机制砂混凝土试验研究

戴鹏，李曦，蒋震，冷政，曹毅，肖丹

（中建西部建设湖南有限公司，湖南 长沙 410005）

机制砂混凝土试验研究

戴鹏，李曦，蒋震，冷政，曹毅，肖丹

（中建西部建设湖南有限公司，湖南 长沙 410005）

本文以 C40 混凝土为基准，利用 L9(34) 正交试验，探究了水胶比、砂率、机制砂取代率对机制砂混凝土性能的影响，并进行极差分析，以总功效系数 d 为评价指标确定最优试验方案，并进行试验验证。结果表明：以总功效系数 d 为考核指标得出的机制砂混凝土各因素作用的主次顺序依次为：水胶比、机制砂取代率、砂率，最优试验方案的水胶比为 0.38，砂率为 0.42，机制砂取代率为 50%。

机制砂；正交试验；极差分析；总功效系数

我国预拌混凝土中使用的细骨料大多为天然河砂，但随着建筑业的快速发展，天然河砂资源日益匮乏。此外，因天然河砂资源过度开采带来的环境问题也日益严重。很多地方均已采取相关措施严控天然河砂的开采，直接导致建筑市场天然河砂出现货源少、价格飙升、质量大幅下降等问题，严重影响了预拌混凝土生产质量控制和可持续发展，预拌混凝土用砂问题亟需解决[1-3]。

众所周知，机制砂来源广泛、价格相对低廉，使用机制砂取代天然河砂已成为一种必然趋势。本试验以C40 混凝土为基准，选用花岗岩机制砂，利用正交试验，研究了水胶比、砂率、机制砂取代率对机制砂混凝土性能的影响，制备出工作性能和力学性能良好的机制砂混凝土。

1 材料及方法

1.1 原材料

水泥：P·O42.5 普通硅酸盐水泥，其物理性能见表1。

粉煤灰：F 类 Ⅱ 级灰，45μm 筛筛余 14.5%，烧失量 1.8%。

矿渣粉： S95 级矿渣粉，比表面积为 410m2/kg，烧失量为 0.7%。

粗骨料：5～31.5mm 连续级配天然碎石。

细骨料：天然河砂和花岗岩机制砂，其中花岗岩机制砂生产过程中经过颗粒整形和选粉工艺处理，细骨料的颗粒级配和主要技术指标分别见表 2 和表 3。

减水剂：市售某厂低浓聚羧酸高性能减水剂。

水：普通自来水。

表 1 水泥的物理性能

表 2 细骨料的颗粒级配

表 3 细骨料的主要技术指标

1.2 试验方法

混凝土拌合物性能：依据现行国家标准 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》的规定进行测试。

混凝土抗压强度：试件尺寸为 150mm×150mm× 150mm，依据现行国家标准 GB/T 50081—2016《普通混凝土力学性能试验方法标准》的规定进行测试。

2 试验研究

2.1 正交试验设计

本试验考虑 C40 机制砂混凝土配合比设计中水胶比、砂率、机制砂取代率三个因素的影响，每个因素选取三个水平，选用 L9(34) 正交表，采用极差法分析试验结果。本次正交试验因素水平列表见表 4，正交试验数据方案见表 5，正交试验结果见表 6。

2.2 试验结果极差分析

本试验各个考核指标的极差分析结果，分别见表7、表 8 和表 9。

表 4 正交试验因素水平列表

表 5 正交试验数据方案 kg/m3

表 6 正交试验结果

表 7 以流动度为考核指标的极差分析

表 8 以 7d 抗压强度为考核指标的极差分析

表 9 以 28d 抗压强度为考核指标的极差分析

由表 7 可知，以流动度为考核指标得出的各因素作用的主次顺序依次为：A→B、D→C；由表 8 可知，以 7d 抗压强度为考核指标得出的各因素作用的主次顺序依次为：A→C→B→D；由表 9 可知，以 28d 抗压强度为考核指标得出的各因素作用的主次顺序依次为：A→C→B→D，且与 7d 抗压强度各因素作用顺序一致。

2.3 试验结果总功效系数分析

在混凝土配合比设计中，不能纯粹地以强度作为考核指标，还要考虑其工作性能的影响。为找出各考核指标在不同情况下较好的试验方案。本文引入功效系数法，对每组试验配合比进行综合评价。由于各个考核指标的数值相差比较大，为了使数据之间具有可比性，将所有试验数据作归一化处理。各因素功效系数归一化处理的具体方法为：将各因素考核指标中实测值的最大值作“1”处理，同因素试验值与其最大值的比值为归一化值，即功效系数[4]。各考核指标归一化处理的结果，见表 10。

表 10 正交试验各考核指标归一化处理一览表

假设正交试验配合比的总数为 m，其中第 i 个配合比的总功效系数为 d，对应的工作性和 7d、28d抗压强度（m1、m2和 m3）的考核指标归一化处理后，功效系数分别为 d1、d2和 d3，则总功效系数为：d=(d1×d2×d3)1/3。总功效系数的计算，见表 11。

表 11 正交试验总功效系数 d

以总功效系数 d 为考核指标的极差分析结果，见表12。

表 12 以总功效系数 d 为考核指标的极差分析

由表 12 可知，以总功效系数 d 为考核指标得出的各因素作用的主次顺序依次为：A→C→D→B，可能的最优方案是 AⅢ BⅡCⅡ。

2.4 最优试验方案验证

根据确定的最优试验方案 AⅢ BⅡCⅡ，即水胶比0.38，砂率 0.42，机制砂取代率为 50%，具体试验方案见表 13，试验结果见表 14。

表 13 最优试验方案及试验结果 kg/m3

表 14 最优方案试验结果

由表 14 可知，与原正交试验各组方案试验结果相比，最优方案 AⅢ BⅡCⅡ 制备的机制砂混凝土具有更好的工作性能和力学性能；从工作性能和力学性能角度分析，该方案为最优试验方案。

3 结论

（1）机制砂混凝土正交试验中影响混凝土流动度最大的因素是水胶比，最小的因素是机制砂取代率。

（2）机制砂混凝土正交试验中影响混凝土 7d、28d 抗压强度最大的因素是水胶比，最小的因素是砂率。

（3）以工作性、各龄期强度和总功效系数 d 为考核指标时各因素作用的主次顺序，依次为：水胶比→机制砂取代率→砂率，机制砂混凝土最优试验方案的水胶比为 0.38，砂率 0.42，机制砂取代率为 50%。

（4）经过颗粒整形和选粉处理的花岗岩机制砂具有良好的物理性能，适当取代天然河砂，对混凝土的工作性能影响较小，对混凝土的力学性能影响略高于砂率，具有良好的应用前景。

[1] 张伟鑫．福州地区机制砂生产质量现状调研分析[J].福建建材，2016(7)∶ 31-33．

[2] 唐凯靖，刘来宝，周应．岩性对机制砂特性及其混凝土性能的影响[J]．混凝土，2011(12)∶ 62-66．

[3] 朱荣军，季涛，刘春苹，等．泥石粉对人工砂混凝土工作性及力学性能的影响[J]．福州大学学报（自然科学版），2012(3)∶ 388-392．

[4] 朱平华，陈华建，郭佳赤，等．大体积混凝土优化设计的四功能准则[J]．混凝土，2004(1)∶ 41-45．

［通讯地址］湖南省长沙市开福区湘江北路与绕城高速交界处 中建西部建设湖南有限公司技术部（410005）

戴鹏（1989—），男，硕士，工程师，主要研究方向为建筑材料与工程。