on the poor fluidity of rubber-ceramsite flexible concrete， nine groups of fly ash with different mixing ratios are tested in laboratory. The compressive strength， compressive elastic modulus and flexural strength are analyzed by orthogonal experimental method， the primary and secondary order of the influence of each component on mechanical properties is obtained， and the optimization is carried out. The optimum amount of fly ash and the optimum rubber powder content are obtained. On the basis of the optimum mix proportion， the influence of fly ash content on the collapse and strength of rubber-ceramsite flexible concrete is studied， the shrinkage properties are analyzed， and the optimum fly ash content is determined. The result shows that the compressive strength reaches 20.8 MPa， compressive elasticity modulus reaches 3.4 MPa， and rupture strength reaches 19.2 GPa， namely the working performance of the modified concrete obtained under optimum condition can meet operating requirement. Fly ash can improve the mechanical property of flexible concrete， and enhance the comfort of road while meeting intensity requirement.

Keywords：composite building materials; fly ash; flexible concrete of rubber ceramsite; orthogonal experiment; mechanical property

隧道中大都以水泥混凝土作為隧道路面材料[1]，但是普通混凝土路面弹模较大、收缩大、易开裂，吸声降噪性能及抗滑性也较差[2]。为改善路面的使用性能，降低水泥混凝土的脆性，近年来各国学者都进行了广泛研究。FATTUHI和CLARK把橡胶粉加入到水泥基复合材料中，发现橡胶粉加入后，混凝土的一些性质（抗压强度、抗折强度、密度等）降低，坍落度也降低[3]。OIKONOMOU等[4]首次测定了用橡胶粉取代部分砂子混合物后的抗氯离子渗透能力，发现混合物抗氯离子渗透能力有所改善。SUKONTASUKKUL[5]研究发现，加入橡胶粉的混凝土预制板的吸声性比普通混凝土提高很多。陈波等[6]、王鹏[7]、胡曙光等[8]、KAMIL等[9]、王瑞等[10]发现由于陶粒比混凝土中粗骨料弹模要低很多，加入陶粒后，混凝土弹模会得到改善，但同时降低了混凝土的工作性能，拌合物偏干，和易性较差，导致施工质量难以控制。叶森[11]、李红辉[12]、何素芬等[13]对粉煤灰改性混凝土进行了研究，改善了和易性，但降低了抗碳化和抗冻性。本文根据路面设计规范[14]，在拌合物中加入一定比例的粉煤灰和橡胶，通过正交试验得出最优配合比[15]，分析了不同粉煤灰掺入量对力学性能的影响，确定了最佳粉煤灰掺入量，有效提高了改性混凝土的工作性能。

1试验材料及流程

本试验采用P·O 42.5级水泥（测定指标：细度为1.2%，标准稠度用水量为26.2%，初凝时间为130 min，终凝时间为210 min，安定性良好，水泥胶砂强度均符合国标）;粗集料采用由湖北宜昌宝珠陶粒开发有限责任公司生产的900级碎石型的页岩陶粒，粒径范围为5～20 mm;细集料采用普通中砂（表观密度和堆积密度分别为2 447.3 kg/m3和1 338.6 kg/m3，含泥量和泥块的质量分数分别为0.5%和0.2%）;外加剂选用高效减水剂，减水率为15%～25%;胶粉选用粒径为20目（0.841 mm）子午胎胶粉。粉煤灰细度为17.5%，烧失量为6.8%，含水量为0.5%，三氧化硫质量分数为1.5%，聚合物为羧基丁苯胶乳，其有效成分为64%。

2配合比设计

考虑到各材料之间的交互效应，本试验参照正交试验的方法，结合混凝土松散体积法进行配合比设计，其中每组固定减水剂和胶凝材料用量（粉煤灰等质量替代水泥）、砂率（橡胶粉同质量替代砂作为细骨料）及骨料松散总体积，陶粒应用900级碎石型页岩陶粒，减水剂为4.2 kg/m3，水泥和粉煤灰质量总和为420 kg/m3，砂率为40%，试验粗细骨料松散状态体积系数取1.25，配合比见表1。选取粉煤灰、橡胶粉掺量、水胶比和聚胶比4个因素，各因素分别选取3个水平，其正交设计见表2。

3室内试验结果评价及优化

试验结果见表3，暂不考虑各因素的交互作用。根据表3的试验结果，对混凝土抗压强度值和抗压弹性模量值进行数据处理并进行极差分析，结果见表4。

按照综合平衡法进行最优组合分析，由表4和表5可以看出各因素对抗压强度、抗压弹性模量和抗折强度的极差大小次序虽然均为B>A>D>C，但对指标进行分析产生的优组合并不一致，因此按照权值概念进行综合分析。对于首要因素B，B3较B1抗压强度降低了37%，抗折强度降低了33%，抗压弹性模量降低了24%。考虑本文主要目的是在满足强度的基础上，强调低弹性模量的橡胶陶粒柔性混凝土的设计，故因素B选为B3。对于因素A，A2较A3抗压强度提高了22%，抗折强度提高了20%，而抗压弹性模量仅提高了12%，综合考虑，因素A选定为A2。对于次要因素C，C2较C1抗压强度提高了0.4%，而抗压弹性模量提高了1.5%，故因素C选为C1。D取D2。

终极优化组合为A2 B3 C1 D3，即粉煤灰掺量取42 kg/m3，橡胶粉含量取60 kg/m3，聚胶比取2%，水胶比取0.42。

3.1粉煤灰对坍落度的影响

以表3中f组的配合比为基准，粉煤灰以10%的的掺量递增，研究粉煤灰对坍落度的影响，各组试块以28 d标准试块来试验。试验的5组粉煤灰掺量的坍落度如图2所示，粉煤灰掺量试验图如图3所示。

由图2和图3可以看出，粉煤灰取代水泥量为0～20%时，粉煤灰对拌合物的坍落度影响较明显。图2中曲线呈现快速上升趋势。造成这种现象的主要原因是粉煤灰外形为球状，并且表面光滑致密，分散在混凝土中，对拌合物起到很好的滚动作用，从而合理改善了拌合物的坍落度，如图3 a）和图3 b）所示。

取代量过20%以后，可明显看出坍落度上升趋势相对缓慢，取代量对坍落度的影响程度变弱，但对拌合物的坍落度仍有改善作用，这说明掺加粉煤灰在0～40%范围时，对橡胶陶粒柔性混凝土拌合物的坍落度都有改善作用。

3.2粉煤灰对强度的影响

对上述配合比中的试件进行抗压强度试验，并进行数据分析。混凝土强度随粉煤灰掺量的变化趋势如图4所示。

由图4可得出，混凝土的强度随着粉煤灰的掺量变化而变化。虽然从0～10%的强度曲线略有上升，但是从整体趋势看，抗压强度随着粉煤灰的掺量增加而下降。与未掺入粉煤灰相比，粉煤灰掺量为10%时，抗压强度增加3.5%;掺量为20%时，抗压强度减少10.9%;掺量为30%时，抗压强度减少18.4%;超过30%时，抗压强度减小趋势变缓。造成这种现象的主要原因是粉煤灰的逐渐掺入改善了混凝土的和易性，提高了其强度，随着粉煤灰的增加，替代水泥的数量越来越多，导致其强度下降。从整体来看，粉煤灰掺量在10%时橡胶陶粒柔性混凝土的抗压强度最大，此时最佳。

3.3粉煤灰對干缩性能的影响

为了清晰地观察掺入粉煤灰后橡胶陶粒柔性混凝土的干缩情况，本试验制作了2 m×2 m的板，厚度为100 mm，如图5所示。经过一段时间的养护，观察其状态良好，虽然表面显得有些粗糙，但没有明显裂纹，由此可知按照最优配合比掺入粉煤灰对混凝土的干缩性能影响不大。

3.4极限荷载下的破坏形态

掺入粉煤灰的橡胶陶粒柔性混凝土的破坏形态图见图6。立方体试块在抗压强度测试后（承受极限抗压强度荷载之后），试件仍保持原有形状，裂而不开，吸收冲击能量的能力强，而不像素混凝土那样立刻碎裂（甚至散裂）。试件在破坏时发出的声音比较闷，在破坏后能保持一定的完整性。从静态抗压破坏的试验现象可以看出，橡胶陶粒柔性混凝土的抗裂性能得到一定程度提高，韧性随之增强。

4结论

通过对不同配合比的粉煤灰采用正交试验方法进行室内研究，分别进行抗压强度、抗压弹性模量和抗折强度分析，得出结论如下。

1）橡胶陶粒柔性混凝土工作性能较差，掺入粉煤灰可对其改性。

2）通过试验并对其配合比优化得出掺入粉煤灰最优组合的主要材料掺量：粉煤灰掺量为42 kg/m3，水胶比为0.42，橡胶粉含量为60 kg/m3，聚胶比为2%，最终得到的优化组合抗压强度为20.8 MPa，抗折强度为3.4 MPa，抗压弹性模量为19.2 GPa。

3）粉煤灰的掺入使橡胶陶粒柔性混凝土的坍落度变大，综合考虑抗压强度，在10%时工作性能最佳。粉煤灰的掺入使材料的抗压弹性模量减小，干缩性能得到明显改善，同时极限抗压强度也有所提高。

本文主要针对柔性混凝土的力学性能进行了分析，对其耐久性及层间的连接性能有待作进一步的研究。

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