田间装配式涵闸混凝土最佳配比试验研究

孙国梅

(辽宁省喀左县水利局，辽宁 喀左 122300)

2011年，扬州大学针对我国灌区的实际需求，研究开发了一种新型装配式田间涵闸，这种涵闸具有设计方便、构件定型化以及便于施工等诸多优点[1]。扬州大学的设计专利仅从外观、构件型式、挡土墙与底板承插方式等方面进行设计和规定，并未就挡土墙和底板所需要的混凝土强度做出规定。同时，涵闸预制结构如果采用传统的混凝土材料，则仍旧存在构件笨重和装配不便等问题[2]。因此，为了促进该专利迅速转化为生产力，本次研究拟依据结构强度需求，在混凝土中添加粉煤灰、硅粉以及发泡剂，并研究其最佳配合比，从而为工程运用提供技术支持。

1 试验方案设计

1.1 试验目的

本次试验拟采用泡沫混凝土，其主要优点是质量轻、耐久性好、易于施工，属于一种新型多功能水泥基材料[3]。但是，其主要不足是强度低，不能满足涵闸对混凝土强度的要求。因此，本次研究中拟在普通泡沫混凝土中加入适量的硅粉和粉煤灰，以有效提高其强度，从而满足工程设计要求。

1.2 试验原料

本次试验选用的水泥为喀左县恒基水泥制造有限责任公司生产的“王子山”牌PO42.5普通硅酸盐水泥，其特征是水化热低，抗碳化、抗冻、抗腐蚀、耐磨性能优良。粉煤灰采用Ⅱ级粉煤灰，粉煤灰的主要作用是替代水泥，以达到减少水泥用量、降低工程成本的目的[4]。硅粉为二氧化硅含量为95%，硅粉的掺入可以有效提高胶结材料的强度，提高水泥浆的抗冻、抗腐蚀、耐磨性能[5]。发泡剂选用的是山东省华远公司生产的复合发泡剂，该发泡剂具有发泡倍数高，泡沫细小均匀、液膜坚硬的优势。粗骨料采用20mm石灰岩碎石。细骨料为级配良好的细沙，细度模数小于2mm，含泥量小于3%。水选用普通自来水。减水剂为萘系高效减水剂。

1.3 配合比设计

为了研究添加粉煤灰、硅粉后的发泡混凝土的具体性能，本次研究拟采用正交试验的方式进行配合比设计，鉴于规划试验因素为粉煤灰、硅粉和发泡剂，因此采用三因素、三水平正交试验方案设计。结合相关研究成果，一般粉煤灰的掺量范围为10.0%～30.0%，硅粉的掺量为3.0%～9.0%，发泡剂的掺量范围为1.0%～2.0%[6]。班次研究采用因素和水平表，见表1。

表1 因素和水平

根据表1的因素和水平，在水胶比保持不变的情况下，构建正交试验设计方案，见表2。

表2 正交试验方案设计

注：表中的数据已经将单位换算为kg/m3。

2 试验过程

按照表2的9种正交试验方案，分别制作规格为200mm×200mm×200mm的81个混凝土试块。其中，每个试验方案按照3、7和28d各取3个试块。在试块制作过程中，需要将混凝土振捣密实，做到试块外观光洁，没有麻面蜂窝。在试块浇筑完毕后，要按照标准养护条件分别养护3、7和28d。

由于本次试验主要是对比掺料的不同配合比对混凝土试块的容重和强度的影响，因此，按照GB 50107—2010《混凝土强度检验评定标准》的相关要求，在达到规定养护时间后，首先对3个试块的容重进行测量，再利用液压压力试验机对试块的破坏荷载进行测试，并将3个试块的平均值作为每组试块的容重和强度的最终试验值[7]。

3 试验结果分析

3.1 试验结果

试验所使用的9组81个混凝土试块的正交试验结果见表3。根据GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》，上述试验结果均满足C25混凝土的抗压强度要求[8]。

3.2 抗压强度变化规律

为了进一步研究粉煤灰、硅粉以及发泡剂对混凝土试块抗压强度的影响，对9组试块不同龄期的抗压强度变化规律进行统计，结果如图1所示,见表3。由图1和表3中的数据可知，第3、6、9组试块的抗压强度显著大于其余各组试块，28d抗压强度值达到了31.6MPa，究其原因，主要是这3组试块中硅粉的掺量最大，显著提高了混凝土试块的抗压强度。

表3 正交试验结果

因此，在添加硅粉的主要作用是提升混凝土的抗压强度，确保泡沫混凝土能够达到设计要求。第3、5、7组混凝土试块的抗压强度相对较小，3d抗压强度最小值仅为26.5MPa，但是3d以后抗压强度增长较快，究其原因，主要是发泡剂的掺量较大。虽然发泡剂是泡沫混凝土的关键掺入物，但是会显著降低混凝土本身的早期强度，同时掺入量越大，强度就越低。第7、8、9三组试块的早期抗压强度最小，3d抗压强度最小值为11.5MPa，最大值也仅为15.8MPa，但是后期强度增长较为明显。究其原因，主要是这3组试块掺入的粉煤灰比例最大，导致试块早期强度增长缓慢。掺入粉煤灰的主要作用是替代水泥用量，降低生产成本，对提高混凝土早期强度作用不明显，但是其水化物可以有效填充水泥颗粒之间的微小间隙，可以提高泡沫混凝土的后期强度。

图1 试块抗压强度变化规律示意图

3.3 极差分析

粉煤灰、硅粉和发泡剂的不同掺量均会影响泡沫混凝土的抗压强度和容重，通过极差分析可以确定3个因素的影响次序，以便获得最佳配合比。通过极差分析，获得如图2所示的各因素与容重关系图和如图3所示的各因素与抗压强度关系图。

图2 各因素与容重关系

图3 各因素与抗压强度关系

从图2—3可知，随着粉煤灰掺入量的增加，泡沫混凝土的容重会呈现出不断降低的特征，抗压强度则呈现出先增加后减小的特征。因此，在本次试验过程中，为了保证混凝土试块的强度设计要求，粉煤灰的掺量不宜大于20%；随着硅粉掺入量的不断增加，泡沫混凝土的容重会不断降低，而抗压强度的先减小后增大；随着发泡剂的掺入量不断增加，混凝土试块的容重不断降低，而试块的抗压强度则不断减小。根据极差计算结果，获得容重和抗压强度2个指标下的各因素主次顺序，结果见表4。由表4中的顺序可知，对混凝土试块的容重，最佳配合比应该为A3B3C3；对混凝土试块28d抗压强度而言，最佳配合比应该为A2B3C1。

表4 各因素主次顺序

3.4 最优配合比的确定

由上节的极差分析结果可知，混凝土试块容重和28d强度所要求的配合比并不相同，因此，有必要依据指标的主次顺序，予以综合考虑，以确定最佳配合比。以A因素为例，其对混凝土试块的容重的影响最大，而对28d抗压强度的影响排第二位。因此，对容重而言，选A3最好，对28d强度，则选A2最好。因此，有必要通过试验结果，进一步分析选A2还是A3。由试验结果可知，以A2为基准时，混凝土容重比取A3时增加7.8%，计算过程如下：

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

按照类似的方法，计算获得A因素综合平衡表，见表5。由表5可知，对于有利部分和不利部分都有A2>A3，同时，随着A因素，也就是粉煤灰掺量的增加，28d强度呈现出先增加，后减小的特征，因此，为了获得抗压强度更高的混凝土，推荐选择A2。

表5 A因素综合平衡

对B因素而言，其对容重的影响最小，对28d抗压强度影响排在第二位，而从初选的最优水平组合结果来看，均为B3最好。因此，对B因素，推荐选择B3配合比。

对C因素而言，其对容重的影响排在第二位，应选择C3为好，对28d抗压强度的影响排在第一位，应选择C1为好。因选择结果不一致，故采取同样的方法，计算获得C因素的综合平衡表，结果见表6。由表6可知，对于有利部分C1>C3；对于不利部分C3>C1，因此推荐选择C1方案。

综上所述，本次试验获得的泡沫混凝土最佳配合比应该为A2B3C1，也就是掺入粉煤灰20%，掺入硅粉9%，掺入发泡剂1%。

表6 C因素综合平衡

4 结语

本文以装配式田间涵闸为例，通过试验法研究了在混凝土中添加粉煤灰、硅粉以及发泡剂的最佳配合比。通过9组正交试验方案，最终确定了掺入粉煤灰20%，掺入硅粉9%，掺入发泡剂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组试块，对试验结论进行检验，结果显示，采用该配合比的试块，与标准混凝土相比，容重降低约17.3%，抗压强度提升约18.1%，具有显著的工程应用价值。