田間裝配式涵閘混凝土最佳配比試驗研究

孫國梅

(遼寧省喀左縣水利局，遼寧 喀左 122300)

2011年，揚州大學針對我國灌區的實際需求，研究開發了一種新型裝配式田間涵閘，這種涵閘具有設計方便、構件定型化以及便于施工等諸多優點[1]。揚州大學的設計專利僅從外觀、構件型式、擋土墻與底板承插方式等方面進行設計和規定，并未就擋土墻和底板所需要的混凝土強度做出規定。同時，涵閘預制結構如果采用傳統的混凝土材料，則仍舊存在構件笨重和裝配不便等問題[2]。因此，為了促進該專利迅速轉化為生產力，本次研究擬依據結構強度需求，在混凝土中添加粉煤灰、硅粉以及發泡劑，并研究其最佳配合比，從而為工程運用提供技術支持。

1 試驗方案設計

1.1 試驗目的

本次試驗擬采用泡沫混凝土，其主要優點是質量輕、耐久性好、易于施工，屬于一種新型多功能水泥基材料[3]。但是，其主要不足是強度低，不能滿足涵閘對混凝土強度的要求。因此，本次研究中擬在普通泡沫混凝土中加入適量的硅粉和粉煤灰，以有效提高其強度，從而滿足工程設計要求。

1.2 試驗原料

本次試驗選用的水泥為喀左縣恒基水泥制造有限責任公司生產的“王子山”牌PO42.5普通硅酸鹽水泥，其特征是水化熱低，抗碳化、抗凍、抗腐蝕、耐磨性能優良。粉煤灰采用Ⅱ級粉煤灰，粉煤灰的主要作用是替代水泥，以達到減少水泥用量、降低工程成本的目的[4]。硅粉為二氧化硅含量為95%，硅粉的摻入可以有效提高膠結材料的強度，提高水泥漿的抗凍、抗腐蝕、耐磨性能[5]。發泡劑選用的是山東省華遠公司生產的復合發泡劑，該發泡劑具有發泡倍數高，泡沫細小均勻、液膜堅硬的優勢。粗骨料采用20mm石灰巖碎石。細骨料為級配良好的細沙，細度模數小于2mm，含泥量小于3%。水選用普通自來水。減水劑為萘系高效減水劑。

1.3 配合比設計

為了研究添加粉煤灰、硅粉后的發泡混凝土的具體性能，本次研究擬采用正交試驗的方式進行配合比設計，鑒于規劃試驗因素為粉煤灰、硅粉和發泡劑，因此采用三因素、三水平正交試驗方案設計。結合相關研究成果，一般粉煤灰的摻量范圍為10.0%～30.0%，硅粉的摻量為3.0%～9.0%，發泡劑的摻量范圍為1.0%～2.0%[6]。班次研究采用因素和水平表，見表1。

表1 因素和水平

根據表1的因素和水平，在水膠比保持不變的情況下，構建正交試驗設計方案，見表2。

表2 正交試驗方案設計

注：表中的數據已經將單位換算為kg/m3。

2 試驗過程

按照表2的9種正交試驗方案，分別制作規格為200mm×200mm×200mm的81個混凝土試塊。其中，每個試驗方案按照3、7和28d各取3個試塊。在試塊制作過程中，需要將混凝土振搗密實，做到試塊外觀光潔，沒有麻面蜂窩。在試塊澆筑完畢后，要按照標準養護條件分別養護3、7和28d。

由于本次試驗主要是對比摻料的不同配合比對混凝土試塊的容重和強度的影響，因此，按照GB 50107—2010《混凝土強度檢驗評定標準》的相關要求，在達到規定養護時間后，首先對3個試塊的容重進行測量，再利用液壓壓力試驗機對試塊的破壞荷載進行測試，并將3個試塊的平均值作為每組試塊的容重和強度的最終試驗值[7]。

3 試驗結果分析

3.1 試驗結果

試驗所使用的9組81個混凝土試塊的正交試驗結果見表3。根據GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》，上述試驗結果均滿足C25混凝土的抗壓強度要求[8]。

3.2 抗壓強度變化規律

為了進一步研究粉煤灰、硅粉以及發泡劑對混凝土試塊抗壓強度的影響，對9組試塊不同齡期的抗壓強度變化規律進行統計，結果如圖1所示,見表3。由圖1和表3中的數據可知，第3、6、9組試塊的抗壓強度顯著大于其余各組試塊，28d抗壓強度值達到了31.6MPa，究其原因，主要是這3組試塊中硅粉的摻量最大，顯著提高了混凝土試塊的抗壓強度。

表3 正交試驗結果

因此，在添加硅粉的主要作用是提升混凝土的抗壓強度，確保泡沫混凝土能夠達到設計要求。第3、5、7組混凝土試塊的抗壓強度相對較小，3d抗壓強度最小值僅為26.5MPa，但是3d以后抗壓強度增長較快，究其原因，主要是發泡劑的摻量較大。雖然發泡劑是泡沫混凝土的關鍵摻入物，但是會顯著降低混凝土本身的早期強度，同時摻入量越大，強度就越低。第7、8、9三組試塊的早期抗壓強度最小，3d抗壓強度最小值為11.5MPa，最大值也僅為15.8MPa，但是后期強度增長較為明顯。究其原因，主要是這3組試塊摻入的粉煤灰比例最大，導致試塊早期強度增長緩慢。摻入粉煤灰的主要作用是替代水泥用量，降低生產成本，對提高混凝土早期強度作用不明顯，但是其水化物可以有效填充水泥顆粒之間的微小間隙，可以提高泡沫混凝土的后期強度。

圖1 試塊抗壓強度變化規律示意圖

3.3 極差分析

粉煤灰、硅粉和發泡劑的不同摻量均會影響泡沫混凝土的抗壓強度和容重，通過極差分析可以確定3個因素的影響次序，以便獲得最佳配合比。通過極差分析，獲得如圖2所示的各因素與容重關系圖和如圖3所示的各因素與抗壓強度關系圖。

圖2 各因素與容重關系

圖3 各因素與抗壓強度關系

從圖2—3可知，隨著粉煤灰摻入量的增加，泡沫混凝土的容重會呈現出不斷降低的特征，抗壓強度則呈現出先增加后減小的特征。因此，在本次試驗過程中，為了保證混凝土試塊的強度設計要求，粉煤灰的摻量不宜大于20%；隨著硅粉摻入量的不斷增加，泡沫混凝土的容重會不斷降低，而抗壓強度的先減小后增大；隨著發泡劑的摻入量不斷增加，混凝土試塊的容重不斷降低，而試塊的抗壓強度則不斷減小。根據極差計算結果，獲得容重和抗壓強度2個指標下的各因素主次順序，結果見表4。由表4中的順序可知，對混凝土試塊的容重，最佳配合比應該為A3B3C3；對混凝土試塊28d抗壓強度而言，最佳配合比應該為A2B3C1。

表4 各因素主次順序

3.4 最優配合比的確定

由上節的極差分析結果可知，混凝土試塊容重和28d強度所要求的配合比并不相同，因此，有必要依據指標的主次順序，予以綜合考慮，以確定最佳配合比。以A因素為例，其對混凝土試塊的容重的影響最大，而對28d抗壓強度的影響排第二位。因此，對容重而言，選A3最好，對28d強度，則選A2最好。因此，有必要通過試驗結果，進一步分析選A2還是A3。由試驗結果可知，以A2為基準時，混凝土容重比取A3時增加7.8%，計算過程如下：

[(1920+1850+1970)-(1700+1820+1770)]/(1920+1850+1970)=7.8%

按照類似的方法，計算獲得A因素綜合平衡表，見表5。由表5可知，對于有利部分和不利部分都有A2>A3，同時，隨著A因素，也就是粉煤灰摻量的增加，28d強度呈現出先增加，后減小的特征，因此，為了獲得抗壓強度更高的混凝土，推薦選擇A2。

表5 A因素綜合平衡

對B因素而言，其對容重的影響最小，對28d抗壓強度影響排在第二位，而從初選的最優水平組合結果來看，均為B3最好。因此，對B因素，推薦選擇B3配合比。

對C因素而言，其對容重的影響排在第二位，應選擇C3為好，對28d抗壓強度的影響排在第一位，應選擇C1為好。因選擇結果不一致，故采取同樣的方法，計算獲得C因素的綜合平衡表，結果見表6。由表6可知，對于有利部分C1>C3；對于不利部分C3>C1，因此推薦選擇C1方案。

綜上所述，本次試驗獲得的泡沫混凝土最佳配合比應該為A2B3C1，也就是摻入粉煤灰20%，摻入硅粉9%，摻入發泡劑1%。

表6 C因素綜合平衡

4 結語

本文以裝配式田間涵閘為例，通過試驗法研究了在混凝土中添加粉煤灰、硅粉以及發泡劑的最佳配合比。通過9組正交試驗方案，最終確定了摻入粉煤灰20%，摻入硅粉9%，摻入發泡劑1%的最佳配合比方案。采用相同的材料和方法，按照上述配合比重新制作3組試塊，對試驗結論進行檢驗，結果顯示，采用該配合比的試塊，與標準混凝土相比，容重降低約17.3%，抗壓強度提升約18.1%，具有顯著的工程應用價值。