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高强粉煤灰陶粒混凝土配合比设计及性能研究 返回列表页>>
发布时间:2018-07-02

【摘要】 高强粉煤灰陶粒混凝土具有密度小、抗压强度高等优点,但是由于脆性过大,限制了其在工程中的应用。为了解决这个问题,试验采用正交设计方法,对试验结果进行极差、方差分析得出了最优配合比。在最优配合比的基础上掺入不同量的钢纤维,研究钢纤维对高强粉煤灰陶粒混凝土的抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度力学性能的影响。结果表明钢纤维的掺入能够明显提高粉煤灰陶粒混凝土的拉压比,改善高强粉煤灰陶粒混凝土的脆性。

 

0引言

粉煤灰陶粒混凝土是用粉煤灰陶粒替代普通粗骨料,配制而成的一种表观密度小于1950kg/m3的高性能混凝土[1]。由于粉煤灰陶粒内部具有独特的孔隙结构,使得配制出的混凝土与普通混凝土相比具有容重小、抗压强度高、保温效果好等独特优点,是一种在结构工程应用中具有广阔前景的新型建筑材料[2]。但是粉煤灰陶粒混凝土作为一种脆性材料,拉压比要小于相同等级的普通混凝土,且随着抗压强度的提高,其脆性问题明显影响了其在大型结构工程中的应用[3-6]。为了解决这一问题,工程中通常在混凝土中掺入乱向分布的短钢纤维这些乱向分布的钢纤维能够有效地阻碍混凝土内部微裂缝的扩展及宏观裂缝的形成,显著改善了混凝土的抗拉、抗弯、抗冲击及抗疲劳性能[7-10]。目前国内对钢纤维增强高强粉煤灰陶粒混凝土的研究还比较少,本试验按照正交试验设计方法进行了大量试验,对试验结果进行极差、方差分析得出了最优配合比。在最优配合比的基础上,配制不同钢纤维体积掺量的高强粉煤灰陶粒混凝土,并对混凝土的基本力学性能进行试验,为今后在工程中大范围应用提供参考。

1 主要原材料及试验方法

1.1 主要原材料

水泥:宁夏赛马实业股份有限企业的赛马牌早强硅酸盐水泥(P.O.42.5R),符合国家标准GB/T1346-1999;粉煤灰:西夏热电厂的Ⅰ级,符合国家标准GB/1596-2005。轻骨料:宁夏宁东粉煤灰陶粒,具体性能指标见表1。机制砂:镇北堡中砂,细度模数2.78、含泥量2.1%、松散堆积密度1557;减水剂:高效聚羧酸减水剂,减水率25%;水:饮用自来水。

钢纤维几何参数:长度为32mm,直径为0.64mm,长径比为50

 

粉煤灰陶粒主要物理性能

Table 1 Principal physical performance of fly ash Ceramsite

检验项目

颗粒级配

/mm

堆积密度

/kg/m3

筒压强度

/MPa

吸水率

/%

软化系数

粒型系数

检验结果

5~20

1080

8.5

11

1.0

1.2

评定结果

合格

1100

6.5

15

0.8

1.6

1.2 试验方法

1.2.1 试件制作、养护

粉煤灰陶粒混凝土采用120L强制式搅拌机搅拌,陶粒经过24小时预湿处理。配制过程按照《轻骨料混凝土技术规程》(JGJ51-2002)进行;试件24小时成型后拆模,然后在水池中湿养护,28d取出。

1.2.2 试件尺寸

抗压强度试验:100mm×100mm×100mm

抗折强度试验:100mm×100mm×400mm

劈裂抗拉强度试验:100mm×100mm×100mm

1.2.3 试验设备

1)抗压强度:采用2000KN压力试验机。

fcu=F/A

式中:F—极限荷载/N

—受压面积/mm2

2)抗折强度:采用SYE-300型抗折压力试验机。

ff=FL/bh2

式中:F—试件的破坏载荷/N

L—支座间的跨度/mm

h—试件截面的高度尺寸/mm

b—试件的截面宽度尺寸/mm

3)劈裂抗拉强度:采用2000kN压力试验机。

fts=2F/πA=0.637F/A

式中:F—试件的破坏载荷/N

A—试件的劈裂面面积/mm

抗压强度实测值乘以0.95折算;抗折强度和劈裂抗拉强度实测值乘以0.85折算。

正交配合比设计

本试验共分两个阶段,第一阶段确定最优配合比。根据《轻骨料混凝土技术规程》(JGJ51-2002)中配合比计算方法,采用松散体积法,在查阅大量文献的基础上,选择了5因素:水灰比(W/C)A)、每立方米水泥用量(B)、粉煤灰掺量(C)、硅灰掺量(D)、陶粒(E),每个因素的水平各为3个,具体值见表2。再根据因素和水平选用L18(37)作为该试验考察强度指标的正交表,材料用量如表3所示。对正交试验结果进行极差和方差分析,选出粉煤灰陶粒混凝土的最优配合比;第二阶段在最优配合比的基础上掺加钢纤维,考察钢纤维的体积掺量对粉煤灰陶粒混凝土的抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度的影响

 

因素水平表

Table 2 Factors and levels

水平

因 素

W/C

A

水泥/kg/m3

B

粉煤灰掺量/%

C

硅灰掺量/%

D

陶粒/kg/m3

E

1

0.26

460

10

5

540

2

0.28

480

15

10

560

3

0.30

500

20

15

580

 

粉煤灰陶粒混凝土L18(37)正交试验表

Table 3 L18(37orthogonal test table of fly ash ceramsite concrete

编号

A

B

C

D

E

空白列

空白列

抗压强度/MPa

1

10.26

1460

110%

15% 

1540

1

1

44.03

2

10.26

2480

215%

210%

2560

2

2

41.74

3

10.26

3500

320%

315%

3580

3

3

41.40

4

20.28

1460

110%

210%

2560

3

3

42.48

5

20.28

2480

215%

315%

3580

1

1

36.69

6

20.28

3500

320%

15% 

1540

2

2

37.96

7

30.30

1460

215%

15% 

3580

2

3

35.81

8

30.30

2480

320%

210%

1540

3

1

42.31

9

30.30

3500

110%

315%

2560

1

2

42.78

10

10.26

1460

320%

315%

2560

2

1

43.66

11

10.26

2480

110%

15% 

3580

3

2

43.29

12

10.26

3500

215%

210%

1540

1

3

46.63

13

20.28

1460

215%

315%

1540

3

2

40.15

14

20.28

2480

320%

15% 

2560

1

3

38.61

15

20.28

3500

110%

210%

3580

2

1

41.05

16

30.30

1460

320%

210%

3580

1

2

39.31

17

30.30

2480

110%

315%

1540

2

3

46.19

18

30.30

3500

215%

15% 

2560

3

1

37.77

 

3试验结果及比较分析

3.1第一阶段试验结果及分析

通过18组正交试验研究了五个因素对粉煤灰陶粒混凝土抗压强度的影响,正交试验的结果见表3在正交试验中极差R的大小用来衡量因素对试验指标的影响大小。极差大的因素,说明它的水平变化对指标的影响大,通常是重要指标;而极差小的因素,则是不重要的因素。从表4的分析结果可以得出:因素影响的大小顺序为A>C>E>D>B,所以影响抗压强度因素的主次顺序为:水灰比、粉煤灰掺量、陶粒用量、硅灰掺量、水泥用量。虽然极差分析方法简单、直观,但该方法没有把因素水平的改变所引起的抗压强度的波动与由试验误差所引起的实验结果的抗压强度的波动区分开,也没有提供判断因素的作用对试验结果的影响是否显著地标准。所以再对试验数据进行方差分析,结果如表5所示。因素水胶比、粉煤灰、陶粒用量都对混凝土28d抗压强度有显著性影响。由以上分析可得方差分析得到的显著性大小顺序与极差分析的结果一致,据此选出的配合比最优组合为A1C1E1D2B2

 

粉煤灰陶粒混凝土抗压强度极差分析

Table 4 Range analysis of the compressive strength of fly ash ceramsite concrete

指 标

W/C

水泥

/kg/m3

粉煤灰掺量

/%

硅灰掺量

/%

陶粒

/kg/m3

空白列

空白列

K1

260.75

245.44

259.82

237.47

257.27

248.05

245.51

K2

236.94

248.83

238.79

253.52

247.04

246.41

245.23

K3

244.17

247.59

243.25

250.87

237.55

247.4

251.12

K——1

43.46

40.91

43.30

39.58

42.88

41.34

40.92

K——2

39.49

41.47

39.79

42.25

41.17

41.07

40.87

K——3

40.69

41.27

40.54

41.82

39.59

41.23

41.85

R

3.97

0.56

3.51

2.24

3.29

0.27

0.93

主→次

1

6

2

4

3

7

5

优化方案

A1C1E1D2B2

 

5粉煤灰陶粒混凝土抗压强度方差分析

Table 5 Variance analysis of compressive strength of fly ash ceramsite concrete

方差来源

偏差平方和S

自由度f

均方和S——

F

显著性

F临界值

A

49.75

2

24.87

17.13

**

F0.99(26)=10.9

B

0.97

2

0.48

   

F0.95(26)=5.14

C

41.01

2

20.50

14.15

**

F0.90(26)=3.46

D

24.66

2

12.33

8.49

*

 

E

32.49

2

16.24

11.18

**

 

误差e

3.88

4

0.97

     

e

4.85

6

0.81

     

 

3.2 第二阶段试验结果及分析

在正交试验确定出粉煤灰陶粒混凝土最优配合比的基础上,大家保持配合比和钢纤维几何参数不变改变钢纤维体积率02.5%对混凝土进行立方体抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度的力学性能试验,试验结果如表6所示。表6的试验结果表明,掺加钢纤维总体上可以提高粉煤灰陶粒混凝土的抗压强度、抗折强度和劈裂抗拉强度,钢纤维对强度的增强作用依次是劈裂抗拉强度>抗折强度>抗压强度。

 

钢纤维粉煤灰陶粒混凝土力学性能试验结果

Table 6 Test results of steel fiber fly ash ceramsite concrete

 

 

/kg

/%

 

/%

 

/kg/m3

/%

抗压强度 fcu/MPa

抗折强度 ff/MPa

劈裂抗拉强度fts/MPa

7d

28d

7d

28d

7d

28d

1

480

10

10

540

0

41.57

50.13

4.73

5.27

3.72

3.74

2

480

10

10

540

0.5

43.42

51.24

5.25

6.04

3.49

3.95

3

480

10

10

540

1

45.68

53.16

5.40

6.55

4.41

4.78

4

480

10

10

540

1.5

46.11

55.28

6.01

7.34

5.18

5.22

5

480

10

10

540

2

44.24

54.97

5.36

6.23

4.34

4.47

6

480

10

10

540

2.5

44.32

52.71

4.89

5.91

3.75

4.11

 

3.2.1 钢纤维对抗压强度的增强效果分析

钢纤维增强粉煤灰陶粒混凝土抗压强度效果如图1所示。

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