干硬性混凝土配合比优化及其性能研究

引言混凝土是工程中应用最广泛、用量最大的建筑材料之一，随着当代混凝土技术的不断创新，工程规模的不断扩大，材料的种类和工艺水平也日益提升。为满足生产需要，加快施工进程，节约成本和资源，干硬性混凝土得到了广泛应用[1]。强度是混凝土最重要的力学性能指标，直接影响混凝土结构的设计和施工等，一直以来，较高的混凝土强度是行业追求的目标[2]。目前工程中的多个领域已广泛应用了干硬性混凝土，但是对干硬性混凝土的研究尚不完善。路面裂缝主要由混凝土的收缩及混凝土面板的主体结构荷载破坏而引起，然而，引起混凝土路面裂缝主要是施工时混凝土水灰比、坍落度大而引起[3-4]。本文通过试验对干硬性混凝土配合比设计及施工方式进行改善，对干硬性混凝土力学性能及抗开裂、抗冻性能等进行探究，通过不断的试验改进以及探索将干硬性混凝土的优势和潜力激发出来[5-6]。

1、试验部分

1.1原材料金隅冀东产P·O42.5普通硅酸盐水泥。唐山博全实业产骨料，其中，石料为5～10mm连续级配，砂为II级中砂，细度模数2.82。选用原材料时需要注意以下事项：（1）不能掺加粉煤灰或者矿渣粉，尤其是粉煤灰，以免起毛；（2）保证混凝土的出机坍落度在40mm左右，入模坍落度10～30mm，运输时间控制在30min以内，可采用自卸汽车，每车运7～8m3；（3）为保证混凝土的拌合均匀性，混凝土总拌合时间不应少于90s，每盘料的搅拌时间要符合规范要求，且不应超过3min；（4）混凝土拌合站检查混合料的质量，无明显离析，色泽一致，无灰团、凝结现象，呈粘塑状。

1.2试验仪器试验主要仪器有：SJD60混凝土搅拌机、HZJ-1振动台、WYA-2000抗压试验机、KZJ-500抗折试验机、LT2002电子天平、KDR-16S快速冻融箱。

1.3试验方法为了确定干硬性混凝土最优配比，采用正交试验[7-9]来确定，选取砂胶比（2.0、2.2、2.4）、水胶比（0.35、0.40、0.45）、砂率（35%、40%、45%）三因素，设计三因素三水平正交试验表，见表1、表2。

表1

配合比设计表2

正交表设计方案根据试验配合比称量所需试验材料，将石子、砂子、水泥依次倒入搅拌机中，搅拌1min，使之混合均匀。水的加入量根据工作性需要确定，将称量好的自来水缓慢加入搅拌机中，直至混凝土拌合物满足工作性要求。将制备好的混凝土装入设计的专用模具（抗压强度测量所需100mm×100mm×100mm无顶模块以及抗折强度所需混凝土条状模块）中，然后将专用模具置于振动台振动加压，振动完毕后24h拆模，取出试件并移入标准养护室进行养护。养护至相应龄期，取出并置于相应养护条件下。制备好的干硬性混凝土观察测量其流动性以及坍落度，记录并整理。针对不同配比干硬性混凝土试样进行流动性能、力学性能测试，确定最优试验组，并针对其抗裂、抗冻性能进行测试。

1.3.1流动性能测试按照GB/T2419—2016《水泥胶砂流动度测试方法》测试混凝土坍落度。

1.3.2力学性能测试按照GB/T50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》对养护至3d、7d、28d龄期的模块测定其抗压强度。试验选用混凝土压力试验机，加载速度由混凝土的设计强度决定。测得的强度值应乘以系数的0.95进行尺寸换算。

1.3.3抗裂性能测试按照JCT951—2005《水泥砂浆抗裂性能试验方法》、GB/T50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行。矩形板式试件几何尺寸为800mm×600mm×100mm，在温度（20±3）℃、相对湿度（60±5）%的室内成型并使用3台风扇按规定方法和时间进行吹风，测量试件表面裂缝宽度及相应的长度。

1.3.4抗冻融循环性能测试本研究主要利用快速冻融法对干硬性混凝土抗冻性进行试验，以相对动弹模量和质量损失作为评价指标，在对试验数据进行了数理统计分析的基础上，分别研究干硬性混凝土抗冻性。依据GB/T50082—2009中混凝土抗冻试验（快冻法）进行，因干硬性混凝土成型方式不同的原因，采用尺寸为100mm×100mm×100mm的试件。冻融试件饱水4d，3个为1组进行冻融试验；吸水饱和后将试件取出并擦去表面水分，测试初始质量和初始声波声速值；测试完毕后将试件放回冻融箱，按冻融介质要求，在塑料面套筒内注入自来水；冻融循环次数达到设定次数后，取出擦干表面水分，再次测定冻融后的质量和声波声速，测试完毕重新放入冻融箱并注入自来水，继续试验循环。

其中，力学性能及抗冻融循环性能试验中，均取3个试件的平均值为最终值，若最大值或最小值与中间值相差15%，取中间值作为最终结果；若最大值与最小值均超过中间值的15%，此组数值无效，需进行重新测定。2、结果与讨论

2.1流动性能测试结果混凝土试件的坍落度及极差分析结果见表3。按要求，混凝土坍落度需控制在30～40mm之间，且接近40mm。由表3可知影响坍落度的主要因素是水胶比，水胶比越大，坍落度越大；其次是砂率；影响最弱的因素是砂胶比。最优配比选用A2B2C2（砂胶比2.2、水胶比0.40、砂率40%）。表3

混凝土坍落度结果及极差分析2.2力学性能测试结果混凝土试件养护3d、28d的抗压、抗折强度结果及极差分析见表4，极差分析柱状图如图1所示。表4

混凝土抗压强度结果及极差分析图1

混凝土3d、28d极差柱状图按要求，混凝土3d强度需高于20MPa。由表4、图1可知，影响混凝土3d强度的主要因素是水胶比，水胶比越大，强度越低；其次是砂率；影响最弱的因素是砂胶比。其中砂胶比与砂率的作用相当，都非常弱。最优配比为：A2B1C2（砂胶比2.2、水胶比0.35、砂率40%）。按要求，混凝土28d强度需高于32MPa。由表4、图1可知，影响混凝土28d强度的主要因素是水胶比，水胶比越大，强度越低；其次是砂胶比；影响最弱的因素是砂率。其中砂胶比与砂率的作用相当，都非常弱。最优配比选用：A3B2C2（砂胶比2.4、水胶比0.40、砂率40%）。综上所述，影响干硬性混凝土流动性、抗压强度的主要因素是水胶比，最优水胶比为0.4；砂率对坍落度的性能影响较大，但是对于3d、28d抗压强度和砂胶比的影响效果相当，都非常弱。通过重复试验，选取砂胶比2.2、水胶比0.40、砂率40%为最优配比。

2.3抗开裂性能测试结果利用C30干硬性混凝土与普通C30混凝土进行对比，具体配合比见表5。由表5可知，干硬性混凝土的抗开裂性能明显优于普通C30混凝土。

表5

混凝土配合比及抗裂性能测试结果2.4抗冻性能测试利用C30干硬性混凝土与普通C30混凝土进行对比，试验结果见表6。由表6可知，干硬性混凝土的抗冻融性能明显优于普通C30混凝土。

结论

（1）影响干硬性混凝土流动性、抗压强度的主要因素是水胶比；砂率