基于骨料三級(jí)配的C 20混凝土工作性優(yōu)化

連亞明，徐仁崇，桂苗苗

（1. 廈門天潤(rùn)錦龍建材有限公司，福建 廈門 361027；2. 廈門市建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司，福建 廈門 361004）

0 前言

現(xiàn)代混凝土施工中大多采用泵送混凝土，在施工現(xiàn)場(chǎng)泵送混凝土流動(dòng)性的好壞直接決定著混凝土產(chǎn)品使用的好壞，影響著客戶滿意度。中、高強(qiáng)混凝土膠凝材料用量，其工作性易通過(guò)摻加粉煤灰或礦粉以及復(fù)配高效減水劑進(jìn)行改善[1]。而對(duì)于普通低強(qiáng)泵送混凝土，其膠凝材料用量較低，混凝土流動(dòng)性易受影響波動(dòng)較大。在保證不增加成本的基礎(chǔ)上，低強(qiáng)混凝土可從優(yōu)化骨料級(jí)配的方向進(jìn)行混凝土工作性能優(yōu)化[2]。

富勒最大密度理論認(rèn)為粗骨料的級(jí)配能夠決定骨料的堆積狀態(tài)，影響骨料的空隙率，當(dāng)骨料的空隙率最小，堆積密度最大時(shí)，骨料的顆粒級(jí)配最優(yōu)。在確定骨料的最佳堆積狀態(tài)時(shí)，通過(guò)優(yōu)化粗骨料的顆粒級(jí)配，能夠在保證膠凝材料不變的情況下，改善混凝土拌合物的工作性能[3]。

目前預(yù)拌混凝土常用的石子為 16～31.5mm 粒徑石子、5～20mm 粒徑石子、5～10mm 粒徑石子，為因地制宜、更貼切實(shí)際生產(chǎn)。本文采用該 3 種常用石子進(jìn)行級(jí)配優(yōu)化，探討不同粒徑石子摻量對(duì)低強(qiáng)混凝土工作性能的影響程度，并優(yōu)化 C20 混凝土的工作性。

1 試驗(yàn)

1.1 設(shè)計(jì)軟件

Design Expert 是一款專注于試驗(yàn)設(shè)計(jì)和分析的軟件，可以設(shè)計(jì)出高效試驗(yàn)方案，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行專業(yè)分析，給出全面、可視的模型及優(yōu)化結(jié)果。Design Expert 提供了 4 大類的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，因子設(shè)計(jì)、響應(yīng)面設(shè)計(jì)、混料設(shè)計(jì)和綜合設(shè)計(jì)。本文擬采用響應(yīng)面設(shè)計(jì)法優(yōu)化進(jìn)行試驗(yàn)研究。

響應(yīng)面設(shè)計(jì)分析法是將體系的響應(yīng)作為一個(gè)或多個(gè)因素的函數(shù)，采用線性多項(xiàng)式來(lái)近似隱式極限狀態(tài)方程，通過(guò)試驗(yàn)設(shè)計(jì)來(lái)確定線性多項(xiàng)式的待定系數(shù)，通過(guò)迭代來(lái)保證線性響應(yīng)面的失效概率，同時(shí)運(yùn)用圖形技術(shù)將這種函數(shù)關(guān)系顯示出來(lái)。利用響應(yīng)面法擬合的回歸方程模型和繪制的響應(yīng)曲面，可分析各試驗(yàn)因素交互作用的響應(yīng)值，并在此基礎(chǔ)上擬合響應(yīng)值以優(yōu)化試驗(yàn)因素條件[4]。

1.2 原材料

（1）水泥：P·O42.5，初凝時(shí)間 172min，終凝時(shí)間236min，28d 抗壓強(qiáng)度 53.6MPa。

（2）粉煤灰：Ⅱ級(jí)粉煤灰，細(xì)度 14.8%，需水量比 100%，燒失量 1.31% 。

（3）礦粉：S95 級(jí)礦渣粉，比表面積 430m2/kg，流動(dòng)度比 100%。

（4）粗骨料：碎石，性能指標(biāo)見表 1。

表1 粗骨料性能指標(biāo)

（5）細(xì)骨料：天然砂，細(xì)度模數(shù) 2.7，含泥量0.8%。

（6）減水劑：聚羧酸減水劑，減水率 16.5%。

1.3 試驗(yàn)方法

混凝土拌合物性能依據(jù)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定進(jìn)行測(cè)試；混凝土抗壓強(qiáng)度依據(jù)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50081—2016《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定進(jìn)行測(cè)試。

1.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

參考現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》進(jìn)行 C20 混凝土配合比設(shè)計(jì)，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，用水量為 176kg/m3，水膠比為 0.6，粉煤灰摻量為 10%，礦粉摻量為 14%，砂率為 0.46，設(shè)計(jì)基礎(chǔ)配合比見表 2，試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表 3。

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表3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

2 試驗(yàn)分析

2.1 粗骨料對(duì)混凝土工作性影響程度分析

用 Design-Expert 軟件以 16～31.5mm 石子摻量（A）、5～20mm 石子摻量（B）、5～10mm 石子摻量（C）3 種因素為自變量，以骨料緊密空隙率、混凝土工作性為響應(yīng)結(jié)果，對(duì)上述試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得到各因素權(quán)重，見表 4、5。

使用 Design-Expert 軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合，骨料緊密孔隙率 Y、混凝土工作性 L 與自變量 A、B、C 的回歸方程可表達(dá)為：

Y=40.60A+40.84B+41.58C-10.33AB-2.51AC-4.28BC-59.04ABC

L=124.73A+79.25B+29.30C+287.96AB-15.83AC-8.68BC+2096.67ABC

“Prob＞F”越小，表明模型與實(shí)際結(jié)果越接近，當(dāng)“Prob＞F”小于 0.1 時(shí)，模型是可取的。由表 4 和表 5 可知，模型的擬合效果顯著。

由表 4 可知，A 與 C 的協(xié)同作用對(duì)骨料緊密孔隙率的影響最大，根據(jù)“均方”和“Prob＞F”分析，對(duì)骨料緊密孔隙率影響程度由強(qiáng)到弱的因素為 C＞A＞B。

由表 5 可知，B 與 C 的協(xié)同作用對(duì)混凝土工作性的影響最大，根據(jù)“均方”和“Prob＞F”分析，對(duì)混凝土工作性影響程度由強(qiáng)到弱的因素為 C＞B＞A。

表4 骨料緊密空隙率模型方差分析

表5 混凝土工作性模型方差分析

2.2 混凝土工作性擬合優(yōu)化分析

利用軟件的分析功能，得到粗骨料體系對(duì)混凝土工作性的響應(yīng)圖，見圖 1 和圖 2。

圖1 骨料體系對(duì)混凝土坍落度作用響應(yīng)圖

比較分析圖 1 和圖 2 的等高線，骨料體系對(duì)混凝土坍落度與緊密空隙率作用相應(yīng)圖具有一定的相似性和重疊性，即當(dāng)骨料體系的緊密空隙率較低時(shí)，混凝土的坍落度較大，與大量的試驗(yàn)研究結(jié)果相一致。混凝土中骨料緊密空隙率越低，其顆粒級(jí)配越緊密，包裹骨料的漿體量越少，在水灰比相同的前提下，其富余漿體量越多，工作性越好。

圖2 骨料體系對(duì)緊密空隙率作用響應(yīng)圖

由坍落度響應(yīng)模型優(yōu)化粗骨料體系，經(jīng)優(yōu)化得：當(dāng) A:B:C 為 0.437:0.386:0.177 時(shí)，混凝土坍落度最優(yōu)。根據(jù)軟件擬合的試驗(yàn)結(jié)果，選用比例參數(shù)分別為 0.437:0.386:0.177；0.333:0.333:0.333 和0.300:0.300:0.400 的石子設(shè)計(jì)配合比，進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，見表 6。

由表 6 可知，不同石子比例下混凝土坍落度的驗(yàn)證值與擬合值較為契合，且當(dāng) A:B:C 為 0.437:0.386:0.177時(shí)，混凝土工作性較為良好，因此采用本試驗(yàn)方法擬合的試驗(yàn)結(jié)果較為準(zhǔn)確。當(dāng) A:B:C 接近 0.437:0.386:0.177時(shí)，C20 混凝土工作性為最佳。

表6 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

（1）經(jīng)模型分析，對(duì)骨料空隙率的影響因素由強(qiáng)到弱的順序?yàn)?5～10mm 石子摻量、16～31.5mm 石子摻量、5～20mm 石子摻量。

（2）經(jīng)模型分析，對(duì)混凝土工作性的影響因素由強(qiáng)到弱的順序?yàn)?5～10mm 石子摻量、5～20mm 石子摻量、16～31.5mm 石子摻量。

（3）經(jīng)擬合分析優(yōu)化，當(dāng) 16～31.5mm 石子 :5～20mm 石子 : 5～10mm 石子摻量接近 0.437:0.386:0.177 時(shí)，C20 混凝土工作性最佳。