摘要: 金剛砂以其良好的耐磨性使得它在工業上得以廣泛應用 ,但金剛砂在路面使用上仍屬少見。 能否在金剛砂提高路面的耐磨性的同時 ,獲得較高的力學強度是值得研究的。以大量試驗數據為基礎 ,對金剛砂混凝土進行了配合比設計和力學性能分析 ,以獲取具有優良力學特性的金剛砂混凝土。

  我國含有豐富的天然金剛砂 ,每年都生產并出口大量金剛砂產品。 良好的耐磨性使得它在工業上得以廣泛應用 ,但金剛砂在路面使用上仍屬少見。金剛砂是質地堅硬和多棱角的結晶體 ,又是一種顆粒嚴密的高強韌骨料 ,具有化學性穩定、強度高、硬度大和耐磨等優點。 能否在金剛砂能提高路面的耐磨性的同時 ,獲得較高的力學強度是值得研究的。要配制較理想的金剛砂混凝土 ,首先應選擇與基材強度相適應的金剛砂品種 ,對不同金剛砂的標號進行試驗配比。其次要選擇合理的砂率和水灰比 ,還需考慮粉煤灰、硅灰和高效減水劑等的影響。本文試圖以金剛砂對混凝土力學強度的貢獻為出發點 ,以大量試驗數據為基礎 ,給出了金剛砂的類型與摻量 ,通過對金剛砂混凝土進行配合比設計和力學性能分析 ,來獲取具有優良力學特性的金剛砂混凝土。

1、配合比設計及室內力學試驗：

  混凝土配合比設計 ,按《公路工程水泥混凝土試驗規程》 ( JT J 053- 94)進行。采用 28 d養護齡期測試強度。

1. 1、設計指標及材料選擇：

1. 1. 1、設計指標：

  本文設計的金剛砂混凝土為半干硬性混凝土 ,強度優于普通混凝土。 具體設計指標如下: 坍落度0～ 30 mm;設計強度 C 35。

1. 1. 2、選用的原材料：

 ( 1) 水泥: 采用重慶地維水泥 P. 0425 號 , 按GBl 75-92檢測 , 28 d 抗壓強度 70. 37 M Pa ,抗折強度 8. 47 M Pa。

( 2)粉煤灰: 采用重慶璐璜電廠Ⅱ 級粉煤灰。

( 3)機制砂 : 表觀密度 2. 6 9g / cm3, 裝填密度1. 55 g /cm3,空隙率 42. 4% 。

( 4)粗集料: 表觀密度 2. 70 g /cm3, 裝填密度1. 54 g /cm3,空隙率 43. 0% ,最大粒徑 20 m m。

( 5)金剛砂: 選取編號為 1號、 2號和 3號金剛砂進行試驗。

( 6)減水劑: 采用 F JW 萘系高效減水劑。

1. 2、混凝土配合比：

1. 2. 1、基準配合比：

  根據《公路水泥混凝土路面設計規范》 ( JT J 012- 94) ,進行以抗壓強度為指標的路面混凝土基準配合比設計。 初步確定: W = 182, C= 372, W /B =0. 49, S= 1 295, G= 554,和易性較好。 主要性能測試 結果 為: 坍 落度 T = 6 mm, 抗 折 強度 f cf =4. 7 M Pa,抗拉強度 f cu = 35. 3 M Pa。 在基準配合比的基礎上 ,進行混凝土配合比正交試驗 ,分別摻加粉煤灰和硅灰 ,做對比試驗。

1. 2. 2、最優配合比：

( 1)試驗方案及試驗結果見表 1、 表 2和表 3。

　 ( 2)試驗結果的分析 (見表 4)。

通過直觀分析 ,從表 3和表 4看出以下幾點。

①影響抗壓 (抗折 )強度的主要因素是水灰比 ,次要因素是粉煤灰摻量 ,減水劑對抗壓、抗折強度的影響因素小;而影響坍落度的主要因素為粉煤灰摻量 ,減水劑和水灰比是次要因素。

②抗壓 (抗折 )強度隨著水灰比的減少而增加。粉煤灰摻量對 T 的影響呈上升趨勢 ,并且有一峰值 ,超過峰值 T 會減少 ,可見粉煤灰對 T 的影響存在最優摻量。

③從極差看出 ,減水劑在 1. 2時 K-最大 ,此時減水劑對和易性產生的效果最好。方差分析 (見表 5)。

  從方差分析得出:

①各因素影響抗壓和抗折強度的主次順序為:A→ B→C ,與前面的直觀分析一致 ;

②水灰比對 28 d抗壓和抗折強度有顯著影響，其他因素不是顯著因素;

③本例試驗的抗壓強度誤差為 9 = 3 M Pa,抗折強度誤差為 0. 07= 0. 265 M Pa,與空列直觀分析的極差 2. 4與 0. 2相近。方差分析的觀點認為 ,只需對顯著的因素選擇就行了 ,不顯著的因素 ,原則上可選在試驗范圍內的任意一個水平。 在此 ,第一個因素為顯著因素 ,最優水平選取該因素最大 K 值所對應的水平 ,即取 A 1;對因素 B 的選取原則上可選擇在試驗范圍內的任意一個水平 ,下面對因素 B 進一步分析 ,對 4個水平進行多重比較。

  因素 B 的各水平多重比較。對抗壓強度 f cu而言 ,粉煤灰摻量的選定如下:S-e= 5; f e = h= 3; K-1= 34. 4; K-2 = 31. 9;K-3= 31. 3; K-4 = 29. 3查 q表得 q0.05 (m,φ)= q0.05 ( 4, 3)= 6. 82q0. 10 (m ,φ ) = q0. 10 ( 4, 3) = 5. 20d T = q0. 05 ( 4, 3) S-E/V= 6. 82 5 /4= 6. 10d T = q0. 10 ( 4, 3) S-E/γ= 6. 82= 5 / 4= 5. 81計算: d12 = K-1 - K-2 = 2. 55; d 13 = 2. 1; d 14 =5. 1; d23= 0. 6; d24= 2. 6; d34 = 2. 0有 dij < dT; 同理 ,對 f cf : 亦有 dij < dT。式中: m 為要比較的水平個數; r 為同水平的試驗重復數; S-e為試驗誤差的均方; f e= h(n ,l )表示試驗誤差的自由度; K-1、 K-2、 K-m分別為 m 個水平的平均抗壓強度。由多重比較得出 ,粉煤灰摻量對 f cu及 f cf均無顯著差異 ,又考慮降低材料成本 ,故選用 B4,即摻量30% 的粉煤灰。

  回歸分析。根據試驗數據 ,運用 M A TLAB對數據進行線性回歸 ,得回歸方程:f cu = - 29. 259 0+ 0. 373 7f ce+ 24. 555 6B /W- 27. 628 1F /B , r= 0. 87 ( 1)f cf = - 2. 551 6+ 0. 375 1 f cef + 2. 477 7B /W -2. 969 5F /B , r= 0. 86 ( 2)式中: f cu為混凝土抗壓強度; f cf為混凝土抗折強度; fce為水泥膠砂抗壓強度; f cef為水泥膠砂抗折強度; B /W 為膠水比; F /B 為粉煤灰與膠凝材料之比;控制抗壓強度 fcu= ( 35+ 1. 645e)= 47. 52,e為混凝土的抗壓強度標準差 ,根據大量試驗數據得e= 7. 61; 抗折強度 f cf = ( 5+ 1. 645e) = 6. 62,e為混凝土的抗折強度標準差 ,得 e= 0. 98;實測水泥強度 fce= 45. 1, fcef = 8. 47,由多重比較得到的 F /B=30, 將這些控制指標代入式 ( 1)、 ( 2) 得: W /B =0. 36。綜上所述 ,根據強度和工作性的要求 ,經過調整后的粉煤灰混凝土基準配合比為:

  W /B= 0. 36　　 A= 1. 2% 　　 SF /B= 30%

  以上僅就粉煤灰混凝土為例加以闡述 ,硅粉混凝土道理相同 ,從略。 硅粉混凝土的最優配合比為:W /B= 0. 54　　 A= 1. 2% 　　 SF /B = 10%

1. 3、摻金剛砂的混凝土配合比設計及強度測試：

  通過對普通混凝土配合比、粉煤灰混凝土配合比和硅灰混凝土配合比等對比試驗的各因素水平評價、方差分析及回歸分析 ,最終選擇力學性能及工作性都較好的幾組 ,進行摻加金剛砂的試驗 ,以制備低塑干硬性混凝土。配合比及測試結果如表 7和表 8。

1. 4、金剛砂摻量與水泥混凝土抗折強度的關系 (見圖 1和圖 2)：

2、強度分析：

  由圖 1和圖 2看出 ,金剛砂的加入對混凝土力學強度產生顯著的影響 ,不難發現 ,金剛砂混凝土的圖 2　金剛砂摻量與硅灰混凝土抗折強度關系抗壓、抗折強度普遍高于普通混凝土強度 ,抗壓強度最大可提高 35% ,抗折強度最大可提高 21% ,這樣 ,以抗折強度為衡量標準 ,選取表 7和表 8中有代表性的 1-3和 2-7與普通混凝土的 1-0和 2-0進行后面的耐磨對比試驗。

  總之 ,金剛砂的加入 ,不僅使水泥混凝土具有良好的工作性 ,而且隨著金剛砂的均勻摻入 ,使水化產物形成的空間結構的均勻性提高 ,以金剛砂硬度大和高韌性的特點 ,加之其與水泥混凝土較好的結合 ,增強了混凝土的強度。 所以 ,以適量的金剛砂、粉煤灰和硅灰為摻料 ,能改善混凝土的毛細結構 ,增強骨料與水泥漿之間的粘結力 ,加強密實性。

3、耐磨強度：

  檢測經分析 ,表 7中的 1-3和表 8中的 2-7的力學性能和工作性都較好 ,且有代表性 ,故選不摻金剛砂的 1-0和 2-0及摻金剛砂的 1-3和 2-7中幾組混凝土做耐磨試驗 ,測試結果如表 9。

  表 9中試件的耐磨性試驗是在各組材料最佳配比的基礎上進行的 ,經過 28 d標準養護 ,考察摻料對混凝土耐磨性的影響。從表中數據可知 ,各組磨耗量均達到 ,并遠遠高于路面混凝土耐磨技術要求( 3. 6 kg /m2)。

4、結語：

  在試驗中 ,為了使金剛砂混凝土路面獲得較高的強度和良好的和易性 ,對各組分進行綜合分析 ,擬訂了最優配合比方案。 在充分發揮各組分的功效及節約成本的前提下 ,摻入金剛砂 ,獲得了良好的工作性和抗折及抗壓強度。這樣 ,金剛砂混凝土在優良力學特性的基礎上 ,耐磨強度也大大高于路面混凝土的技術要求。而且通過測算比較 ,材料的使用年限的提高 ,將降低長期成本和提高經濟效益。應用金剛砂水泥混凝土的正交配合比設計 ,可以定量地分析水膠比、各摻料摻量和水泥強度等對混凝土強度的影響;線形回歸分析的應用 ,可以將水膠比和摻量等對混凝土強度的影響用一個方程式來表示 ,既可預測混凝土在試驗范圍內的強度 ,又可評估其精度 ,使混凝土配合比設計簡單可靠。

  總之 ,金剛砂混凝土的研究 ,使金剛砂應用范圍大大拓寬。 金剛砂混凝土路面不僅能提高收費廣場和其他特殊地段 (如陡坡路段 )的耐磨性能 ,而且在高等級公路和城市道路的推廣和應用中 ,同樣具有重要的價值與意義。