配合比对粉煤灰陶粒混凝土强度影响的灰色关联分析研究

2023-09-02连慧慧

山西交通科技 2023年3期

关键词：砂率陶粒水灰比

连慧慧

（山西交通养护集团有限公司，山西太原 030006）

当前，我国正积极推进绿色装配式建筑墙体板材，其构成材料需满足轻质高强保温特性，陶粒混凝土成为最优选择[1]。受粗骨料陶粒自身力学特性影响，粉煤灰陶粒混凝土配合比中的不同因素对其力学性能的影响与普通混凝土有所区别[2]。

为了探究配合比中水灰比、水泥用量、砂率三因素对粉煤灰陶粒混凝土的力学性能的影响，本文通过制备粉煤灰陶粒混凝土，调整不同配合比参数进行力学性能测试，并通过灰色关联分析法确定各因素的重要性系数，分析其对抗压强度的影响规律。

1 试验材料及方案

1.1 原材料选择

1.1.1 水泥

试验用水泥为狮头牌P·O 42.5 型普通硅酸盐水泥，其主要性能如表1 所示。

表1 水泥性能参数表

1.1.2 砂

试验采用普通河砂，中砂；其筛分结果及性能参数如表2、表3 所示。

表2 试验用砂性能参数

表3 试验用砂筛分结果

1.1.3 陶粒

试验所用陶粒为采用回转窑烧结法制成，外形为均匀球体。

粉煤灰陶粒主要由粉煤灰烧结组成，且烧结过程处于常压，因此粉煤灰陶粒结构较为松散，其内部孔洞较多，表面较为致密[3]，如图1 所示，陶粒主要呈棕灰色圆球状，表面为烧结釉面层，质地坚硬致密，内部呈多孔蜂窝结构，基本性能如表4 所示。

图1 粉煤灰陶粒

表4 粉煤灰陶粒基本性能

1.1.4 减水剂

试验用减水剂为聚羧酸高效减水剂，其性能指标如表5 所示。

表5 减水剂性能指标

1.2 基础配合比

依据《轻骨料混凝土技术规程》（JGJ 51—2002）制备粉煤灰陶粒混凝土。基础试验配合比设计主要以满足工作性能为目的，并以合理用材为原则，设计采用松散体积法[4]。试验配合比如表6 所示。

表6 试验基础配合比

2 水灰比对陶粒混凝土强度影响试验

2.1 试块制备及测试

对不同水灰比下粉煤灰陶粒混凝土进行抗压试验，具体试验方案如表7 所示。

表7 水灰比对粉煤灰陶粒混凝土强度影响试验表

2.2 试验结果及分析

不同水灰比下，各龄期粉煤灰陶粒混凝土的抗压强度试验结果如表8、图2 所示。

图2 不同水灰比下粉煤灰陶粒混凝土抗压强度

表8 不同水灰比下粉煤灰陶粒混凝土抗压强度单位：MPa

分析图2 可以看出，不同龄期下各个水灰比强度增长规律较为相似，A-1 组，其3 d 与7 d 龄期抗压强度分别占28 d 龄期最终抗压强度的53.5%、76.0%。A-2组其3 d 与7 d 龄期抗压强度分别占28 d 龄期最终抗压强度的53.5%、76.5%。A-3 组其3 d 与7 d 龄期抗压强度分别占28 d 龄期最终抗压强度的54.8%、79.8%。由上述数据可以得出，采用图2 所示的水灰比进行试验时，粉煤灰陶粒混凝土抗压强度的增长规律为：3 d 强度为28 d 强度的50%～55%，7 d 强度增长为28 d 强度的70%～80%。

对比普通混凝土，其3 d 龄期强度一般为28 d 龄期强度的50%，7 d 龄期的强度一般为28 d 龄期强度的60%。由此发现，在混凝土龄期较短时，陶粒混凝土的强度增长速度与普通混凝土较为接近，在3～7 d 龄期时，陶粒混凝土的强度增长更快，这是由于陶粒的微泵现象约在3 d左右开始出现，受微泵的作用返水养护，界面过渡区强度迅速增长，破坏面逐渐转变为粗骨料陶粒[5]；7～28 d 龄期时，相比于普通混凝土，陶粒混凝土强度增长变慢，这是因为陶粒相较于石子强度更低，其作为薄弱面首先开裂，由于短板效应，水泥强度的增长已不能再提升陶粒混凝土的抗压强度[6]。对于陶粒混凝土，降低其水灰比会导致粗骨料陶粒提前开裂，并加重混凝土的干缩现象，使混凝土在较早龄期时出现开裂。因此在粉煤灰陶粒混凝土的配合比设计中，难以通过调整水灰比的方式来增强陶粒混凝土的抗压强度。

3 水泥及砂率对陶粒混凝土强度的影响

3.1 试验方案

在探究水泥及砂率对粉煤灰陶粒混凝土强度的影响时，试验的砂率区间取0.35～0.45，水泥区间为400～500 kg，分别按梯度调整砂率及水泥用量，具体试验方案如表9 所示。

表9 水泥及砂率对混凝土强度影响试验表

3.2 立方体抗压强度性能

分别对不同水泥及砂率作用下的粉煤灰陶粒混凝土进行抗压强度试验，试验结果如表10 所示。

表10 不同水泥及砂率作用下陶粒混凝土抗压强度单位：MPa

3.3 灰色关联分析

在粉煤灰陶粒混凝土中，水泥与砂均作为配合比中的关键部分，两者相关性类似，该研究选用灰色关联法分析其重要性占比。灰色关联分析是根据体系内各因素之间发展趋势的相似或相异程度，作为衡量因素间关联程度的一种方法，具体计算过程如下。

3.3.1 确定数据序列

在表10 所示各试验组数据中，以抗压强度作为母数据序列，以不同水泥用量和砂率为子序列，如式（1）、式（2）所示：

母序列：

子序列：

式中：Yi为i天龄期时陶粒混凝土强度组成的数据序列；X1为砂率；X2为水泥用量。

3.3.2 去量纲化

为了避免代表两种不同物理意义的序列数据直接进行比较而出现误差，进行去量纲化处理，处理后试验数据如式（3）、式（4）所示：

3.3.3 建立差异矩阵

计算S中比较数列与参考数列的绝对差值并建立差异矩阵Δb，以表示数据序列间的离散关系，计算公式如式（5）～式（7）所示：

3.3.4 求解关联度ξi

ξi(k)用于表征矩阵中对应因素的差值，可按式（8）计算：

式中：ρ∈[0,1]为分辨系数，取ρ= 0.5。

通过式（8）计算出的ξi(k)反映了不同条件下母数据序列与子数据序列的离散程度，用均值γ表示上述两个序列间的整体关联度，如式（9）：

3.4 灰色关联分析结论

不同龄期下粉煤灰陶粒混凝土抗压强度与各灰色关联因素的相关度如图3 所示。

图3 各关联因素分析结果

由灰色关联度计算结果可知，两种抗压强度影响因子中，水泥用量对粉煤灰陶粒混凝土抗压强度的影响普遍高于砂率对强度的影响。砂率与强度的关联度在3 d、7 d、28 d 时依次为0.13、0.16、0.12，整体呈现先增后减的趋势，与陶粒微泵作用的表现规律基本一致；水泥用量与强度的关联度为0.19，0.17，0.13，数值结果逐渐下降，最终与砂率保持相同。

3.4.1 水泥用量关联度

如图4 所示，由于粉煤灰陶粒混凝土由粗骨料、细骨料、胶凝材料构成，其中，水泥包裹细骨料、水泥砂浆包裹粗骨料均存在一定的厚度上限。

图4 混凝土结构图

对于陶粒混凝土，前期水泥砂浆强度低于粗骨料，其强度对陶粒混凝土抗压强度影响极大，体现在关联度上即水泥用量与强度的关联度大于砂率与水泥用量的关联度。随着龄期增长，水泥基体和界面过渡区强度提高，破坏面转为陶粒，水泥用量与抗压强度的关联性逐渐降低。

3.4.2 砂率关联度

由于砂在陶粒混凝土中作为骨架起到了填充大孔隙的作用，在龄期较早时，陶粒混凝土抗压强度主要受水泥基体强度影响，破坏的原因大多为水泥强度较低，当粉煤灰陶粒混凝土龄期达到7 d 时，水泥在水化作用下已经具备了一定的强度，粉煤灰陶粒成为薄弱面，相关性因而减小。

3.5 试验结论及分析

水泥用量作为基准，分析不同水泥用量下，粉煤灰陶粒混凝土强度随砂率的变化，变化曲线如图5 所示。

图5 粉煤灰陶粒混凝土强度随砂率的变化

分析图5，当陶粒混凝土的水泥用量为400 kg/m3时，其抗压强度随砂率增加而增加，这是由于混凝土中骨料与水泥接触的表面积随砂率增加而增大，水泥浆体包裹的面积增加，强度也随之增加；450 kg/m3用量下，混凝土强度在45.48 MPa～54.78 MPa 波动，整体随着砂率增加而变大，整体强度相比水泥用量为400 kg/m3时更高，这是由于水泥浆增加且水灰比保持不变，混凝土的流动性增大，其结构较为松散，黏聚性变差，强度降低；在水泥用量500 kg/m3时，混凝土的强度随砂率的增加进一步减小，整体抗压强度随之降低。同时，砂率的增大使得陶粒减少，陶粒的微泵作用减轻，混凝土内气孔增多，试件的强度降低[8]。

抗压强度数据拟合公式如式（10）～式（12）所示：

式中：fcu,k为立方体抗压强度标准值；βs为砂率。

综上所述，水泥用量和砂率两种因素均会对粉煤灰陶粒混凝土的强度造成影响。其中，水泥用量对强度的影响更为明显，最佳的水泥用量为400～450 kg/m3，此时最佳砂率为0.45。