活性粉末混凝土配合比优化设计研究

李基恒 林长峰 汪钥龙 刘承伟 莫林强

基金项目：2023年度广西高校中青年教师科研基础能力提升项目“矿物掺合料对活性粉末混凝土性能影响研究”（编号：2023KY1162）、S95/SiCp协同赤泥制备环境友好型地聚物组成设计与力学性能研究（编号：2023KY1153）

作者简介：李基恒（1992—），硕士，工程师，研究方向：建筑材料。

摘要：文章研究通过剔除传统混凝土粗骨料，依据最紧密堆积原理，采用正交试验确定三种不同粒级石英砂的最佳掺配比例，以提高活性粉末混凝土的整体均质性及密实性，并分析水胶比、浆集比对活性粉末混凝土力学性能的影响，以达到对活性粉末混凝土配合比进行优化设计的目的。试验表明，通过优化骨料集配结构，调整水胶比与浆集比，在不改变流动度的情况下，提高了活性粉末混凝土的力学性能。

关键词：活性粉末混凝土；配合比；正交试验

中图分类号：U414

0 引言

活性粉末混凝土是一种具有高强度、高耐久性、高韧性以及良好的体积稳定性的水泥基无机非金属材料，在桥梁、隧道、核电站、修复或加固工程等领域开始广泛应用。国内外学者对活性粉末混凝土的研究也越来越多，特别在初步配合比方面，郝先慧等^［1］研究了矿粉、硅灰、减水剂、钢纤维等外加剂对活性粉末混凝土强度与流动度的影响，确定了较好的配合比并提出了配合比计算公式；钱红岗等^［2］通過引入水花活性因子的方式研究了超高强活性粉末混凝土的力学性能；郑文忠等^［3］研究了矿物掺合料、钢纤维品种及掺量以及养护制度对活性粉末混凝土的强度和流动度的影响，并通过最优的6组试块确定了最佳配合比。由此可见，通过掺入纤维或者掺加矿物掺合料改善其工作性能和力学性能是目前国内外研究的一大热点^［4-6］。

根据“紧密堆积理论”，活性粉末混凝土内紧密堆积最重要的组分为石英砂细骨料，科研工作者们在对活性粉末混凝土配合比进行研究时，更多是利用外部因素对活性粉末混凝土进行研究，而对于骨料、水胶比等内部因素的精细化研究反而较少。鉴于此，本文分别研究石英砂颗粒级配、水胶比、浆集比等内部因素对活性粉末混凝土性能的影响，以达到优化配合比设计的研究目的。

1 试验过程

1.1 原料及其性质要求

（1）水泥。试验使用的水泥为海螺牌P·O 42.5水泥，其指标如表1所示。

（2）石英砂：试验选取了3种不同粒级的细石英砂作为混凝土的骨料。试验根据标准《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》（JGJ 52-2006），采用筛分析试验得出石英砂的级配分布如表2所示。

（3）减水剂：聚羧酸系列高效减水剂，减水率为30%。

（4）水：普通自来水。

1.2 不同粒级骨料之间的掺配比例设计

如图1所示，本研究采用的石英砂是粒径分别为2.36～4.75 mm、1.18～2.36 mm、0.6～1.18 mm 的3种不同粒级的石英砂。通过改变3种石英砂之间的掺配比例，来改善石英砂的堆积状态，以实现石英砂的最紧密堆积。

不同粒径分布的石英砂相互填充，能够达到较好的堆积密实度，从而减少孔隙率，提高整个体系的密实度。从力学角度看，石英砂合理的颗粒粒径的分布，能够增加颗粒间的接触点，将外部受力较为均匀地在体系内部传递，从而提高体系的力学性能。基于以上两点，本试验以骨料的堆积密度为指标，进行骨料的初步内掺比例的确定。

活性粉末混凝土配合比优化设计研究/李基恒，林长峰，汪钥龙，刘承伟，莫林强

2 试验结果与讨论

2.1 不同粒级石英砂的最紧密堆积

试验先将中砂与细砂进行一级堆积，通过对不同粒径的石英砂进行混掺，并测定不同比例混掺后的紧密堆积密度且绘制成曲线如图2所示。

由图2可确定1.18～2.36 mm（中）与0.6～1.18 mm（细）一级混掺加骨料达到最大密实状态时的掺加比例为1∶0.85。

将一级堆积混掺骨料的石英砂掺入已堆积好的2.36～4.75 mm石英砂中，进行二级堆积，以确定三级石英砂紧密堆积后的密度。根据紧密堆积密度试验，确定不同粒径的石英砂在内掺比例为1∶0.81∶0.7时的堆积密度最大。

2.2 石英砂粒径组成对混凝土力学性能的影响

石英砂的颗粒粒径大小、颗粒形状及其表面特征均对砂浆体系的密实度、工作性及力学性能有影响。为综合考虑石英砂各方面因素对砂浆力学性能的影响，以及进一步确定最佳内掺比例，在确定石英砂达到最紧密堆积状态的不同粒径石英砂掺配比例的情况下，试验在最佳比例：1∶0.81∶0.7的基础上，上下浮动0.2，形成三水平三因素的正交表，如表3所示。针对3种级配的石英砂，以抗压抗折强度值为指标，进行了三水平三因素的正交试验。

试验在保持其他因素不变的情况下，测试了不同石英砂颗粒分布对砂浆力学性能的影响，结果如图3所示。

由图3可以看出，石英砂内掺比例的变化引起的力学性能的变化规律基本一致，因此分析结果以28 d的力学性能变化为原始数据进行极差分析，分析结果如下页表4所示。

根据正交试验理论，K1代表各因素第一水平的3次试验结果的和，同理K2、K3代表第二、第三水平试验数据的和。k1、k2、k3分别是K1、K2、K3的3次试验数据的平均值即k_n=Kn/3，其数值的大小代表各因素所取的不同水平对试验结果影响的大小，从而确定最佳水平区间。极差R为各因素计算结果k1、k2、k3中最大值与最小值之差，其数值大小代表着该因素所起水平变动对试验结果影响的大小，进而分析出各个因素对试验影响的主次关系。为了更加直观地反映各因素各水平对试验结果的影响，以各因素的水平作横坐标，试验数据的平均值作纵坐标，绘制出试验结果与因素的关系图，如下页图4所示。

由图4可以直观地分析出细砂对强度的影响最大，其次是粗砂，中砂的变动性对于前两者稍微弱一些。取各因素中的最佳水平来优化试验配比，得出A1B1C3为最佳组合比例为粗∶中∶细=1.2∶1.01∶0.9。

2.3 水胶比

根据规范《活性粉末混凝土》（GB/T31387-2015）采用绝对体积法进行配合比设计。预配置混凝土强度为75MPa，根据规范《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55-2011），采用高强混凝土的试验规定：水胶比取0.3，胶凝材料取560 kg/m³。

为保证混凝土合适的工作性，保持混凝土流动度在260 mm左右，减水剂掺量为胶凝材料的0.3%。按绝对体积法计算配合比，根据以上试验初步确定的混凝土配合比基本参数。

根据以上计算设计的配合比参数，以水胶比为变量，进行试验，结果如图5所示。

由图5可知，在水胶比为0.28时，混凝土抗折、抗压强度最佳，且拌和物和易性满足试验要求。

2.4 浆集比

粉体胶凝材料的掺量取决于石英砂的空隙率及其总表面积。如果粉体材料掺量过少，产生的浆体无法完全包裹石英砂表面或者包裹厚度较薄，导致拌和物各方面的性能下降。如果掺量过多，不仅会增加成本，而且过多的粉体材料会导致混凝土严重开裂干缩，影响活性粉末混凝土的修补性能。因此需要进行不同浆集比试验，以确定适宜的浆集比。试验结果如图6所示。

由图6分析可知：随着浆集比的增加，混凝土的强度先增加后减小。随着浆集比的增大，不同龄期混凝土强度的变化趋势基本相同。

3 结语

（1）试验根据最紧密堆积理论，并通过正交试验进行了力学试验的对比验证，最终确定3种粒级的石英砂的最佳掺配比例为粗砂（2.36～4.75 mm）∶中砂（1.18～2.36 mm）∶细沙（0.6～1.18mm）=1.2∶1.01∶0.9。

（2）在保证混凝土合适的工作性，混凝土流动度为260 mm左右，通过力学性能试验确定了活性粉末混凝土的最佳水胶比为0.28。

（3）在保证活性粉末混凝土工作性能不改变的情况下，通过力学性能试验确定了活性粉末混凝土的最佳浆集比为0.36。

参考文献

［1］郝先慧，李海艳，李 华，等.活性粉末混凝土（RPC）配合比优化试验及计算［J］.混凝土，2018（3）：156-160.

［2］钱红岗，焦楚杰，赖 俊，等.活性粉末混凝土的配合比设计及试验验证［J］混凝土，2016（5）：125-128，131.

［3］郑文忠，李 莉.活性粉末混凝土配制及其配合比计算方法［J］.湖南大学学报（自然科学版），2009，36（2）：13-17.

［4］何晓雁，秦立达，张淑艳，等.基于正交理论的玄武岩纤维活性粉末混凝土配合比设计［J］.硅酸盐通报，2016，35（5）：1 402-1 406，1 412.

［5］朱 鵬，李宗阳，屈文俊，等.掺稻壳灰活性粉末混凝土配合比试验［J］.建筑科学与工程学报，2015，32（6）：58-65.

［6］肖 锐，邓宗才，兰明章，等.不掺硅粉的活性粉末混凝土配合比试验［J］.吉林大学学报（工学版），2013，43（3）：671-676.

收稿日期：2023-03-30