基于正交设计高强风积砂混凝土力学性能研究

何乔意

(新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830000)

1 概 述

近年来，新疆地区经济发展迅速，全疆基础建设项目不断增多，这些工程对混凝土的需求量日益增大。而新疆本地的天然建筑用砂由于资源有限，且很多地区的天然砂存在级配不良、细度模数偏大的情况。目前国内宓永宁等用特细砂取代中砂配制混凝土，研究了混凝土配合比的砂率、水灰比、拌和物和易性等因素对特细砂混凝土的性能和强度的影响[1]。任世漫等利用5mm以下石屑来改善特细砂的级配和细度模数[2]。而新疆的风积砂资源丰富，将这些风积砂掺拌到天然砂中，不但能够改善天然砂的细度模数，而且利用风积砂代替部分天然砂生产出来的混凝土，对于降低工程造价，改善生态环境，合理利用难开发风积砂资源有着十分重要的意义。

建筑工程高强度混凝土的使用范围越来越大。高强度混凝土拥有抗压性能高，抗冻性能、抗渗性能优良，抗压弯性能良好等各种优点，常常运用于各种受力结构中。新疆地区的风积砂储量多，范围广，细度模数普遍在0.5～0.8之间。由于风积砂的细度模数很小，风积砂能否配制出强度高，力学性能良好的风积砂混凝土。本次对不同掺量的风积砂掺入天然砂对高强度混凝土力学性能的影响进行了试验研究。

2 试验原材及试验方法

本次试验的原材，水泥采用新疆伊犁地区青松南岗水泥厂生产的P·O42.5普硅水泥；天然砂为伊犁地区本地的天然水洗砂，细度模数为2.99，含泥量0.8%；粗骨料选用当地天然料场生产的粗骨料，含泥量0.5%；风积砂为伊犁地区图开沙漠的天然风积砂，细度模数0.73，含泥量0.7，堆积密度1380kg/m3；粉煤灰为新疆大唐热电厂生产的Ⅰ级粉煤灰；拌和用水采用当地自来水，pH=7.86，水质较好，符合《混凝土用水标准》(JGJ 63—2006)[3]；减水剂为新疆建宝天化生产的聚羧酸高性能减水剂，减水率大于25%。

2.1 正交试验设计

此次试验主要研究水胶比、砂率、粉煤灰掺量、风积砂掺量对高强混凝土7d、28d抗压强度和28d劈裂抗拉强度的影响，本次试验的混凝土设计强度等级为C60，为了能够在有限的试验次数得到最好的试验效果，以水灰比、粉煤灰掺量、砂率、风积砂掺量为影响因子，设置4因素4水平L16(45)正交试验(见表1)。依据《高强度混凝土应用技术规程》(JGJT 281—2012)[4]，确定高强度混凝土减水剂掺量为胶凝材料总量的1.0%(见表2、表3)。

表1 因素水平

表2 L16(45)正交试验

表3 混凝土力学性能试验结果

通过对此次配合比的试验结果(见表4和图1～图3)进行极差分析。由表4及图1可知，对于风积砂高强混凝土7天抗压强度，各个因素的影响大小依次为水胶比A>粉煤灰掺量B>砂率C>风积砂掺量D，最优的配合比组合为A1、B1、C1、D2，即水胶为0.22、粉煤灰掺量为10%、砂率为33%、风积砂掺量为20%。

图1 各因素对7天抗压强度影响

表4 正交试验极差分析

由表4及图2可知，对于风积砂高强混凝土28天抗压强度，各个因素的影响大小依次为水胶比A>粉煤灰掺量B>风积砂掺量D>砂率C，最优的配合比组合为A1、B1、C1、D2，即水胶为0.22、粉煤灰掺量为10%、砂率为33%、风积砂掺量为20%。

由表4及图3可知，对于风积砂高强混凝土28天劈裂抗拉强度，各个因素的影响大小依次为水胶比A>粉煤灰掺量B>砂率C>风积砂掺量D，最优的配合比组合为A1、B1、C1、D2，即水胶为0.22、粉煤灰掺量为10%、砂率为33%、风积砂掺量为20%。

综上所述，以风积砂混凝土7天、28天的抗压强度以及28天的劈裂抗拉强度为考察指标，风积砂混凝土最优配合比为A1、B1、C1、D2，即水胶比为0.22、粉煤灰掺量为10%、砂率为33%、风积砂掺量为20%。

2.2 单一变量因素试验

在通过正交试验设计得到了本次最佳配合比组合的基础上，选择以风积砂掺量为可变量的单一变量因素试验，为了进一步研究不同的风积砂掺量对高强度混凝土强度的影响，分别取0、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%共计11组试验组合，减水剂掺量为胶凝材料的总重1%。抗压试件尺寸选用150mm×150mm×150mm，试件制作完成后24h脱模放置在湿度(20±2)℃，相对湿度不小于90%的标准养护条件下，在试验时取出试件。试验过程中发现，当风积砂掺量达到80%及以上时，掺配的砂子由于细度太细，细骨料的比表面积大，与水结合得多，导致混凝土中的自由水数量严重降低，造成混凝土的和易性严重不良，不能进入统计数据。故此次试验仅仅统计0～70%的风积砂掺量(见表5、图4)。

图4 不同风积砂掺量对混凝土强度影响

表5 风积砂掺量单一变量因素配合比及抗压强度结果

随着风积砂掺量的提高，混凝土7天、28天的抗压强度都出现了先增大后减小的趋势，当风积砂掺量达到20%时，抗压强度达到了最高值；当风积砂掺量为30%～40%时，7天、28天抗压强度均出现了比较平缓的下降，说明掺量为30%和40%的风积砂混凝土的抗压强度受到了一定的影响，但影响不是很明显；当风积砂掺量大于40%时，由图4可以见到，7天、28天抗压强度值的斜率逐渐加大，说明当风积砂掺量大于40%时，对混凝土抗压强度影响逐渐增大；当风积砂掺量>60%时，混凝土的7～28天的后期强度增长不明显，说明当风积砂掺量超过60%时，对混凝土7～28天的后期强度增长影响较大，不利于混凝土后期强度增长；由图4大致还可以看出，以20%的风积砂掺量为对称轴，抗压强度曲线存在着不明显的正态分布规律。

2.3 不同掺量风积砂理论推算细度模数比较

本次试验的天然砂为伊犁地区本地的天然水洗砂，细度模数为2.99，含泥量0.8%，风积砂为伊犁地区图开沙漠的天然风积砂，细度模数0.73，含泥量0.7(见表6)。

表6 不同风积砂掺量理论推算细骨料细度模数

为了更好地了解不同掺量的风积砂掺入到天然砂中的细骨料细度情况，通过质量换算法推算不同掺量的风积砂掺入到天然砂中时细骨料细度模数，推算结果见表7。由表7可知，当风积砂掺量为10%～30%时，细骨料的细度模数均在2.2～3.0之间，说明掺拌该含量的风积砂后骨料由原先的粗砂变成了中砂，而中砂是混凝土细骨料中比较理想的；当风积砂掺量介于40%～60%时，细骨料的细度模数已经介于1.6～2.2之间，随着风积砂的掺量增加，细骨料的细度模数逐渐减小，且细骨料为细砂。当风积砂掺量达到70%及以上时，细骨料的细度模数小于1.6，细度模数已经小于细砂1.6～2.2的范围，说明当风积砂掺量达到70%及以上时，该细骨料由于细度模数太小而已经不太适用于制备高强混凝土。当砂子细度模数太小时，混凝土单方用水量明显增大，混凝土的强度降低，收缩率增大且混凝土容易产生干缩裂纹现象，这对于混凝土的施工质量控制是十分不利的。

3 结 语

随着新疆西部大开发的力度逐渐增加，基础设施建设力度逐渐增大，工程混凝土及工程用砂需求也逐渐增大，新疆现有的河砂，人工砂资源已经不能满足工程建设需要。本次通过正交设计试验，研究了水灰比、粉煤灰掺量、砂率、风积砂掺量对风积砂高强度混凝土7天抗压强度、28天抗压强度、28天劈裂抗拉强度的影响，通过极差分析获得了此次风积砂高强混凝土力学性能的最佳含量组合。在正交设计试验的基础上通过单一变量因素试验，分析其不同风积砂掺量7天抗压强度、28天抗压强度，得到了该混凝土不同风积砂掺量对混凝土强度的影响规律。最后通过质量换算法推算了不同风积砂掺量的细骨料细度模数。结合正交试验分析、单一变量因素试验、理论推算等方法可知，利用风积砂制备高强混凝土的掺量合适区间为0～30%。