多元胶凝体系高性能混凝土强度公式的研究及应用

摘 要：运用均匀设计方法，对采用水泥、矿粉、粉煤灰三种胶凝材料的混凝土抗压强度进行回归分析，得出含胶凝材料贡献系数的混凝土强度公式，并分析和验证了其在工程中的适用性。

关键词：高性能混凝土 多元胶凝体系均匀设计方法回归分析

Abstract: The research utilizes equal design method and carries on the analysis with regression method of the compress strength values of concretewhich contains three kinds of cementitious materials:cement, furnace slag and fly ash. Then the concrete strength formula with cementitious contribution coefficient is obtained, and it is confirmed to have very good serviceability in the actual project.

Key words: high performance concrete;multi-cementitious system; equal design method；regression analysis

中图分类号：TU37文献标识码： A 文章编号：

1、多元胶凝体系高性能混凝土强度因素分析

随着混凝土技术的发展，水胶比与混凝土强度关系愈来愈得到大家的认可，与水灰比概念相比较，水胶比是用水量与全部胶凝材料的重量之比。如果把混凝土中只有水泥这一种胶凝材料参与构成的胶凝体系称作单元胶凝体系，那么混凝土中有多种材料构成的胶凝体系便称作多元胶凝体系。水胶比强调了多元胶凝体系中所有胶凝材料对混凝土强度的综合贡献。然而很多人对水胶比这一概念只是简单的套用，这样就容易脱离整体、脱离实际工程，这就对HPC的发展形成了很大的障碍。矿物掺合料的活性一般都低于水泥，因此多元胶凝材料体系混凝土，在控制水胶比与单元胶凝体系混凝土水灰比相同的情况下，其强度尤其是早期强度一般都低于单元胶凝体系混凝土。随着矿物掺合料的掺量加大，差异就愈加明显。有时可以在保持水胶比不变的情况下制得多种强度等级的混凝土。笔者通过在固定水胶比的情况下调整胶凝体系，观察不同胶凝材料组合对强度的贡献关系，进行胶砂系统试验：

水泥(C)：山水P.O42.5R，标准稠度27.0％矿粉(Fs)：鲁新建材S95矿粉，比表面积510.1m2·㎏-1粉煤灰(Fa)：F类Ⅱ级灰，细度18.2％砂(S)：ISO标准砂试验方法参照GB/ T17671-1999规定的水泥胶砂强度检验方法(ISO法)，将标准中的水泥用量用胶凝材料用量来代替。

可以看到在水胶比相同的情况下，同为0.5的水胶比，胶砂试块的强度无论抗折还是抗压强度均有很大的变化。早期抗折强度在2.0MPa～6.8 MPa间变化，抗压强度从7.6 MPa～28.9 MPa变化；28d抗折强度从6.0 MPa～9.2 MPa变化，抗压强度在21.9 MPa～47.3 MPa间波动。

任铁钺等【3】做过混凝土在相同水胶比0.38的条件下，只改变胶材比例，混凝土强度是在12.5 MPa～54.1 MPa波动。可见，如果只用水胶比对混凝土进行描述是片面的，脱离实际的。

2、试验构想与试验方案

2.1试验构想

为了研究多元胶凝体系中各种胶凝材料在不同比例条件下对混凝土强度的影响，我们以现有混凝土配合比设计规范为基础，通过大量试验，找出不同胶凝材料比例在多元胶凝材料体系中对混凝土强度的影响规律，以及在此条件下不同水胶比、水泥强度等对混凝土强度的影响。为了能提高试验效率，采用均匀设计方法，并用此方法归纳得到强度计算公式。

2.2 原材料情况

2.2.1水泥：山东水泥厂，山水P.O42.5R

2.2.2矿粉：济南鲁新建材有限公司，S95级

2.2.3粉煤灰：黄台电厂，II级灰

2.2.4砂：泰安，河砂

2.2.5石：济南港沟，碎石

2.2.6外加剂：山东华迪建筑科技有限公司NF-6高效减水剂

2.2.7水：饮用水

2.3 均匀试验设计：

2.3.1均匀设计方法简介

均匀设计方法于1978年由王元和方开泰提出，目的是解决导弹弹道系统的指挥仪设计。20多年来，均匀设计的理论发展迅速，应用十分广泛。均匀设计和正交设计相似，也是通过一套精心设计的表来进行试验设计的。每一个均匀设计表有一个代号Un(qs)或Un*(qs)，其中“U”表示均匀设计，“n” 表示要做n 次试验，“q”表示每个因素有q个水平，“s”表示该表有s列。的右上角加“*”和不加“*”代表两种不同类型的均匀设计表。通常加“*”的均匀设计表有更好的均匀性，应优先选用。例如U6*(64)表示要做6次试验，每个因素有6个水平，该表有4列。试验结果用回归分析方法来分析数据得到规律和结论。

正交设计与均匀设计是目前最流行的两种试验设计方法。与正交设计相比，在试验数相同时，均匀设计偏差小的多。如，因素数为2时，若用L9(34)来安排试验，其偏差为0.3056；若用U9(95)表，则偏差为0.1944；在水平数相同时，均匀设计所用试验少。如U6*(62)的偏差0.1875，而L36(62)的偏差为0.1597，两者差别并不很大。所以用U6*(62)安排的试验其效果虽然比不上L36(62)，但其效果并不太差，而试验次数却少了6倍。偏差相近时，均匀设计所用试验次数少。刚才我们讲到U6*(62)比不上L36(62)，如果让试验次数适当增加，使相应的偏差与L36(62)的偏差相接近，例如U8*(82)的偏差为0.1445，比L36(62)的偏差略好，但试验次数可省36/8=4.5倍[4]。可见，均匀设计在多因素，多水平的试验安排上有很明显的优势，它将比其他方法更省试验，更有效率。

2.3.2均匀试验设计表

本试验主要考虑水胶比，矿粉、粉煤灰在总胶凝材料中所占比例，水泥28d强度四个主要因素，以此来考察混凝土强度与胶材比例的关系。所以，我们采用了无约束条件下非配方设计进行试验，并且在试验中固定用水量、表观密度、外加剂掺量、砂率。

在本试验中选定各因素的水平范围分别是胶水比1.4～3.3，矿粉含量15％～60％，粉煤灰含量0％～40％，水泥强度为47.3MPa与48.1MPa。考虑到水泥强度对混凝土的强度具有很大影响，选取了两批水泥进行试验。由于不同强度等级水泥的混合材掺量相差很大，必然引起矿粉含量、粉煤灰含量值波动较大，所以采用了同强度等级不同的水泥来进行试验。

均匀设计表由中国数学分会均匀设计分会推荐软件《均匀设计软件》取得。

3、试验结果分析

3.1.1混凝土28天强度与水胶比的关系分析

若只考虑水胶比，用excel中的回归分析功能进行回归得到如下公式：

(1)

这样得到的公式的相关系数R2=0.545，标准差S＝8.15，很明显这个公式的相关性太差，不能满足混凝土配合比设计的需要。