連慧慧

（山西交通養(yǎng)護(hù)集團(tuán)有限公司，山西太原 030006）

當(dāng)前，我國(guó)正積極推進(jìn)綠色裝配式建筑墻體板材，其構(gòu)成材料需滿足輕質(zhì)高強(qiáng)保溫特性，陶?；炷脸蔀樽顑?yōu)選擇[1]。受粗骨料陶粒自身力學(xué)特性影響，粉煤灰陶粒混凝土配合比中的不同因素對(duì)其力學(xué)性能的影響與普通混凝土有所區(qū)別[2]。

為了探究配合比中水灰比、水泥用量、砂率三因素對(duì)粉煤灰陶?；炷恋牧W(xué)性能的影響，本文通過(guò)制備粉煤灰陶?；炷粒{(diào)整不同配合比參數(shù)進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，并通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)分析法確定各因素的重要性系數(shù)，分析其對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)材料及方案

1.1 原材料選擇

1.1.1 水泥

試驗(yàn)用水泥為獅頭牌P·O 42.5 型普通硅酸鹽水泥，其主要性能如表1 所示。

表1 水泥性能參數(shù)表

1.1.2 砂

試驗(yàn)采用普通河砂，中砂；其篩分結(jié)果及性能參數(shù)如表2、表3 所示。

表2 試驗(yàn)用砂性能參數(shù)

表3 試驗(yàn)用砂篩分結(jié)果

1.1.3 陶粒

試驗(yàn)所用陶粒為采用回轉(zhuǎn)窯燒結(jié)法制成，外形為均勻球體。

粉煤灰陶粒主要由粉煤灰燒結(jié)組成，且燒結(jié)過(guò)程處于常壓，因此粉煤灰陶粒結(jié)構(gòu)較為松散，其內(nèi)部孔洞較多，表面較為致密[3]，如圖1 所示，陶粒主要呈棕灰色圓球狀，表面為燒結(jié)釉面層，質(zhì)地堅(jiān)硬致密，內(nèi)部呈多孔蜂窩結(jié)構(gòu)，基本性能如表4 所示。

圖1 粉煤灰陶粒

表4 粉煤灰陶粒基本性能

1.1.4 減水劑

試驗(yàn)用減水劑為聚羧酸高效減水劑，其性能指標(biāo)如表5 所示。

表5 減水劑性能指標(biāo)

1.2 基礎(chǔ)配合比

依據(jù)《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》（JGJ 51—2002）制備粉煤灰陶?；炷痢；A(chǔ)試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)主要以滿足工作性能為目的，并以合理用材為原則，設(shè)計(jì)采用松散體積法[4]。試驗(yàn)配合比如表6 所示。

表6 試驗(yàn)基礎(chǔ)配合比

2 水灰比對(duì)陶?；炷翉?qiáng)度影響試驗(yàn)

2.1 試塊制備及測(cè)試

對(duì)不同水灰比下粉煤灰陶粒混凝土進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，具體試驗(yàn)方案如表7 所示。

表7 水灰比對(duì)粉煤灰陶?；炷翉?qiáng)度影響試驗(yàn)表

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

不同水灰比下，各齡期粉煤灰陶?；炷恋目箟簭?qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表8、圖2 所示。

圖2 不同水灰比下粉煤灰陶粒混凝土抗壓強(qiáng)度

表8 不同水灰比下粉煤灰陶?；炷量箟簭?qiáng)度 單位：MPa

分析圖2 可以看出，不同齡期下各個(gè)水灰比強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律較為相似，A-1 組，其3 d 與7 d 齡期抗壓強(qiáng)度分別占28 d 齡期最終抗壓強(qiáng)度的53.5%、76.0%。A-2組其3 d 與7 d 齡期抗壓強(qiáng)度分別占28 d 齡期最終抗壓強(qiáng)度的53.5%、76.5%。A-3 組其3 d 與7 d 齡期抗壓強(qiáng)度分別占28 d 齡期最終抗壓強(qiáng)度的54.8%、79.8%。由上述數(shù)據(jù)可以得出，采用圖2 所示的水灰比進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，粉煤灰陶?；炷量箟簭?qiáng)度的增長(zhǎng)規(guī)律為：3 d 強(qiáng)度為28 d 強(qiáng)度的50%～55%，7 d 強(qiáng)度增長(zhǎng)為28 d 強(qiáng)度的70%～80%。

對(duì)比普通混凝土，其3 d 齡期強(qiáng)度一般為28 d 齡期強(qiáng)度的50%，7 d 齡期的強(qiáng)度一般為28 d 齡期強(qiáng)度的60%。由此發(fā)現(xiàn)，在混凝土齡期較短時(shí)，陶粒混凝土的強(qiáng)度增長(zhǎng)速度與普通混凝土較為接近，在3～7 d 齡期時(shí)，陶粒混凝土的強(qiáng)度增長(zhǎng)更快，這是由于陶粒的微泵現(xiàn)象約在3 d左右開(kāi)始出現(xiàn)，受微泵的作用返水養(yǎng)護(hù)，界面過(guò)渡區(qū)強(qiáng)度迅速增長(zhǎng)，破壞面逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榇止橇咸樟5]；7～28 d 齡期時(shí)，相比于普通混凝土，陶粒混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)變慢，這是因?yàn)樘樟Ｏ噍^于石子強(qiáng)度更低，其作為薄弱面首先開(kāi)裂，由于短板效應(yīng)，水泥強(qiáng)度的增長(zhǎng)已不能再提升陶粒混凝土的抗壓強(qiáng)度[6]。對(duì)于陶?；炷?，降低其水灰比會(huì)導(dǎo)致粗骨料陶粒提前開(kāi)裂，并加重混凝土的干縮現(xiàn)象，使混凝土在較早齡期時(shí)出現(xiàn)開(kāi)裂。因此在粉煤灰陶?；炷恋呐浜媳仍O(shè)計(jì)中，難以通過(guò)調(diào)整水灰比的方式來(lái)增強(qiáng)陶?；炷恋目箟簭?qiáng)度。

3 水泥及砂率對(duì)陶?；炷翉?qiáng)度的影響

3.1 試驗(yàn)方案

在探究水泥及砂率對(duì)粉煤灰陶?；炷翉?qiáng)度的影響時(shí)，試驗(yàn)的砂率區(qū)間取0.35～0.45，水泥區(qū)間為400～500 kg，分別按梯度調(diào)整砂率及水泥用量，具體試驗(yàn)方案如表9 所示。

表9 水泥及砂率對(duì)混凝土強(qiáng)度影響試驗(yàn)表

3.2 立方體抗壓強(qiáng)度性能

分別對(duì)不同水泥及砂率作用下的粉煤灰陶?；炷吝M(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表10 所示。

表10 不同水泥及砂率作用下陶?；炷量箟簭?qiáng)度 單位：MPa

3.3 灰色關(guān)聯(lián)分析

在粉煤灰陶粒混凝土中，水泥與砂均作為配合比中的關(guān)鍵部分，兩者相關(guān)性類似，該研究選用灰色關(guān)聯(lián)法分析其重要性占比?；疑P(guān)聯(lián)分析是根據(jù)體系內(nèi)各因素之間發(fā)展趨勢(shì)的相似或相異程度，作為衡量因素間關(guān)聯(lián)程度的一種方法，具體計(jì)算過(guò)程如下。

3.3.1 確定數(shù)據(jù)序列

在表10 所示各試驗(yàn)組數(shù)據(jù)中，以抗壓強(qiáng)度作為母數(shù)據(jù)序列，以不同水泥用量和砂率為子序列，如式（1）、式（2）所示：

母序列：

子序列：

式中：Yi為i天齡期時(shí)陶?；炷翉?qiáng)度組成的數(shù)據(jù)序列；X1為砂率；X2為水泥用量。

3.3.2 去量綱化

為了避免代表兩種不同物理意義的序列數(shù)據(jù)直接進(jìn)行比較而出現(xiàn)誤差，進(jìn)行去量綱化處理，處理后試驗(yàn)數(shù)據(jù)如式（3）、式（4）所示：

3.3.3 建立差異矩陣

計(jì)算S中比較數(shù)列與參考數(shù)列的絕對(duì)差值并建立差異矩陣Δb，以表示數(shù)據(jù)序列間的離散關(guān)系，計(jì)算公式如式（5）～式（7）所示：

3.3.4 求解關(guān)聯(lián)度ξi

ξi(k)用于表征矩陣中對(duì)應(yīng)因素的差值，可按式（8）計(jì)算：

式中：ρ∈[0,1]為分辨系數(shù)，取ρ= 0.5。

通過(guò)式（8）計(jì)算出的ξi(k)反映了不同條件下母數(shù)據(jù)序列與子數(shù)據(jù)序列的離散程度，用均值γ表示上述兩個(gè)序列間的整體關(guān)聯(lián)度，如式（9）：

3.4 灰色關(guān)聯(lián)分析結(jié)論

不同齡期下粉煤灰陶粒混凝土抗壓強(qiáng)度與各灰色關(guān)聯(lián)因素的相關(guān)度如圖3 所示。

圖3 各關(guān)聯(lián)因素分析結(jié)果

由灰色關(guān)聯(lián)度計(jì)算結(jié)果可知，兩種抗壓強(qiáng)度影響因子中，水泥用量對(duì)粉煤灰陶?；炷量箟簭?qiáng)度的影響普遍高于砂率對(duì)強(qiáng)度的影響。砂率與強(qiáng)度的關(guān)聯(lián)度在3 d、7 d、28 d 時(shí)依次為0.13、0.16、0.12，整體呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，與陶粒微泵作用的表現(xiàn)規(guī)律基本一致；水泥用量與強(qiáng)度的關(guān)聯(lián)度為0.19，0.17，0.13，數(shù)值結(jié)果逐漸下降，最終與砂率保持相同。

3.4.1 水泥用量關(guān)聯(lián)度

如圖4 所示，由于粉煤灰陶粒混凝土由粗骨料、細(xì)骨料、膠凝材料構(gòu)成，其中，水泥包裹細(xì)骨料、水泥砂漿包裹粗骨料均存在一定的厚度上限。

圖4 混凝土結(jié)構(gòu)圖

對(duì)于陶?；炷?，前期水泥砂漿強(qiáng)度低于粗骨料，其強(qiáng)度對(duì)陶?；炷量箟簭?qiáng)度影響極大，體現(xiàn)在關(guān)聯(lián)度上即水泥用量與強(qiáng)度的關(guān)聯(lián)度大于砂率與水泥用量的關(guān)聯(lián)度。隨著齡期增長(zhǎng)，水泥基體和界面過(guò)渡區(qū)強(qiáng)度提高，破壞面轉(zhuǎn)為陶粒，水泥用量與抗壓強(qiáng)度的關(guān)聯(lián)性逐漸降低。

3.4.2 砂率關(guān)聯(lián)度

由于砂在陶?；炷林凶鳛楣羌芷鸬搅颂畛浯罂紫兜淖饔?，在齡期較早時(shí)，陶?；炷量箟簭?qiáng)度主要受水泥基體強(qiáng)度影響，破壞的原因大多為水泥強(qiáng)度較低，當(dāng)粉煤灰陶?；炷笼g期達(dá)到7 d 時(shí)，水泥在水化作用下已經(jīng)具備了一定的強(qiáng)度，粉煤灰陶粒成為薄弱面，相關(guān)性因而減小。

3.5 試驗(yàn)結(jié)論及分析

水泥用量作為基準(zhǔn)，分析不同水泥用量下，粉煤灰陶?；炷翉?qiáng)度隨砂率的變化，變化曲線如圖5 所示。

圖5 粉煤灰陶粒混凝土強(qiáng)度隨砂率的變化

分析圖5，當(dāng)陶粒混凝土的水泥用量為400 kg/m3時(shí)，其抗壓強(qiáng)度隨砂率增加而增加，這是由于混凝土中骨料與水泥接觸的表面積隨砂率增加而增大，水泥漿體包裹的面積增加，強(qiáng)度也隨之增加；450 kg/m3用量下，混凝土強(qiáng)度在45.48 MPa～54.78 MPa 波動(dòng)，整體隨著砂率增加而變大，整體強(qiáng)度相比水泥用量為400 kg/m3時(shí)更高，這是由于水泥漿增加且水灰比保持不變，混凝土的流動(dòng)性增大，其結(jié)構(gòu)較為松散，黏聚性變差，強(qiáng)度降低；在水泥用量500 kg/m3時(shí)，混凝土的強(qiáng)度隨砂率的增加進(jìn)一步減小，整體抗壓強(qiáng)度隨之降低。同時(shí)，砂率的增大使得陶粒減少，陶粒的微泵作用減輕，混凝土內(nèi)氣孔增多，試件的強(qiáng)度降低[8]。

抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)擬合公式如式（10）～式（12）所示：

式中：fcu,k為立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；βs為砂率。

綜上所述，水泥用量和砂率兩種因素均會(huì)對(duì)粉煤灰陶?；炷恋膹?qiáng)度造成影響。其中，水泥用量對(duì)強(qiáng)度的影響更為明顯，最佳的水泥用量為400～450 kg/m3，此時(shí)最佳砂率為0.45。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)不同配合比下粉煤灰陶粒混凝土的強(qiáng)度性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，分別研究水灰比、水泥用量、砂率3個(gè)因素對(duì)粉煤灰陶?；炷恋膹?qiáng)度性能的影響規(guī)律，通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)分析法確定了水泥用量和砂率的重要性系數(shù)，在此基礎(chǔ)上分析了其對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律，得出以下結(jié)論：

a）降低水灰比會(huì)導(dǎo)致粗骨料陶粒的提前開(kāi)裂，造成混凝土的干縮，使混凝土結(jié)構(gòu)易在較早齡期時(shí)出現(xiàn)開(kāi)裂，故難以通過(guò)調(diào)整水灰比的方式來(lái)增強(qiáng)陶?；炷量箟簭?qiáng)度。

b）在各齡期水泥用量對(duì)強(qiáng)度的重要性系數(shù)均大于砂率，隨著齡期增加，水泥的重要性系數(shù)逐漸降低，砂率的重要性系數(shù)則呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，在齡期為28 d 時(shí)，兩者的影響持平。