高强高性能混凝土抗压性能影响因素

　　随着城市建设的快速发展，混凝土已越来越成为不可或缺的成分，但传统混凝土由于污染大、强度低，且使用年限短等缺点越来越受到人们的重视。高强高性能混凝土作为一种新型的建筑材料，具有比传统混凝土强度更高，使用年限更长，但变形挠度却更小等优点越来越受到建筑行业的青睐。但是高强高性能的优越性在很大程度上依赖于其原材料自身的性质以及在混凝土成型过程中的各种添加剂，因此各种组分的合理配比是获得高强高性能混凝土的关键。

　　由于高强混凝土影响因素众多: 如水胶比、砂率、减水剂以及各种矿物颗粒等，传统的试验方法以不能达到设计要求，国内外学者为此进行了多种研究。

　　Vanderplaats 等通过改变混凝土中胶结材料的含量，并测定最终抗压强度，从而找到最优的胶结材料的比例; Hirotaka Nakayama为了有效避免混凝土试配造成的时间及金钱浪费，法国路桥着手于原材料的流变以及力学性能试验，从而获得了最优配比参数; 邵阵通过ANN 建立数值模型，并利用 MATLAB 软件进行数据的计算与处理，研究混凝土的配合比并进行优化设计; 喻乐华等，王博等分别通过在混凝土中添加珍珠岩粉以及磨细钢渣等对混凝土的抗压强度进行试验研究; 朱凯等主要研究了混凝土集料对混凝土性能的影响，对配置混凝土原材料提出了要求; 黄有丰等主要研究了水泥颗粒的级配以及水泥颗粒的表面形态等，从细观上说明了水泥对混凝土性能的影响; 罗华连等对高性能混凝土的矿物添加物中粉煤灰、硅粉等进行了研究，并着重研究了其对混凝土抗压强度的影响;以上虽然进行了大量研究，但是试验研究因素较少，结果离散性较大。当试验因素较多时，将耗费大量的人力、物力、财力来进行试验已获得较理想的试验结果。因此本文以利用 SPSS 软件，以正交方案为基础，进行多因素的配合比设计试验，研究高强高性能混凝土的抗压强度、坍落度在各种因素下的变化规律，并探讨各种因素变化对两个指标的相关性大小，试验结果对进一步理解各因素对混凝土抗压强度及坍落度的影响以及权重有重要意义。

　　1、 混凝土原材料及试验方法

　　1． 1 原材料

　　水泥采用 P． O42. 5 硅酸盐水泥，安定性合格，初凝时间 120min，终凝时间 205min; 粗骨料采用港沟碎石，最大密度 2. 55g/cm3，容重1389kg / m3，最大粒径 18mm; 细骨料采用干河沙，细模 2. 5，密度为2543kg / m3; 外加剂采用格雷斯生产的聚羧酸系缓效减水剂; 矿物掺合料主要为硅粉和粉煤灰，拌合水采用自然饮用水。

　　1． 2 试验方法

　　将原材料按照配合比拌合均匀，倒入搅拌机，搅拌式缓慢添加拌合水及添加剂，达到规范要求粘度后，及时取样留作坍落度试验，然后浇筑成边长 150mm 立方体的试件，标准养护 28d 后，取样并做抗压强度试验。

　　(1) 坍落度试验: 将搅拌粘稠的混凝土试样分三次均匀装入坍落度桶中，每次为桶高的 1/3，并敲击桶壁，以免混凝土密实不均匀，最后将坍落度桶竖直往上慢慢拔出，是混凝土在自重作用下缓慢下沉，直至最终稳定，测出混凝土顶部试验前后高度差即为坍落度值。

　　(2) 力学性能试验: 取标准试件，注意表面不要有麻面且各个棱边不要破损，以免由于混凝土试件本身缺陷造成结果的误差，按照规定方法在试验机上进行压缩试验，并记录最大抗压强度。不考虑各个因素之间的交互作用，利用 SPSS 本身设计试验过程，这样可避免常规的选取正交表的麻烦，而且也有利于最终数据的计算与处理，试验方案如表 1 所示。

　　2、 试验结果分析

　　为了了解各个影响因素对混凝土性能的影响大小，利用 SPSS 软件，计算各个影响因素对混凝土抗压强度及坍落度的相关性系数抗压强度。

　　2． 1 抗压强度相关性

　　抗压强度是表征混凝土性能的重要指标，为了直观表现各个影响因素与混凝土抗压强度的相关性，绘制如图 1 所示。

　　由图 1 可以看出，各个影响因素与混凝土抗压强度的相关性变化范围较大，其中水胶比、砂率与混凝土抗压强度呈现负相关，而减水剂、硅粉、粉煤灰与混凝土抗压强度呈现正相关。减水剂、粉煤灰与抗压强度的相关性分别为 0. 6、0. 654，即表现出较高的正相关性，说明在本实验取值范围内，增加减水剂及硅粉的用量能够较大的提高混凝土的抗压强度; 水胶比与砂率对混凝土抗压强度影响的相关性指数分别为 －0. 381、－ 0. 293，两者较接近且均为负值，说明此两种影响因素的变化对混凝土强度的宏观响应较相似，且均减小了混凝土的抗压强度。粉煤灰对混凝土抗压强度的影响仅为 0. 231，影响效果不明显。

　　因此若配置某一混凝土设计抗压强度，可通过改变减水剂及硅粉的比例来快速接近混凝土设计抗压强度，然后改变水胶比、砂率的含量来精确的达到混凝土设计抗压强度，而不通过改变粉煤灰含量来提高或减小混凝土抗压强度。

　　2． 2 坍落度相关性

　　坍落度值的大小直接影响了混凝土的和易性，因此绘制各个影响因素与混凝土坍落度的相关性，如图 2 所示。

　　由图 2 可以看出，各个影响因素与混凝土坍落度的相关性变化范围较小，其中水胶比、砂率、减水剂、硅粉与混凝土坍落度呈现正相关，而粉煤灰呈现负相关。

　　水胶比与混凝土坍落度的相关系系数最大，为 0. 344，说明改变水胶比能够较大的改变混凝土的坍落度; 砂率、减水剂、硅粉与混凝土坍落度的相关性系数较接近且明显低于水胶比的相关性系数，分别为0. 196、0. 25、0. 227，说明此三者对混凝土的坍落度有影响，但影响效果一般，若仅靠改变此三者来达到预计坍落度较困难; 粉煤灰是本次坍落度试验因素中唯一显示负相关的因素，说明粉煤灰含量会减小混凝土的坍落度，但是其值仅为 －0. 073，即高度的不相关性，说明粉煤灰虽然对提高混凝土坍落度不利，但是影响非常小，因此可以忽略。

　　因此，若配置某一坍落度的混凝土，可通过改变水胶比来快速接近，然后改变砂率、减水剂或硅粉任一影响因素的含量来达到设计值。

　　综合图 1、图 2 可得，除减水剂以及硅粉对混凝土抗压强度及坍落度的影响全部表现为正相关外，其它各个影响因素对混凝土的抗压强度及坍落度的影响并非全部表现为正相关或者是负相关。如水胶比、砂率对混凝土抗压强度的影响表现为负相关，对混凝土坍落度的影响表现为负相关; 同时可以看出，水胶比对混凝土的抗压强度及坍落度的影响程度近似相当，而砂率主要表现为能较好的减小混凝土抗压强度;粉煤灰对混凝土抗压强度及坍落度的影响与水胶比及砂率的影响整好相反，但由于相关系数均较小，因此可以较少的考虑。减水剂以及硅粉对混凝土抗压强度的相关性系数远远大于其对混凝土坍落度的相关性系数，因此主要表现为可以较大的提高混凝土的抗压强度，而对坍落度的影响可以作为次要方面。

　　3、结论

　　基于 SPSS 软件，对混凝土进行了 16 次正交试验，同时对计算结果进行了统计分析，讨论各个影响因素对混凝土抗压强度及坍落度的影响，主要结论如下: (1) 各个影响因素对混凝土抗压强度及坍落度的影响既有正相关又有负相关，且对混凝土抗压强度的相关性系数变化范围较大，而对混凝土坍落度的相关性系数变化范围则较小; (2) 各个影响因素对混凝土抗压强度的影响权重顺序为: 硅粉 ＞ 减水剂 ＞ 水胶比＞ 砂率 ＞ 粉煤灰，即硅粉对抗压强度的影响程度最大，达 0. 654，呈现较高的正相关性; (3) 各个影响因素对混凝土坍落度的影响权重顺序为:水胶比 ＞ 减水剂 ＞ 硅粉 ＞ 砂率 ＞ 粉煤灰，即水胶比与混凝土坍落度的相关性最大，达 0. 344; (4) 各个影响因素的正、负相关性并不总是保持一致。水胶比、砂率对混凝土抗压强度及坍落度的影响分别表现为负相关和正相关，且其值相对较小，而粉煤灰的影响恰好相反，且可以忽略不计; 但是减水剂与硅粉对二者的影响均表现为正相关，且主要表现为可以较大的改变混凝土的抗压强度。

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