乡村道路稻壳灰混凝土配合比优化

王苏芹 王绍良 王广胤

（沈阳工业大学建筑与土木工程学院，辽宁 沈阳 110870）

水泥混凝土路面是我国南方大部分乡村地区道路建设主要路面结构形式。为追求高弯拉强度，在施工中常一味增加水泥量，但这不仅加大了道路建设的成本，外在实际施工过程中发现混凝土流动度过大、胶砂富余过多，导致面层混凝土抗弯拉强度较低。研究发现，农业废弃物稻壳灰拥有与硅灰相媲美的火山灰活性，在水泥混凝土中掺入一定量的稻壳灰，能够一定程度地改善混凝土后期强度和耐久性。而稻壳灰水泥混凝土的组成材料和材料级配将直接影响乡村路面的使用寿命和经济性，所以进行稻壳灰水泥混凝土配合比设计是稻壳灰在乡村道路工程应用的关键环节。目前，水泥混凝土的配合比优化设计方法包括正交试验法、响应面法、LSSVM—GA模型等。

为减少乡村道路维修管理以及建设成本，稻壳灰水泥混凝土不仅要满足乡村道路规范要求的工作性、强度和耐久性能，还应具有一定的经济性。稻壳灰水泥混凝土的较普通水泥混凝土的优越性主要来源于两方面：一是降低水泥用量，减少建设成本；二是使用农业废弃物稻壳灰的再利用，大大降低了稻壳灰对环境、土壤和水源的污染。所以适用于乡村路面的稻壳灰水泥混凝土配合比优化设计具有重大意义。本文基于正交试验探讨了乡村稻壳灰水泥混凝土的粗骨料级配、砂率、水灰比、稻壳灰掺量对乡村道路混凝土性能研究，采用矩阵法对试验结果的进行分析，得出乡村稻壳灰水泥混凝土路面各评价指标随配合比组成的变化规律，意在为稻壳灰在道路工程实际应用中的配合比优化设计提供参考和 建议。

1 试验概况

1.1 试验方法及原理

水泥：普通硅酸盐水泥，28d抗折强度为7.5MPa。

稻壳灰：经过锅炉房燃烧后得到的稻壳灰，采用行星式球磨机研磨30min。

集料：细集料为河砂。粗集料为碎石，粒径4.75~19mm。集料特性均符合乡村道路施工要求。

减水剂：高效聚羧酸减水剂，减水率25%，液体，呈黄色透明。

水：普通自来水。

由于混凝土抗弯拉强度远低于抗压强度，所以道路混凝土在行车荷载作用下容易开裂出现断板。脆性系数是反映道路混凝土的脆性与变形性能的指标，其值为抗压强度与抗折强度之比，K越小，道路混凝土抵抗变形能力越好。其计算公式如下：

1.2 配合比及正交试验设计

1.2.1 基础配合比设计

在配合比设计计算时，结合乡村道路交通状况实际和相关规范规定，乡村道路交通等级为轻，水泥混凝土路面板的设计28d弯拉强度标准值应为4.0MPa。经过计算与试配，确定基础水灰比0.39，砂率34%，减水剂4%。

1.2.2 配合比正交试验设计

为探究稻壳灰混凝土在乡村道路中的应用，设计四因素三水平的正交试验方案。通过查阅文献和试配，初步确定水灰比的水平取值，结合稻壳灰的材料特性，确定了稻壳灰的掺量水平。粗骨料由4.75~9.5mm碎石与9.5~19.5mm碎石按比例混合，根据粒径4.75~9.5mm细骨料在粗集料中的占比情况（25%、35%、45%），构建了3种改进的粗骨料级配曲线。为突出改良的粗骨料级配的优点，砂率采取30%、32%、34%。将粗骨料级配、砂率、稻壳灰掺量（5%、10%、15%）和水灰比（0.35、0.39、0.43）4个因素分别记为A、B、C、D这4个因素，以抗弯拉强度、抗压强度、坍落度、脆性系数为指标，根据正交表进行方案设设计。正交试验结果如表1所示。

表1 正交试验结果

1.3 矩阵分析法

矩阵分析法可以定量、直观地表述多种要素之间的关系，优选过程客观，不受主观因素影响，分析结果可信度较高。它可以将各因素水平对指标的影响以权重的形式表现出来，确立影响因素的主次顺序和最优方案。矩阵分析法步骤如下。

（1）建立指标层矩阵：对于指标矩阵M，强度指标是正指标，试验结果越大越好，所以取各因素在各水平上试验指标的算术平均值为Kij=kij；脆性系数指标是逆指标，是越小越好，则取各因素在各水平上试验指标的算术平均值的倒数为Kij=1/kij。

式中，α为权矩阵个数。

2 试验结果与分析

2.1 极差分析

从现场试验来看，当未掺入减水剂时，由于稻壳灰的吸水性导致稻壳灰混凝土流动性很差；掺入一定量的减水剂，道路混凝土的坍落度增加，且9组的稻壳灰混凝土的坍落度差值很小，完全满足乡村道路规范要求，所以本次正交试验主要以强度和脆性系数为考察指标。对试验结果进行极差分析，最优配合比为A3B3C2D1。

2.2 矩阵分析

利用极差表，分别建立指标层、因素层、水平层矩阵，通过MATLAB软件计算各评价指标的权重矩阵和总权重矩阵，计算结果如表2所示。

表2 权重表

2.3 权重分析

2.3.1 抗弯拉强度

从权重值可以看出，水灰比和砂率是影响乡村路面混凝土抗弯拉强度的关键因素，其次是粗骨料级配，稻壳灰掺量对面层混凝土的抗弯拉强度影响最小；各个因素的水平的变化对道路混凝土的抗弯拉强度影响较小；相比较于普通水泥混凝土，乡村道路稻壳灰混凝土更能满足乡村道路对面层混凝土的抗弯拉强度要求。

2.3.2 抗压强度

各因素对乡村道路稻壳灰混凝土抗压强度的权重大小砂率＞水灰比＞稻壳灰掺量＞粗骨料级配。对于后期强度来说，粗骨料级配和稻壳灰掺量的变化对强度的影响较小，砂率与水灰比水平的变化是关键因素。与普通水泥混凝土不同的是，随着水灰比的增加，掺稻壳灰的乡村道路水泥混凝土的抗压强度先减小后增加。

2.3.3 脆性系数

对乡村道路稻壳灰混凝土变形影响最大的首先是砂率和水灰比，其次是粗骨料级配和稻壳灰掺量。稻壳灰掺量变化对脆性系数影响最小，其余3个因素的水平变化对脆性系数影响较大，其中砂率和水灰比变化影响最大。

2.4 配合比优化

各因素对掺稻壳灰的乡村道路稻壳灰混凝土的力学性能的综合权重：B。由此可知，在综合考虑各个评价指标时，应优先考虑砂和水灰比，其次是粗骨料级配，最后是稻壳灰掺量。综合考虑，最优配合比为4.75~9.5mm粗骨料占比25%，砂率为34，水灰比为0.43，稻壳灰掺量为15%进行制作试件，标准养护28天，测得掺稻壳灰的乡村道路混凝土28d抗弯拉强度为4.6MPa、抗压强度为37.3MPa，坍落度为10mm，试验结果满足城镇道路设计要求。

3 结语

（1）分析正交试验结果可得：在各试验因素的交互作用下，稻壳灰掺量对道路混凝土的坍落度影响最大。由于稻壳灰较强的吸水性，造成混凝土的工作性能大大降低，可以加入一定量的聚羧酸、高效减水剂以解决坍落度不足 问题。

（2）通过矩阵分析得出掺稻壳灰的乡村道路混凝土的最优配合比为4.75~9.5mm粗骨料占比25%，砂率为34%，水灰比为0.43，稻壳灰掺量为15%，按照此配合比制作试件标准养护28d，进行抗弯拉强度、抗压强度、坍落度试验，试验结果满足城镇道路设计要求。

（3）4个因素对掺稻壳灰的乡村道路混凝土力学性能综合影响的显著程度由高到低依次为砂率、水灰比、粗骨料级配和稻壳灰掺量。