高强粉煤灰陶粒混凝土配合比设计及性能研究.pdf

2 0 1 4年 第 1 2期 (总 第 3 0 2期 ) Nu mb e r 1 2 i n 2 , 0 1 4 ( T o t a l No 3 0 2 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 预拌混凝土 READY M I XED CONCRETE 高强粉煤灰陶粒混凝土配合比设计及性能研究 李瑞 ，王德志 ，孟 云芳 ( 宁夏大学 土木与水利工程学院，宁夏 银川 7 5 0 0 2 1 ) 摘要： 高强粉煤灰陶粒混凝土具有密度小 、 抗压强度高等优点 ， 但是 由于脆性过大 ， 限制了其在工程中的应用。 为了解决这个 问 题， 试验采用正交设计方法， 对试验结果进行极差 、 方差分析得出了最优配合 比。 在最优配合比的基础上掺入不同量的钢纤维 ， 研究 钢纤维对高强粉煤灰陶粒混凝土的抗压强度 、 抗折强度、 劈裂抗拉强度力学性能的影响。 结果表明钢纤维的掺入能够 明显提高粉煤 灰陶粒混凝土的拉压比， 改善高强粉煤灰陶粒混凝土的脆性。 关键词： 粉煤灰陶粒混凝土；正交试验 ；抗压强度 ；抗折强度 ；劈裂抗拉强度 中图分类号： T U 5 2 8 0 6 2 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 4 ) l 2 0 1 1 1 一 O 4 E x p e r i m e n t a l s t u d y o n t h e m i x t u r e r a t i o de s i g n a n d p e r f o r m a n c e o f hi g h s t r e n g t h f l y a s h c e r a m s i t e c o n c r e t e L!Ru i ， WANGDe z h i ， M ENG Yu nf a n g ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g a n dWa t e r Co n s e r v a n c y ， Ni n g x i a Un i v e r s i t y， Yi n c h u a n7 5 0 0 2 1 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： Hi【 g h s t r e n g t h fl y a s h c e r a ms i t e c o n c r e t e h a s t h e a d v a n t a g e s o f l o w d e n s i ty， h i c o mp r e s s i v e s tr e n gth， b u t the b r i a l e n e s s i s t o o l a r g e， l i mi t i ng i t s a p p l i c a t i o n i n e n gi n e e r i ng I n o r d e r t o s o l v e t h i s pr o bl e m， the o r t h o g o na l de s i g n me t ho d u s e d i n t hi s t e s t ， r a n g e an d v a r i a nc e a na l ys i s o f t he t e s t r e s ul t s s ho w tha t the o p t i ma l mi x r a t i o I n the o pt i ma l mi x t u r e r a t i o b a s e d o n the i n c o r p o r a t i o n o f s t e e l fib e r s wi t h d i f f e r e n t a mo u n t s o f ， s t u d y o n t h e e f f e c t o f s t e e l fi b e r o n t h e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h ， h i g h s t r e n gth fl y a s h c e r a ms i t e c o n c r e t e fl e x u r a 1 s t r e n g t h， s p l i t t i n g s tr e n g t h a n d me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f t e n s i l e s t r e n gth T h e r e s u l t s s h o w that s t e e l fi b e r C an o b v i o u s l y i mp r o v e t h e t e n s i o n c o mp r e s s i o n r a t i o o f fl y a s h c e r a mi s i t e c o n c r e t e ， i mp r o v e t h e s t r e n gth o f fl y a s h c e r a ms i t e c o n c r e t e b r i t t l e n e s s Ke y w o r d s ： fl y a s h c e r a ms i t e c o n c r e t e ； o r t h o g o n a l t e s t ； c o mp r e s s i v e s tr e n g t h； fl e x u r a l s tr e n g t h； s p l i t t i n g t e n s i l e s t r e n g t h 粉 煤灰 陶粒 混凝 土是用 粉煤 灰 陶粒 替代 普通 粗 骨 料 ， 配制而成 的一种 表观密度 小于 1 9 5 0 k g m 3 的高性 能 混凝 土 。 由= F 粉煤灰 陶粒 内部具有 独特 的孔 隙结构 ， 使 得 配制 出的混凝土与 普通 昆 凝 土相 比具有 密度 小 、 抗压 强 度高 、 保 温效 果好 等独 特优点 ， 是 一种 在结 构 工程 应 用 中具 有广 阔前 景 的新 型建 筑材 料_ 2 。 但 是粉煤 灰 陶粒 混 凝土作 为一种脆性 材料 ， 拉 压 比要小 于相 同等级 的普 通 混凝 土 ， 且 随着抗压 强度 的提 高 ， 其脆 性 问题 明显影 响了其在大 型结构工程 中的应用p 。 为 了解决这一 问题 ， 工 程 中通 常在混凝 土 中掺人乱 向分布 的短钢纤 维 ， 这 些 乱 向分 布 的钢纤 维能 够有 效 地阻 碍混 凝土 内部 微裂 缝 的扩 展及宏 见 裂缝 的形成 ， 显著 改善 了混凝 土的抗拉 、 抗 弯 、 抗 冲击及抗疲 劳性能 7 - 。 目前 国内对钢纤 维增 强高 强粉煤灰陶粒混凝土的研究还 比较少 ， 本试验按照正交 试 验设计方法进行 了大量试验 ， 对试 验结 果进行极差 、 方 差 分析得 出了最优配合 比。 在最优 配合 比的基础上 ， 配制 收稿 日期 ：2 0 1 4 0 6 3 0 基 金 项 目 ：国家 自然科学基金 ( 5 1 3 6 8 0 4 9 ) 不同钢纤维体 积掺量 的高强粉煤灰 陶粒混凝土 ， 并对混凝 土的基本力学性能进行试验 ， 为今后在工程 中大范围应用 提供参考 。 1 原材料及试验 方法 1 1 原材料 水泥 ： 宁夏赛马实业股份有限公司的赛马牌早强硅酸 盐水泥 ( P 0 4 2 5 R级 ) ， 符合 国家标准 G B T l 3 4 6 一 l 9 9 9 ； 粉煤灰 ： 西夏热电厂的 I 级 ， 符合国家标准 G B T 1 5 9 6 - - 2 0 0 5 。 轻 骨料 ： 宁夏 宁东 粉煤灰 陶粒 ， 具 体 性能指标 见表 1 。 机 制砂 ： 镇北堡 中砂 ， 细度模数 2 7 8 、 含泥量 2 1 、 松散堆积 密 度 1 5 5 7 ； 减 水 剂 ： 高 效 聚羧 酸减 水 剂 ， 减 水 率 2 5 ； 水 ： 饮用 自来水 。 钢纤维几何参数 ： 长度 为 3 2 m m， 直径为 0 6 4 m m， 长径 比为 5 0 。 表 1 粉煤灰陶粒主要物理性能 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 2 试 验 方 法 1 2 1 试件制作 、 养护 粉煤灰陶粒混凝土采用 1 2 0 L强制式搅拌机搅拌 ， 陶 粒经过 2 4 h预湿处理 。 配制过程按照 J G J 5 1 2 0 0 2 轻 骨 料混凝土技术规程 进行 ； 试件 2 4 h 成型后拆模 ， 然后在水 池 中湿养护 ， 2 8 d取 出。 1 2 2 试件尺寸 抗压强度试验 ： 1 0 0 mmx 1 0 0 mm 1 0 0 mm； 抗折强度试验 ： 1 0 0 mm 1 0 0 mmx 4 0 0 i n 1 ； 劈裂抗拉强度试验 ： 1 0 0 mm 1 0 0 m mx 1 0 0 m m。 1 2 3 试验设备 ( 1 ) 抗压强度 ： 采用 2 0 0 0 k N压力试验机 。 L J： ( 1 ) 式 中： ， 极 限荷载 ， N； A受压面积 ， I n l D 。 ( 2 ) 抗折强度 ： 采用 S Y E 。 3 0 0 型抗折压力试验机。 = 凡 6 ( 2 ) 式 中： ， 试件的破坏载荷 ， N； 三 支座间的跨度 ， 1 T I IT I ； 试件截面的高度尺寸 ， m m； b 试件的截面宽度尺寸 ， mm。 ( 3 ) 劈裂抗拉强度 ： 采用 2 0 0 0 k N压力试验机 。 f d = 2 F r r A= 0 6 3 7 ( 3 ) 式中 ： F 试件 的破坏载荷 ， N； A试件的劈裂面面积 ， m m。 抗压强度实测值乘以 0 9 5 折算 ； 抗折强度和劈裂抗 拉强度实测值乘以 0 8 5 折算 。 2 正 交配合 比设计 本试验共分两个阶段 ， 第一阶段确定最优配合 比。 根据 J G J 5 1 2 o 0 2 轻骨料混凝土技术规程 中配合 比计算方法 ， 采用松散体积法 ， 在查阅大量文献 的基础上 ， 选择 了 5因 素 ： 水灰 比( w c ) ( A) 、 每立方米水泥用量( B ) 、 粉煤灰掺量 ( C ) 、 硅灰掺量 ( D) 、 陶粒 ( E ) ， 每个 因素 的水平各 为 3个 ， 具体值见表 2 。 再根据 因素和水平选 用 L ( 3 ) 作为该试验 考察强度指标 的正交表 ， 材料用量如表 3所示 。 对正交试 验结果进行极差和方差分析 ， 选 出粉煤灰 陶粒混凝 土的最 优配合比； 第二阶段在最优配合比的基础上掺加钢纤维 ， 考察钢纤维的体积掺量对粉煤灰 陶粒混凝土 的抗压强度 、 抗折强度 、 劈裂抗拉强度 的影响。 表 2 因素水平表 表 3 粉煤灰陶粒混凝土 L 。 ( 3 ) 正交试验表 3 试验 结果及 比较 分析 3 1 第一阶段试验结果及分析 通过 1 8 组正交试验研究了五个因素对粉煤灰陶粒混 凝土抗压强度的影响 ， 正交试验的结果见表 3 。 在正交试验 巾极差 R的大小用来衡量 因素对试验指标的影响大小 。 极 1 1 2 差大的因素 ， 说明它的水平变化对指标 的影响大 ， 通常是重 要指标 ； 而极差小 的因素 ， 则是不重要的因素 。 从表 4的分 析结果 可 以得 出 ： 因素影 响的大小顺序为 A C E D B， 所 以影响抗压强度 因素 的主次顺序为 ： 水灰 比 、 粉煤灰掺 量 、 陶粒用量 、 硅灰掺量 、 水泥用量 。 虽然极差分 析方 法简 单 、 直观 ， 但该方 法没有 把因素水平 的改变所 引起 的抗压 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 强度 的波动与 由试验误差所 引起 的试 验结果的抗压强度 的波动区分开 ， 也没有提供判断因素的作用对试 验结果 的 影 响是 否显著地标 准。 所 以再对 试验数据进行方差分析 ， 结果如表 5 所示 。 因素水胶 比、 粉煤灰 、 陶粒用量都对混凝 土 2 8 d 抗压强 度有显著性影 响。 由以上分析可得方差分析 得到的显著性： 定小顺 序与极差分析的结果一致 ， 据此选 出 的配合 比最优组合为 A c E 。 D 2 B 。 表 4 粉煤灰陶粒混凝土抗压强度极差分析 指标W c ， ， 空 空白列 K 1 26 0 7 5 2 4 54 4 K， 2 3 69 4 2 48 8 3 K 2 44 1 7 2 4 7 5 9 K，4 3 4 6 4 091 K， 3 9 4 9 41 4 7 K 4 0 6 9 41 _ 2 7 R 39 7 056 主一次 1 6 优化方案 2 59 8 2 2 37 4 7 2 5 7-2 7 2 4 8O5 2 45 5 1 23 8 7 9 25 3 5 2 2 4 70 4 2 4 641 2 45 2 3 2 43 2 5 25 0 8 7 2 3 755 2 4 740 2 51 1 2 43 - 3 O 3 9 5 8 4 2 8 8 41 3 4 40 9 2 3 9 7 9 4 2 2 5 41 1 7 41 0 7 4 0 8 7 40 5 4 41 8 2 3 95 9 41 23 41 8 5 3 51 2 2 4 3 2 9 027 O 9 3 2 4 3 7 5 A1 Cl ElD2 B 2 表 5粉煤灰陶粒混凝土抗压强度方差分析 方差偏差平方 来 源 和 S A 49 7 5 B0 9 7 C 41 0l D 2 4 6 6 E 3 2 4 9 误 差 e 3 8 8 e A 4 8 5 自 度 均 和 F 值显著性 F临界值 ， 2 2 4 8 7 1 7 1 3 F o ( 2， 6 ) = 1 0 9 2 O 4 8 R9 5 ( 2， 6 ) = 5 1 4 2 2 0 5 0 1 4 1 5 ( 2， 6 ) = 3 4 6 2 1 233 8 49 2 1 6- 2 4 1 1 1 8 + 4 097 6 0 8 1 3 2 第二阶段 试验结果及分析 在正交试 验确定 出粉煤灰 陶粒混凝土最优配合 比的 基础上 ， 我们保持配合 比和钢纤维几何参数不变 ， 改变钢 纤维体积率 ( 0 2 5 ) ， 对混凝土进行立方体抗压强度 、 抗 折强度 、 劈裂抗拉强度 的力 学性能试验 ， 试验结果 如表 6 所示 。 表 6的试验结果表 明， 掺加钢纤维总体上可 以提高 粉煤 灰陶粒混凝 土 的抗压强 度 、 抗折强 度和劈 裂抗拉强 度 ， 钢纤维对强度的增强作用依次是劈裂抗拉强度 抗折 强度 抗压强度 。 表 6 钢纤维粉煤灰陶粒混凝土力学性能试验结果 3 2 1 钢纤维对抗压强度的增强效果分析 钢纤维增强粉煤 灰陶粒混凝土抗 压强度效果 如图 1 所示 。 6l 】 50 室4 o 餐3 o 曼 1 0 0 U U ) 1 U 1 ) Z U 2 钢纤 维体积 掺量 图 1 钢纤维对粉煤灰陶粒混凝土抗压强度的影响 由表 6 和图 1 可见 ， 钢纤维对高强粉煤灰陶粒混凝土 不 同龄期 的抗压强度均有 不同幅度的提高 ， 且规律相 同。 这主要是 因为加入钢纤维后 ， 相当于在粉煤灰陶粒周 围形 成 了致密 的网状结 构 ， 与骨料协同受力 ， 当应力传给钢纤 维时 ， 纤维 因发生变形 而消耗 一部分 内能量 ， 使极 限抗压 强度指标均有所 提高。 但不同掺量 的钢纤维对混凝 土的力 学性能影 响也不 同。 当掺量在 o 1 5 的范围内变化时 ， 抗 压强度提高_ 了 l 0 2 7 ， 强度增长 幅度不是很大 ， 这与王海 涛等人 研究结果 一致 。 但 随着 钢纤维掺量 的增加 ， 抗压 强度却有小幅下降 ， 主要原因是钢纤维掺量在 0 1 5 范围 内 ， 随着裂纹的产生 ， 钢纤维可以有效阻止裂纹的快速发 展 ， 提高了混凝土的极限抗压强度 。 但是随着钢纤 维掺量 的进一 步增加 ， 钢纤维 比表面积增加 ， 钢纤维缺乏足够的 水泥砂 浆的包 裹与填充 ， 使混凝土的密实度下降 ， 抗压强 度下 降 ， 同时 当钢纤 维掺量增至 1 5 时 ， 搅拌非常 困难 ， 纤维结团严重 ， 分布不匀 ， 造成强度损失。 3 2 2 钢纤维对抗折强度的增强效果分析 钢纤维增强粉煤灰陶粒混凝土抗折效果如图 2所示 。 U U 5 l U 1 5 2 0 2 5 钢纤维体积掺量 图 2 钢纤维对粉煤灰陶粒混凝土抗折强度的影响 钢纤 维的掺人 ， 使粉煤 灰陶粒混凝土 7 、 2 8 d的抗 折 强度均有明显提高 。 当掺量在 0 1 5 , o 的范 围内变化时 ， 7 d 抗折强度提高了2 7 1 ， 2 8 d 抗折强度提高了3 9 3 ； 但当 11 3 8 7 6 5 4 3 2 l O E d 罄辖辖 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 掺量大于 1 5 时 ， 7 、 2 8 d的抗折强度却不再增 长有下 降的 趋势 。 主要 原因是 由于钢纤维有一定延展性 ， 当混凝 土开 裂 时 ， 载荷传递 给了钢纤 维 ， 而钢纤维 可以约束 裂纹 的延 伸和传递内应力 ， 这时钢纤维和混凝土作为整体共同承载 ， 使极 限承载能力提高【 l2 1 。 钢纤维掺量在一定范 围内对裂纹 的约束作用和传递内应力的作用越强 ， 所 以增强效果越好。 但掺量大于 1 5 时， 由于钢纤维掺量过大， 造成在混凝土 中分布不均匀 ， 降低了粉煤灰 陶粒混凝 土的密 实度 ， 出现 强度 下降现象。 3 2 _ 3 钢纤维对抗折强度的增强效果分析 钢纤维增强粉煤灰陶粒混凝 土劈 裂抗拉 强度效 果如 图 3所示 0 0 ， 1 U 1 5 Z U 2 ， 钢纤 维体积 掺量 图 3 钢纤维对粉煤灰陶粒混凝土劈裂抗拉强度的影晌 钢纤维的加入 可以使不 同龄期粉煤灰 陶粒混凝土 的 劈裂抗拉强度有更明显提高 ， 当掺量在 0 1 5 的范围内变 化 时 ， 7 d 抗 折强 度提 高 了 3 9 2 ， 2 8 d 抗 折 强度提 高 了 3 9 6 ， 但当掺量大于 1 _ 5 时 ， 7 、 2 8 d的抗折强度却缓慢下降。 虽然劈裂抗拉试验 中 ， 试件 主要 承受拉应力 ， 钢纤维 的增 强机理与抗折时有相 同之处 ， 但是 7 d的增强效果却比在抗 折试验中更 明显。 通过计算拉压 t g ( 拉压 比为混凝 土劈裂抗拉强度与立 方体抗压强度的比值 ， 即 卯 ， 。 卯 ) ， 未掺加钢纤维时拉压 比为 0 0 7 5 ； 钢纤维掺量为 1 5 时 ， 拉压 比为 0 0 9 4 ， 后者 比 前者提 高了 2 5 ， 说明加入钢纤维后 ， 粉煤灰陶粒混凝土 的脆性得到明显改善 。 4结 论 ( 1 ) 通过对高强粉煤灰陶粒混凝土正交试验结果进行 极 差和方 差分析得 出： 水灰 比 、 粉煤灰陶粒和粉煤灰用量 对抗压强度有显著性影响 ； 确定 出 A。c l E ID 2 B 为最优配合 比； 掺加钢纤维配制 出了 2 8 d 抗压强度为 5 5 2 8 MP a的高 强轻 骨料混凝土 。 ( 2 ) 钢纤维体 积率从 0增加到 2 5 ， 高强粉煤灰陶粒 混凝 土的抗压强度 、 抗折强度 和劈裂抗拉强度呈先上升后 缓慢下降趋势 ； 掺人钢纤维对抗折强度和劈 裂抗拉强度增 强作用大于抗压强度 ； 对拉压 比的计算表明加入钢纤维可 明显改善高强粉煤灰陶粒混凝 土的脆性 。 参考文献： 1 】 龚洛书 ， 柳春圃轻骨料混凝土 M 】 E 京 ： 中国铁道出版社 ， 1 9 9 6 1 2 】 钱觉B 寸 粉煤灰特性与粉煤灰混凝土【 M 】 北京 ： 科学出版社 ， 2 0 0 2 3 】 赵国藩 ， 彭少民 ， 黄承逵 ， 等 钢纤维混凝土结构 M 】 北京 ： 中国 建筑工业出版社 ， 1 9 9 9 4 刘汉勇， 王立成 ， 宋玉普 钢纤维高强轻骨料混凝土力学性能的 试验研究【 J 1 建筑结构学报， 2 0 o 7 ， 2 8 ( 5 ) ： 1 1 0 1 1 7 【 5 】王发洲 高性能轻集料混凝土研究与应用f D 武汉 ： 武汉理工大 学 ， 2 0 0 3 6 J C AMI OP N E G， L i d i a L a Me n d o l a B e h a v i o r i n c o mp r e s s i o n o f l i g h t we i g h t fib e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e c o n fine d wi t h t r a tl s v e r s e s t e e l r e i n f o r c e m e n t fJ 】 C e m e n t a n d C o n c r e t e C o m p o s i t e s ， 2 0 0 4 ， 2 6 ( 6 ) ： 6 4 5 6 5 6 ( 7 蒋思晨 ， 李晓丽 ， 张鹏远不 同粉煤灰掺量高强混合骨料混凝土 力学性能 及本构关 系试验研 究 硅酸盐通报 ， 2 0 1 1 ， 3 0 ( 6 ) ： 9 9 9-1 00 5 【 8 】礼明 ， 余红发 ， 麻海燕 高性能混杂纤维增强膨胀混凝土在硫酸 镁溶液中的抗腐蚀性I J 1 硅酸盐通报 ， 2 0 1 1 ， 3 0 ( 4 ) ： 7 6 4 7 6 9 【 9 】书进， 吴科如 基体强度对水泥基复合材料纤维混杂效应的影 响 J 1 混凝土 ， 2 0 0 8 ( 4 ) ： 1 - 3 1 0 Z HAO S， L I G Z E f f e c t o f l a r g e d i a me t e r p o l y me r i c fi b e r o n s h r i n k a g e c r a c k i n g o f c e me n t c o m p o s i t e s J AC I Ma t e r i a l J o u r n a l ， 2 0 0 2， 9 9 ( 4 ) ： 5 5 5 5 5 9 1 1 1 王海涛 ， 王立成 冈 纤维高强轻骨料混凝土弯曲韧性与抗冲击 性能l J i 建筑材料学报， 2 0 1 3 ， 1 6 ( 6 ) ： 1 0 8 3 1 0 8 5 【 1 2 1 吴勇华 ， 杨俊芬 ， 李 国新 ， 等 钢纤维对高强轻骨料混凝土的增 强效果研究 J 1 _混凝土 ， 2 0 0 6 ( 6 ) ： 4 2 4 8 作者简介 联 系地址 联系电话 李瑞( 1 9 7 7 一 ) ， 男 ， 在读博士 ， 副教授 ， 研究方向 ： 轻骨 料混凝土。 宁夏银川市西夏区 宁夏大学 B区研究生院( 7 5 0 0 2 1 ) 1 3 51 9 21 7 5 0 9 西安 8 2家商混企业 7 0 有扬尘问题被责令整改 1 2月 8日至 1 2 月 1 8日 西 安市治污减霾办与西安市建委联合检查了 8 2家商混企业防尘措施 ， 5 8 家 因存 在一种或多 种扬尘污染问题被责令整改 ， 占到 了总数 的 7 0 。 有 3 6 家企业存在 出入 口未安装冲洗设备 ， 导致车轮带砂浆上路问题 ； 有 4 0 家企业场内道路保洁不到位 ， 车辆行驶过程 中产生扬尘严重 ； 还有 3 7 家企业露天料场覆盖不到位 ， 区域扬尘污染 问题 严重 。 最终 ， 共计 5 8家存在上述一方面或多方面 问题的企业收到了整改通知书 。 检查组要求全部问题要于 l 2 月 2 5日前整改完毕。 市建委会加大对存在扬尘污染问题企业的处罚力度， 对存在扬尘 防治措施不到位的企业停业一月 ， 集 中整改 ， 经验收符合要求后 ， 方可投人生产 。 1 1 4 6 5 4 3 2 0 I 骥丌 辖 躲 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m