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1、1大掺量粉煤灰混凝土配合比设计正交试验研究摘要：采用正交试验方法对大掺量粉煤灰混凝土配合比进行试验研究，在此基 础上提出大掺量粉煤灰混凝土配合比设计方法，并，讨论了水泥品种，水胶比， 胶凝材料用量和粉煤灰掺量对其 28d 强度的影响。结果表明，正交试验方法可 以应用到大掺量粉煤灰配合比设计试验中；在 4 个因素中，粉煤灰掺量对混凝 土强度的影响最大。 关键词：粉煤灰混凝土、配合比设计、正交试验混凝土是世界上最主要的建筑材料。但是，混凝土中的重要组成之一水泥 的生产不仅消耗大量能源和资源，同时还释放大量有害气体。所以寻求一种可 以替代水泥的材料是混凝土工业可持续发展的必由之路，粉煤灰是一种可以经
2、 济有效地替代水泥的胶凝材料。 1 大掺量粉煤灰混凝土配合比设计 1.1大掺量粉煤灰混凝土主要特点 (1)更多地节约水泥和处理电厂废弃物，可节能、节约资源和改善温室效应。(2)降低混凝土材料成本。 (3)降低混凝土水化热。 (4)提高混凝土抗渗性、抗氯离子渗透和化学腐蚀及碱集料反应的能力。 (5)早期强度相对较低。 (6)抗盐冻剥蚀性能差。 1.2 大掺量粉煤灰混凝土的配制措施采取的技术路线：硅酸盐水泥+粉煤灰+高效减水剂，采用常规混凝土搅拌和 成型方法。 (1)选择高标号硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥。硅酸盐水泥和普通硅酸盐水 泥中以熟料为主，除石膏外掺人其他混合料较少和没有，则其性能稳定，不会
3、 由于水泥的因素引起混凝土性能的波动。另外，水泥强度越高，有利于提高水 泥石的强度，最终达到提高混凝土强度的目的。 (2)选择水胶比。低水胶比是高性能混凝土的配置特点之一，而高强混凝土 更是要求低水胶比。水胶比的变化对大掺量粉煤灰混凝土的强度是非常敏感的， 为达到混凝土的低渗透性以保证其耐久性，无论设计强度是多少，配置高性能 混凝土的水胶比一般都不能大于040，以保证混凝土的密实。粉煤灰混凝土的 早期强度低，特别是粉煤灰的掺量较大时，混凝土水胶比的选择都较高，难以 避免粉煤灰混凝土早期强度降低。 (3)提高胶凝材料的总用量。混凝土必须要有足够的浆体溶度和数量，得到 良好的工作性能，才能保证混凝
4、土的耐久性。而当胶凝材料总用量一定时，降 低水胶比实际上就是降低了混凝土的用水量，会使混凝土流动性受到较大影响， 为保证混凝土拌和物具有足够的流动性，在低水胶比条件下，需要适当提高胶 凝材料用量，以此来保证混凝土的用水量。 (4)粗集料采用分级级配以及选择较小的最大粒径，粗集料的最大粒径小于 普通混凝土使用的粗集料，因为最大粒径较小，则集料与水泥浆的界面应力差 也较小，应力差可能会引起微裂缝；另外，较小的集料颗粒强度比大颗粒强度2高，因为岩石破碎时消除了控制强度的最大裂缝。为了减小粗集料的空隙率， 粗集料的级配采用分级级配。 (5)细集料尽量选择偏大一些的细度摸数。 (6)对粉煤灰进行改性处理
5、。尽管粉煤灰是一种火山灰活性混合料，但粉煤 灰的活性在矿物掺合料中是属于偏低的一类，又因原状粉煤灰的质量、颗粒的 不均匀性也会降低粉煤灰的各种性能，如果对原状粉煤灰不进行改性以及活性 激发的处理，那么粉煤灰所赋予混凝土的优越性则不能表现出来。对粉煤灰进 行细磨可以改善粉煤灰的性能，细磨时间为2 h；另外，在众多激发粉煤灰活性 的方法中，采用硫酸盐激发剂效果最好，所以要把粉煤灰和激发剂一起细磨。 1.3大掺量粉煤灰混凝土配合比设计步骤 1.31按经济条件确定灰胶比K式中：B：所用粉煤灰的胶凝系数； F：单位粉煤灰用量； C：单位水泥用量； K：灰胶比。 1.32确定单位用水量W式中：T：坍落度
6、j：综合减水因子 1.33确定水胶比1.34确定单位水泥用量C和单位粉煤灰用量F31.35确定砂率SP和集灰比N3.16确定单位用砂量S和单位用石量G大掺量粉煤灰混凝土，由于具有早期水化活性较低，水化热较小，放热速 率缓慢，经济效益显著等优点，被广泛应用到大体积混凝土结构中，例如高层 建筑物 底板、桥梁承台、水库大坝等。这类混凝土的配合比设计一直没有普遍认可的 设计标准或方法，研究人员只是通过各自的试验研究得出一些探索性的经验成 果并且多采用平行试验的方法，试验任务相当繁琐，这变相地限制了这类混凝 土的推广应用。正交试验法具有“均衡分散性”和“综合可比性”的特点， 是研究和处理多因素试验的一种
7、科学方法，按该方法进行混凝土配合比试验，4其结果能客观地反映制配规律，较方便地进行配合比优化；利用正交试验设计 表安排试验，还能避免盲目性的试验，大幅减少试验次数、缩短研制时间。目 前国内外研究人员在混凝土的配合比设计中已逐渐运用正交设计的方法 J。本 文利用正交设计方法，以混凝土抗压强度为指标，对大掺量粉煤灰混凝土的配 合比设计试验结果进行正交分析，从而得到最优试验方案。 2 正交试验设计 2.1原材料与试验方法 原材料包括：冀东P0325、P0425、P$325水泥；粗骨料为5 mm 一25 mill蓟县碎石，细骨料为迁安河砂和蓟县机制砂掺配，比例为2：8；选用 军电级粉煤灰；高效复合减水
8、剂；自来水。采用立方体试模100 mm100 nlm100 mm成型，试块浇注完毕后24 h拆模，随即放入标养室进行标养，到龄 期后测试其强度。 2.2影响因素及水平选择 考虑到砂率(O43)相对于本次试验所用原材料的稳定性，故只选择水泥品 种(A)、水胶比(B)、胶凝材料的用量(C)及粉煤灰掺量(D)4项内容作为这次正交 设计试验的影响因素，每个因素各制定3个水平，其因素与水平表见表1。试验 目标是混凝土28 d立方体抗压强度。根据表1制定的4个因素3个水平的情况，选 择正交设计表进行试验，正交设计试验见表2。 52.3 极差分析结果与讨论 对28 d抗压强度结果进行极差分析，考核水泥品种、
9、水胶比、胶凝材料的 用量及粉煤灰掺量对大掺量粉煤灰混凝土强度指标的影响程度及最佳组合。结 果见 表3和图1。通过上述分析可以得出： (1)从直观角度看，5号的28 d抗压强度最高，为491MPa，其试验条件是 A：B：C，D。，而从趋势图中可以看出，最好的组合则是D。A：C，B。 (2)通过极差计算，可以看出在各个因素中，影响混凝土28 d抗压强度的主 次顺序是：粉煤灰掺量(D)水泥品种(A)胶凝材料用量(C)水胶比(B)，它们间 的最佳组合是D A C B ；与直观角度(D A C B )对比，主要区别在于水胶比(B) 和胶凝材料用量(C)，由于B和c均属于次要因素，所以为了节约原料，降低成
10、本 宜选用c。和B，。因此无须再次试验验证即可得出最佳组合为D A：C。B。，即 水泥品种为P0425，水胶比04，胶凝材料用量为400 kgm ，粉煤灰掺量 为35。这也说明了粉煤灰是影响大掺量粉煤灰混凝土强度的主要因素，即随 着粉煤灰掺量的增加，混凝土的强度呈下降趋势。672.4 方差分析结果及讨论 由于极差法并不能将由试验条件的改变引起的数据波动和由试验误差引起 的数据波动区分开来l3，因此本文引入方差分析来处理试验结果，并对处理结 果进行讨论。方差分析结果见表4。2.5 结论 (1)将正交设计方法引人大掺量粉煤灰配合比设计试验中不仅可以减少试验 量，而且还可以直观地对数据进行分析和讨论
11、。(2)通过正交分析可以发现，粉 煤灰掺量是影响大掺量粉煤灰混凝土强度的主要因素，其次是水泥品种、胶凝 材料用量和水胶比。8参考文献 (1)DLT51442o01水工混凝土施工规范s】北京：中国电力出版 社2002 (2)GBT504762008(ggt&结构耐久性设计规范【s】中华人民共和国住 房和城乡建设部、中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局20081卜12联合 发布20090501实施 (3)冯乃谦新使用混凝土大全【MJ，北京：科学出版社，2005：577582 (4)混凝土新技术M】【意】M撕o CoUepardi著，刘数华，冷发光，李丽华译 一北京：中国建材工业出版社，20089：184195 (5)王毅掺粉煤灰水工混凝土配合比的设计方法浅析卟陕西水利2010(4) 7779 (6)梁艳萍浅析面板混凝土配合比试验的注意事项卟陕西水利2010(5)： 7577 (7) 栾军现代试验设计优化方法M上海，上海交通大学出版社，1994 (8) 何世钦，王海超高性能混凝土配合比设计的正交试验研究J工业建筑： 2003，33(8)：8一l0 (9) 蔡正咏，王足献正交设计在混凝土中的应用M北京：中国建筑工业出 版社，1985
