双掺粉煤灰-陶粒泵送混凝土力学性能研究_杨得源.pdf

工程建设Engineering Construction第 55 卷第 2 期2023 年 2 月收稿日期:2022 09 16基金项目:山西大同大学研究生教育创新项目(21CX33)作者简介:杨得源(1996)，硕士研究生，从事混凝土力学性能研究。双掺粉煤灰 陶粒泵送混凝土力学性能研究杨得源1a，何晓升2b，武佳瑞1a(山西大同大学 a.煤炭工程学院;b.建筑与测绘工程学院，山西 大同 037003)摘要:为提高粉煤灰和陶粒的利用率，达到节约资源、保护环境的目的，本文通过控制粉煤灰和陶粒的掺量，以密度、坍落度、混凝土抗压强度等参数作对比设计正交试验，对粉煤灰 陶粒双掺混凝土的力学性能进行研究。通过对试验结果进行极差分析，找出影响双掺混凝土的主次因素，作为 BP 神经网络的输入，预测混凝土的抗压强度，与实际值进行对比分析。结果表明:当粉煤灰掺量为 12%，陶粒掺量在 36%时，混凝土力学性能最佳，满足泵送要求;实测值和预测值的误差不超过 2%，有很高的预测精度。上述结论可作为开发利用粉煤灰 陶粒混凝土的依据。关键词:粉煤灰;陶粒混凝土;泵送混凝土;坍落度;抗压强度;正交试验中图分类号:TU502+.6文献标识码:A文章编号:1673 8993(2023)02 0008 07doi:10.13402/j.gcjs.2023.02.016Study on mechanical properties of pumpcrete codopedwith fly ash and ceramsiteYANG Deyuan1a，HE Xiaosheng1b，WU Jiarui1a(Shanxi Datong University，a.Coal Engineering School;b.Architecture andsurveying Engineering School，Datong 037009，Shanxi，China)Abstract:In order to improve the utilization rate of fly ash and ceramsite，and to save resources and protectenvironment，in this paper，by controlling the content of fly ash and ceramsite，the orthogonal experiment is designed tocompare the density，slump，concrete compressive strength and other parameters，so as to study the mechanicalproperties of fly ash-ceramsitecodoped concrete.Through the range analysis of the experimental results，the primaryand secondary factors affecting the codoped concrete are found out as the input of BP neural network，then thecompressive strength of concrete is predicted and compared with the actual value.The results show that when the flyash content is 12%and the ceramsite content is 36%，the mechanical properties of concrete are the best and meet thepumping requirements.The error between the measured value and the predicted value is less than 2%，so theprediction accuracy is very high.The above conclusions can be used as the basis for the development and utilization offly ash-ceramsite concrete.Key words:flyash;ceramsite concrete;pumpcrete;slumps;compressive strength;orthogonal experimental design我国是煤炭产业大国，每年的煤炭消耗量居世界首位，且仍在逐年递增，而粉煤灰作为煤炭产业的附属产物，已成为我国主要的污染物之一。在19 世纪中期，我国已开始粉煤灰的研究与运用。马挺 1 采用级粉煤灰和石粉双掺进行C50 泵送混凝土配制，并研究其可泵性。该试验采用三因素三水平正交试验和方差分析法进行了对比分析，并结合混凝土实际性能表现，得出最优组合:25%级粉煤灰+16%石粉+1.6%外加剂。蒲代君 2 对不同掺量、不同细度的粉煤灰对混凝土抗压性能的影响因素进行了详细分析，进82023 年第 2 期杨得源，等:双掺粉煤灰 陶粒泵送混凝土力学性能研究行了粉煤灰混凝土抗压强度试验。张萌济 3 选用不同品种陶粒进行了易泵送陶粒混凝土配制试验，在控制新拌陶粒混凝土可泵性的技术措施、泵送陶粒混凝土的性能等方面提出初步结论。郑雯 4 研究了养护制度、凝胶材料组成、骨胶比、水胶比、引气剂及水玻璃等因素对废渣陶粒混凝土性能的影响，得到了较合适的废渣陶粒混凝土养护制度和凝胶材料组成。近年来，美国已成为了粉煤灰使用量最大的国家，深入研究了利用粉煤灰改善混凝土性能技术。国外很多研究人员经试验研究发现，在混凝土中添加粉煤灰能改善混凝土的工作性能，提高混凝土后期强度。目前，国外陶粒的发展趋向:原料来源多样化，陶粒以黏土、页岩、粉煤灰为原料逐步向工业废料转变;陶粒的制备工艺以及生产设备也在向高效率、低能耗方向发展;陶粒性能也在向质轻、高强度发展 5。本文通过粉煤灰取代一定量的水泥，陶粒取代一部分的天然粗骨料，在保证混凝土可泵性和抗压强度满足的条件下，降低混凝土的成本，提高工业废料的利用率，达到节约资源，保护环境的目的。1试验原料与设计1.1试验原料水泥 采 用 普 通 硅 酸 盐 水 泥，其 规 格 为P O42.5，其物理、化学指标均符合 中华人民共和国国家标准(GB 1752007)6 规定。细骨料选用河砂，含泥量为1.025%。粗骨料采用石子，骨料粒径为 5 23 mm，级配良好。粉煤灰采用级粉煤灰，具体成分如表 1所示。陶粒采用轻质黏土陶粒，轻骨料粒径为5 30 mm，级配良好，经吸水率试验测试，浸泡1 h 时，吸水率达到10.5%，浸泡6 h 时吸水率达到 15.3%，骨料浸泡约 21 h 时达到饱和，饱水率约为 17.1%，具体成分如表 2 所示。减水剂采用聚羧酸高性能减水剂，具体成分如表3 所示。表 1粉煤灰性能指标质量分数/%Al2O3SiO2SO3CaO含水量碱含量烧失量含铁量细度24.245.12.15.60.851.22.80.8516堆积密度/(g cm1)1.12注:细度检测标准(通过 5 m 方孔筛)。表 2陶粒性能指标堆积密度/(kg m3)筒压强度/MPa吸水率/%软化系数烧失量/%含泥量/%3000.622141.1表 3聚羧酸高性能减水剂性能指标堆积密度/(g L1)净浆流动度细度/%CL/%含水率/%pH减水率/%565251970.0042.37.215注:细度检测采用 0.315 mm 标准筛;CL为氯离子质量分数，%。1.2试验配合比设计试验配合比参考 JGJ/T10957 和 JGJ5520118。(1)确定混凝土适配强度(fcu，0):fcu，0 fcu，k+1.645=20+4 1.645=26.6 MPa(1)式中:fcu，0为混凝土配制强度，MPa;fcu，k为混凝土立方体抗压强度标准值，取 20 MPa;为混凝土强度标准差，取 4.0。(2)计算水灰比:=afbfcu，0+abfb=0.53 36.420+0.53 0.2 36.4=0.565(2)式中:为混凝土水胶比;a、b为混凝土水胶比计算公式中的回归系数 0.53、0.20;fb为凝胶材料 28 d 胶砂抗压强度实测值。fb=fsfce=1 1 36.4=36.4(3)式中:f为粉煤灰影响系数，取 1.0;s为炉渣粉影响系数，1.0;fce为水泥28 d 胶砂抗压强度，MPa。(3)确定每立方米混凝土的用水量:9工程建设第 55 卷第 2 期mw0=200 kg/m3式中:mw0为每立方米混凝土的用水量，kg/m3。(4)凝胶材料用量:mb0=mw0/=200/0.565=353 kg(4)式中:mb0为每立方米混凝土的胶凝材料用量，kg;mw0:每立方米混凝土的用水量，kg。(5)砂率:45%。根据上述方法，计算得到 1 t 混凝土中水泥、碎石、砂和水的质量分别为 350、990、660、200 kg，其配合比为 1 2.83 1.89 0.57。2试验方案试验设计的混凝土强度等级为 C20，基本成分包括 PO42.5 水泥、石子、河砂、水及减水剂，其中减水剂用量为(1 0.1)%。以粉煤灰和陶粒零掺量作为对照组(D)，试验设置 3组粉煤灰掺量 12%、16%、20%3 个梯度，设置 3 组陶粒掺量 36%、38%、40%，采用正交试验方案进行混凝土试块的制作。每组制作 3个混凝土立方体试件，试验组共9 组，对照组1组，总计 30 个试件。试验设计如表 4 所示。根据上述配合比，试验所配置的双掺混凝土各材料用量如表 5 所示。试件尺寸为 150 mm 150 mm 150 mm 的标准试块，以上述配合比拌制混凝土，制作试件前进行坍落度测定，每组配合比制作 3 个试件，经 24 h 后拆模，置于 SHBY 40A 型水泥标准养护箱在温度为 21、湿度为 97%条件下养护，在龄期 28 d 后，依据 混凝土物理力学性能试验方法标准(GB/T 500812019)9 进行抗压强度测试。表 4试验设计配合比%项目DA1A2A3B1B2B3C1C2C3粉煤灰0121620121620121620陶粒0363636383838404040表 5材料用量g组名水泥粉煤灰碎石陶粒砂水减水剂D4 42007 25007 2202 590215A14 2904807 1402 5907 3502 590244A24 0607107 1402 6107 3502 590245A33 8209507 1402 6107 3502 590245B14 3004806 8902 8007 3002 600244B24 0607106 8902 8007 3002 600244B33 8209506 8902 8007 3002 600244C14 3004806 7003 0007 3002 600244C24 0607106 7003 0007 3002 600244C33 8209506 7003 0007 3002 6002443试验结果与讨论混凝土试验结果如表 6 所示。由表 6 可知，对照组(D)的抗压强度为 34.2 MPa，是所有试件中强度最高的(由于未掺粉煤灰和陶粒，所以其抗压强度是最高的)。从经济和安全角度考虑，粉煤灰掺量为 12%、陶粒掺量为 36%时，该配合比满足泵送和抗压强度的设计要求，混凝土的抗压强度可达到对照组的 88%。3.1试件破坏形态对照组的破坏形态如图 1 所示，试件呈现以张力为主的脆性破坏，加载初期试块表面并未出现明显变化，随着荷载的增大，试件内部出现细微响声，达到极限荷载后，试件迅速破坏，表层混凝土压碎而剥落，最终呈 X 型剪切破坏。012023 年第 2 期杨得源，等:双掺粉煤灰