基于正交法的快硬修复混凝土配合比设计

简险峰，许晨阳，林辉，王栋民，黄天勇，陈雷

（中国矿业大学（北京），北京 100083）

基于正交法的快硬修复混凝土配合比设计

简险峰，许晨阳，林辉，王栋民，黄天勇，陈雷

（中国矿业大学（北京），北京 100083）

本文利用 42.5 硫铝酸盐水泥，采用复合外加剂，加活性掺合材料来配制超早强混凝土，采用正交试验方法，配制出了 2h 抗压强度达 30MPa 的路用超早强混凝土。

硫铝酸盐水泥；早强；道路抢修；混凝土

0 引言

我国的高速公路发展迅速，水泥混凝士路面的发展也很快。水泥混凝土路面具有刚度大、强度高、承载力强、稳定性好等优点，但同时其施工养护时间长也成了制约其发展的主要因素，因此，开发施工养护时间短、大大提前公路通车时间的抢修混凝土是一个极具现实意义的课题。硅酸盐水泥因为历史悠久、性能可靠和价格低廉而得到广泛的应用，但因其凝结时间较长、早期强度发展较慢等缺点[1]，无法满足修补、抢修等特种工程。硫铝酸盐水泥因为具有快硬、早强、高强、抗渗、抗冻、耐蚀和粘结性好等优良性能适于在低温、地下、快速抢修工程，因此应用越来越广泛[1-2]，硫铝酸盐水泥与矿物掺合料和其他辅助胶凝材料的配合使用也越来越广泛[3-4]。本文采用正交试验法研究了硫铝酸盐作为快硬修复混凝土原料在和矿物掺合料互掺时配制修复混凝土的最佳配合比。

1 正交试验

为了尽可能提高混凝土超早期的强度，本试验的技术路线考虑采取下列措施：确定四个水灰比，掺适量促凝剂，掺硅粉，掺矿粉，使用高效减水剂。促凝剂和硅粉的掺入必然大大影响混凝土的流动性，使高效减水剂的减水效果降低，因此，需要在尽量减小水灰比的同时，找到促凝剂、矿粉、硅粉和高效减水剂的最合理掺量。试验采用正交方法设计，来寻找上述各量的最佳取值。正交试验以混凝土的坍落度为考核目标。

1.1 正交试验设计参数的选取

1.1.1 抗压强度与水胶比

按照水灰比定则，混凝土强度与水灰比间存在着反比关系[5]，水灰比是混凝土强度的最直接决定因素。现代混凝土，尤其是高强混凝土，大都掺入了硅粉、磨细矿渣、粉煤灰等矿物质掺合料和高效减水剂，所以不同的混凝土，其抗压强度与水胶比的关系公式都不一样。普通混凝土的设计强度是按照其 28 天强度来进行设计的，以上抗压强度与水胶比的关系都是指混凝土 28 天强度与水胶比的关系。而对于超早强混凝土，主要是考虑其超早期的强度发展。按照水灰比定则，水胶比越小混凝土的早期强度发展越快，并且当水灰比低于0.3 时，即使水灰比降低不多，混凝土的强度与水灰比的关系将超越线性关系而显著提高。因此，初步选择超早强混凝土的水胶比在 0.3 左右。

1.1.2 用水量和砂率

在水胶比选定的条件下，用水量的多少代表着胶凝材料的用量，也代表着配合比设计水平。普通混凝土的用水量主要取决于混凝土坍落度和骨料性质。我国现行混凝土设计规范中混凝土用水量的取值是依据混凝土坍落度和石子最大粒径确定的。超早强混凝土由于掺入高效减水剂和对混凝土用水量影响很大的硅粉，坍落度的大小在很大程度上由减水剂和硅粉的掺量决定，因而用水量和坍落度已不存在显著相关性。骨料性质的变幅也很小，对用水量的影响也不大。按照冯乃谦主编的《实用混凝土大全》[6]的分类标准，道路混凝土要求高耐久性，同时为了尽量减少水泥用量，考虑选取单方用水量在 170kg/m3左右。砂率是细骨料和骨料总量的比值，由于掺硅粉对其影响不很显著，同时考虑掺硅粉后混凝土的粘聚性与保水性都比较良好，因此，以普通混凝土的砂率为依据，选取较小值（31%）即可。

1.1.3 硅粉和速凝剂掺量

硅粉掺量一般在 5%～10%，内掺硅粉在 10% 时，增强效果最显著，掺量增至 15% 时，增强效果呈下降趋势，因此，从增强效应和经济角度考虑，硅粉掺量应该在 10% 左右。根据复合外加剂与掺合料对水泥浆凝结时间的影响的实验以及以前的试验结果，为保证混凝土的凝结时间适当，选择速凝剂掺量在 2.5% 左右。

1.2 试探性实验

为了减小试验的盲目性，在正式实验前，先按照上述参数选取的原则，进行了试探性实验。试验采用假定表现密度法进行超早强混凝土的条件下，适量考虑高效减水剂在有速凝剂和硅粉情况下的减水效率，选择单方用水 168kg/m3，水胶比 0.3，砂率 31%，内掺硅粉 10%，速凝剂掺量 2.5，利用高效减水剂调节混凝土的坍落度在 100～300mm 内，高效减水剂掺量 0.65%。得到的混凝土坍落度为 250mm，表观密度为2460kg/m3。正交试验可以在此配合比的基础上来寻找最优配合比。

1.3 正交试验方案的确定

试验以对混凝土早期强度影响很大的水胶比、硅粉掺量、矿粉掺量和砂率四因素，在试探性试验的设计和结果的基础上，每一因素取四个水平来进行正交设计，以新拌混凝土的坍落度和扩展度为考核指标，来寻找超早强混凝土的最佳配合比，其中空列用来验算实验误差。正交试验设计因素水平见表 1，选用正交表为 L16(44) 。混凝土坍落度、扩展度和 3d 抗强强度检测结果的极差分析过程及结果见表 2～4。

1.4 正交试验结果分析

先对单指标进行直观分析，得出因素的主次和优方案（结果如表 5 所示），并画出各因素与各指标的趋势图（如图 1）。

表 1 混凝土正交因素设计水平

表 2 混凝土坍落度影响因素极差分析 mm

表 3 混凝土扩展度影响因素极差分析 mm

表 4 混凝土 3d 抗压强度影响因素极差分析 MPa

表 5 正交试验结果

图 1 各因素与坍落度和扩展度的关系

因素 A-水胶比：从坍落度、扩展度和 3d 抗压强度这三个综合评定指标来看它们分别确定出了 0.34、0.36 和 0.32 这三个水胶比。虽然当水胶比为 0.34 和 0.36 时混凝土的工作性比较好，但是从强度角度考虑，水胶比越低，混凝土的强度就越高，而且当水胶比为 0.32 时混凝土的工作性也是比较好的，所以综合评定来说水胶比最后确定为 0.32 为宜。

因素 B-矿粉：矿粉的掺量从坍落度和扩展度两方面评定最优掺量为 20%，从 3d 强度方面来评定最佳掺量应为 0%。但当不添加矿粉时虽然混凝土的 3d 强度有所提高，但由数据可以看出强度提高幅度相比添加 20% 矿粉的混凝土的强度而言提高幅度不大，而掺有 20% 的矿粉的混凝土的工作性能是最好的，而且掺有矿粉会提高混凝土的后期强度，所以综合评定确定矿粉的最佳掺量为 20%。

因素 C-硅灰：硅灰掺量从坍落度、扩展度和 3d 抗压强度这三个综合评定指标来看它们分别确定掺量为 0%、8% 和3% 这三个掺量。掺入硅灰后会有微集料填充效应、火山灰效应，能够降低泌水，防止水份在骨料下表面聚集，并且能提高混凝土强度，改善和易性。又因为添加 3% 时与添加8% 时的 3 天抗压强度区别不大，所以应该选 8% 的掺量。

因素 D-砂率：在相同用水量和水灰比下，水泥用量一定，若砂率过小，则浆体不足，不能保证粗集料间有足够的砂浆填充润滑，粗集料颗粒间的摩擦力较大，拌合物流动性较小，坍落度较低；若砂率过大，细集料比表面积和空隙率增大，在用水量和水泥用量一定时，需要润湿集料表面的水份和包裹细集料的水泥浆体显得不足，水泥浆的润滑作用减弱，细集料间的摩擦阻力增加，拌合物流动性下降。只有砂率适宜时，砂子不但较好地填充了粗集料间隙，保证石子间有一定厚度的砂浆层润滑，而且也能在水泥浆体一定时，细集料有充足的水泥浆包裹润滑，使混凝土拌合物有较好的流动性，所以由于以上原因确定选用 0.45 的砂率。

最优掺量的确定：从以上分析得出最好的组合条件为A1B4C1D1，即最优水胶比为 0.32，最优矿粉掺量 20%，最优硅灰掺量 8%，最优砂率是 0.45。

经过以上实验确定了混凝土掺量的最优配比，最后通过促凝剂和缓凝剂调节凝结时间，即最少具有 15min 的工作性，从而确定了促凝剂的最优掺量为 0.2%，缓凝剂的最优掺量为0.2%。

1.5 验证性试验

在确定了混凝土的最优配方 A1B4C1D1 之后，最后分别用卵石和碎石两种不同的骨料进行了各性能的验证性试验，数据如表 6。

表 6 验证性实验结果数据

通过以上数据看出，最优配方在分别以卵石和碎石作为骨料的试验中其具有良好的工作性，并且它们的 2h 抗压强度均达到了 30MPa 的要求。

2 结束语

道路修复混凝土的应用越来越广泛，对于它的要求也越来越高，随着矿物掺合料的加入以及高效减水剂、促凝剂和缓凝剂的应用，各组分的掺量都对修复混凝土的性能产生重要影响。通过试验优化使得修复混凝土满足凝结时间快、早期强度高等要求的配合比，即为最佳配合比。

[1] 王来国，芦令超，程新．硅酸盐与硫铝酸盐矿物复合水泥材料的研究进展[J]．济南大学学报（自然科学版），2004, 18(1): 24-27．

[2] 王燕谋，苏幕珍，张量．硫铝酸盐水泥[M]．北京工业大学出版社，1992,12:8-12．

[3] 张巨松，周立新，安会勇，等．掺矿渣的硫铝酸盐水泥混凝土的试验研究[J]．混凝土，2003, 4: 40-41．

[4] 张云飞，张德成，张鸣，等．掺合料对硫铝酸盐水泥性能的影响[J]．济南大学学报（自然科学版），2006, 20(4): 292-295．

[5] 林宗寿．无机非金属材料工学[M]．武汉：武汉理工大学出版社， 2006．

[6] 冯乃谦．实用混凝土大全[M]．科学出版社，2001．

［通讯地址］北京市海淀区中国矿业大学（北京）宝源公寓A1 栋（100083）

Mix optimization of high speed concrete based on orthogonal method

Jian Xianfeng, Xu Chenyang, Lin hui, Wang dongmin, Huang Tianyong, Chen lei
( China University of Mining&Technology, Beijing 100083)

This paper adopts sulfate aluminate cement with compound admixtures and active mixing materials (silicon powder) to prepare ultra early strength of concrete, the super early strength concrete with 30MPa of 2h compressive strength has been prepared by using the orthogonal experiment method.

SAC; early strength; road repairs; concrete

简险峰（1991—），中国矿业大学（北京）研究生院在读研究生。