花崗巖機制砂路面混凝土配合比優化設計分析

譚明 蘇紫敏 黃瀅 楊小龍 蘇天德

摘要：花崗巖破碎制成細骨料時與石灰巖機制砂類似，具有大量的石粉，存在顆粒棱角性大、級配分布不良等問題，導致花崗巖機制砂混凝土拌和物工作性變差。基于此，文章采用正交試驗方法，設計不同因素水平，通過方差分析探究各因素對花崗巖機制砂路面混凝土力學性能的影響程度，進而得到花崗巖機制砂路面混凝土的最優配合比。結果表明：水膠比對花崗巖機制砂路面混凝土的坍落度、抗彎拉強度、抗壓及抗劈拉強度影響較大；砂率在一定范圍內可以改善混凝土的坍落度；花崗巖機制砂路面混凝土最優配合比為水膠比0.34、水泥342 kg/m3、粉煤灰38 kg/m3、水116 kg/m3、砂子657 kg/m3、碎石922 kg/m3、減水劑6.44 kg/m3。

關鍵詞：花崗巖機制砂；機制砂混凝土；正交試驗；力學性能；配合比優化設計

中圖分類號：U416.03 A 18 052 4

0 引言

河沙的大量采集不僅破壞河流生態環境，還會導致天然河沙資源日益匱乏。而機制砂原料分布廣泛、資源豐富，其使用降低了水泥混凝土工程成本［1-2］，并且廣西東部地區有著豐富的花崗巖，如果將其生產為機制砂，能極大地降低工程成本。然而，花崗巖機制砂的石粉含量、用水量、壓碎值較大，顆粒粗糙、級配較差，因此，摻入花崗巖機制砂往往會降低混凝土的工作性能、力學性能及耐久性。許多學者［3-6］研究發現，機制砂混凝土的力學性能與材料用量密切相關。基于此，為確定機制砂混凝土配合比的最佳設計參數，眾多學者［7-11］均對機制砂混凝土進行配合比設計優化，并證明其力學性能、工作性以及耐久性均滿足設計要求。因此，花崗巖機制砂混凝土配合比設計在水膠比、砂率、石粉含量、外加劑摻量以及集料級配等方面都有一些特殊要求。為提高花崗巖機制砂混凝土的各項性能，應從原材料用量和材料設計參數出發，設計并優化花崗巖機制砂混凝土的配合比。

目前，國內外學者對機制砂的力學性能、工作性能及耐久性能的研究取得了一定成果，但對花崗巖混凝土配合比設計優化研究鮮有報道。為改善花崗巖機制砂混凝土的力學綜合性能及耐久性，本文將采用正交試驗方法，探究各因素與花崗巖機制砂混凝土工作性及力學性能的顯著性影響程度，提出花崗巖機制砂路面混凝土的最優配合比。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

1.1.1 水泥

所用水泥為廣西華潤紅水河牌水泥，其技術指標見表1。

1.1.2 集料

粗集料為花崗巖碎石，技術指標見表2。細集料采用細度模數為2.823、石粉含量為3.6%、堆積密度為1 545 kg/m3、堆積空隙率為42.8%、表觀密度為2 702 kg/m3以及壓碎值為19%的花崗巖。

1.1.3 外加劑

外加劑是減水率為15%的WYF-H緩凝高效型減水劑，具體技術指標見表3。

1.2 試驗方案設計

將膠凝材料用量（A）、水膠比（B）、粉煤灰摻量（C）及砂率（D）作為影響因素，各因素水平見表4。試驗采用正交表L16（44），安排16組試驗組合。選用坍落度、抗彎拉強度、抗壓強度和劈裂抗拉強度4個指標，對花崗巖機制砂混凝土配合比進行優化設計。

1.3 試驗方法

為確保水泥混凝土路面具有良好的長期服役性能，混凝土拌和物在澆筑成型過程中應具有良好的工作性，且盡量避免泌水和離析，凝結硬化后花崗巖機制砂路面混凝土也必須具備足夠的抗拉及抗壓強度。基于此，本研究選用坍落度、抗彎拉強度、抗壓強度和劈裂抗拉強度4個指標，對花崗巖機制砂混凝土配合比進行優化設計。花崗巖機制砂路面混凝土工作性能及力學性能的測試方法見表5。

2 試驗結果及分析

2.1 坍落度測試結果

花崗巖機制砂混凝土正交試驗測試結果見表6，坍落度極差分析結果見表7。由表6、表7可知：

（1）水膠比是影響花崗巖機制砂路面混凝土工作性能的主要因素，隨水膠比的增大，試件坍落度逐漸增大。這是由于水膠比越大，膠凝體系中的自由漿體越多，集料間的摩擦阻力越小，從而使得拌和物坍落度減小。

（2）對于花崗巖機制砂路面混凝土坍落度而言，各因素的影響顯著性主次順序為水膠比>膠凝材料用量>砂率>粉煤灰摻量。其中砂率對應的極差小于水灰比對應的極差，但與粉煤灰摻量對應的極差相近，說明砂率對坍落度具有一定的影響，摻入粉煤灰可以改善花崗巖機制砂混凝土的坍落度。

（3）膠凝材料用量的極差大于粉煤灰摻量的極差，且具有同一最優水平分別為A4和C4，說明隨著膠凝材料用量及粉煤灰摻量的增加，花崗巖機制砂路面混凝土坍落度逐漸增大。此外水膠比及砂率的最佳水平為B1和D1，最優組合為A4B1C4D1。

2.2 力學性能測試結果

2.2.1 抗彎拉強度

路面混凝土抗彎拉強度極差分析結果見下頁表8。

根據表8可知，花崗巖機制砂路面混凝土7 d、28 d抗彎拉強度影響因素順序依次為：水膠比>砂率>粉煤灰摻量>膠凝材料用量，即水膠比對混凝土抗彎拉強度的影響最大，并且各因素的影響程度隨齡期的增大逐漸減小。此外，在28 d齡期內，水膠比對應的極差遠大于粉煤灰摻量、砂率及膠凝材料用量所對應的極差，且在服役期間，花崗巖機制砂混凝土路面板主要受彎拉荷載，因此主要考慮28 d抗彎拉強度最佳的各因素組合為A3B4C3D3。

2.2.2 抗壓強度

花崗巖機制砂混凝土抗壓強度極差分析結果見表9，各因素不同水平下抗彎拉強度平均值如圖1所示。

由表9可知，水膠比對花崗巖機制砂混凝土7 d及28 d抗壓強度的影響最大，砂率對花崗巖機制砂混凝土7 d抗壓強度的影響最小；水膠比對花崗巖機制砂混凝土28 d抗壓強度的影響最大，膠凝材料用量及砂率對花崗巖機制砂混凝土28 d抗壓強度的影響最小。因此，砂率對抗壓強度的影響最小，水膠比對抗壓強度的影響最大，并且抗壓強度隨著水膠比的減小而逐漸增大。此外，在7 d時，水膠比對應的極差遠大于粉煤灰摻量、砂率及膠凝材料用量所對應的極差，且后三者之間同樣相差明顯；由于花崗巖機制砂的石粉活性較低，早期混凝土的抗壓強度會受到一定的影響，因此28 d時各因素所對應的極差會減小；粉煤灰摻量過大不利于混凝土抗壓強度的形成，各因素對花崗巖機制砂混凝土前期抗壓強度形成的影響更為顯著。基于混凝土早期抗壓強度滿足設計要求，得出抗壓強度各因素的最佳組合為A2B4C1D3。

由圖1可知，隨著水膠比的增大花崗巖機制砂路面混凝土7 d、28 d抗壓強度不斷下降；花崗巖機制砂路面混凝土7 d、28 d抗壓強度隨著砂率及膠凝材料用量呈先增大后減小的趨勢；粉煤灰摻量的增大會降低花崗巖機制砂路面混凝土的7 d抗壓強度。可見，各因素對花崗巖機制砂混凝土各齡期抗壓強度的影響規律與抗彎拉強度基本相同。

2.2.3 劈裂強度

花崗巖機制砂抗劈拉強度極差分析結果見表10，各因素不同水平下抗劈拉強度平均值如圖2所示。

由表10可以發現，花崗巖機制砂路面混凝土7 d抗劈拉強度影響因素的主次順序為：水膠比>膠凝材料用量>粉煤灰摻量>砂率，而28 d抗劈拉強度影響因素的主次順序為：水膠比>砂率=粉煤灰摻量>膠凝材料用量，說明水膠比對抗劈拉強度的影響最大。

由圖2可知：（1）花崗巖機制砂路面混凝土7 d、28 d抗劈拉強度隨水膠比的增大而降低，這一趨勢在后期逐漸減小，但相比于抗彎拉強度其變化幅度較小；（2）花崗巖機制砂路面混凝土7 d、28 d抗劈拉強度隨膠凝材料用量增加呈逐漸增大的趨勢；（3）隨著粉煤灰摻量的增大，花崗巖機制砂路面混凝土7 d抗劈拉強度先增大后減小，但總體變化幅度不大；（4）隨著砂率的增大，花崗巖機制砂路面混凝土7 d、28 d抗劈拉強度先增大后減小，即砂率存在最佳值。

3 最優配合比確定

本文選取重載交通作用下的高等級公路水泥路面混凝土作為研究對象，綜合考慮了花崗巖機制砂路面混凝土的坍落度、7 d及28 d抗彎拉強度、7 d及28 d抗壓強度、7 d及28 d抗劈拉強度，對花崗巖機制砂路面混凝土的最佳水平組合進行決策，進而確定最優配合比，使得混凝土拌和物在澆筑成型過程中滿足施工和易性的要求，凝結硬化后具備足夠的抗彎拉強度抵抗行車荷載，并使混凝土內部結構更穩定密實，耐久性更好。經正交試驗得出的花崗巖機制砂路面混凝土各項性能對應的各因素最佳水平如表11所示。

由表11可知，膠凝材料用量為380 kg/m3、水膠比為0.34時混凝土的28 d抗彎拉強度、7 d及28 d抗壓強度最大。因此確定膠凝材料用量為380 kg/m3，水膠比為0.34。

砂率在45%時混凝土坍落度抗彎拉強度達到最大，但砂率在43%時混凝土7 d、28 d抗壓強度、抗壓強度達到最大值，并且考慮到砂率并不是抗彎拉強度的最顯著影響因素，因此確定砂率為43%。

粉煤灰摻量是7 d抗劈拉強度、28 d抗彎拉強度的最顯著影響因素，并且粉煤灰摻量為10%時，機制砂路面混凝土的各項指標均達到最優，因此確定粉煤灰摻量為10%。

基于此，確定花崗巖機制砂路面混凝土最優配合比如表12所示。

4 結語

（1）路面混凝土工作性能評價主要基于坍落度而定，坍落度主要影響因素為水膠比，其次為膠凝材料用量及砂率，粉煤灰摻量的影響相對最小，砂率在一定范圍內可以改善混凝土的坍落度。

（2）隨著砂率的增大，花崗巖機制砂路面混凝土7 d、28 d抗彎拉強度呈先增大后減小的趨勢，并且在41%時達到最佳值。砂率越高抗彎拉強度的發展越慢，過大的砂率對前期抗彎拉強度的形成不利。

（3）水膠比對花崗巖機制砂路面混凝土抗彎拉強度、抗壓及劈裂抗拉強度的影響較大，其次為粉煤灰摻量、砂率和膠凝材料摻量。

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收稿日期：2023-06-20