鄉村道路稻殼灰混凝土配合比優化

王蘇芹 王紹良 王廣胤

（沈陽工業大學建筑與土木工程學院，遼寧 沈陽 110870）

水泥混凝土路面是我國南方大部分鄉村地區道路建設主要路面結構形式。為追求高彎拉強度，在施工中常一味增加水泥量，但這不僅加大了道路建設的成本，外在實際施工過程中發現混凝土流動度過大、膠砂富余過多，導致面層混凝土抗彎拉強度較低。研究發現，農業廢棄物稻殼灰擁有與硅灰相媲美的火山灰活性，在水泥混凝土中摻入一定量的稻殼灰，能夠一定程度地改善混凝土后期強度和耐久性。而稻殼灰水泥混凝土的組成材料和材料級配將直接影響鄉村路面的使用壽命和經濟性，所以進行稻殼灰水泥混凝土配合比設計是稻殼灰在鄉村道路工程應用的關鍵環節。目前，水泥混凝土的配合比優化設計方法包括正交試驗法、響應面法、LSSVM—GA模型等。

為減少鄉村道路維修管理以及建設成本，稻殼灰水泥混凝土不僅要滿足鄉村道路規范要求的工作性、強度和耐久性能，還應具有一定的經濟性。稻殼灰水泥混凝土的較普通水泥混凝土的優越性主要來源于兩方面：一是降低水泥用量，減少建設成本；二是使用農業廢棄物稻殼灰的再利用，大大降低了稻殼灰對環境、土壤和水源的污染。所以適用于鄉村路面的稻殼灰水泥混凝土配合比優化設計具有重大意義。本文基于正交試驗探討了鄉村稻殼灰水泥混凝土的粗骨料級配、砂率、水灰比、稻殼灰摻量對鄉村道路混凝土性能研究，采用矩陣法對試驗結果的進行分析，得出鄉村稻殼灰水泥混凝土路面各評價指標隨配合比組成的變化規律，意在為稻殼灰在道路工程實際應用中的配合比優化設計提供參考和 建議。

1 試驗概況

1.1 試驗方法及原理

水泥：普通硅酸鹽水泥，28d抗折強度為7.5MPa。

稻殼灰：經過鍋爐房燃燒后得到的稻殼灰，采用行星式球磨機研磨30min。

集料：細集料為河砂。粗集料為碎石，粒徑4.75~19mm。集料特性均符合鄉村道路施工要求。

減水劑：高效聚羧酸減水劑，減水率25%，液體，呈黃色透明。

水：普通自來水。

由于混凝土抗彎拉強度遠低于抗壓強度，所以道路混凝土在行車荷載作用下容易開裂出現斷板。脆性系數是反映道路混凝土的脆性與變形性能的指標，其值為抗壓強度與抗折強度之比，K越小，道路混凝土抵抗變形能力越好。其計算公式如下：

1.2 配合比及正交試驗設計

1.2.1 基礎配合比設計

在配合比設計計算時，結合鄉村道路交通狀況實際和相關規范規定，鄉村道路交通等級為輕，水泥混凝土路面板的設計28d彎拉強度標準值應為4.0MPa。經過計算與試配，確定基礎水灰比0.39，砂率34%，減水劑4%。

1.2.2 配合比正交試驗設計

為探究稻殼灰混凝土在鄉村道路中的應用，設計四因素三水平的正交試驗方案。通過查閱文獻和試配，初步確定水灰比的水平取值，結合稻殼灰的材料特性，確定了稻殼灰的摻量水平。粗骨料由4.75~9.5mm碎石與9.5~19.5mm碎石按比例混合，根據粒徑4.75~9.5mm細骨料在粗集料中的占比情況（25%、35%、45%），構建了3種改進的粗骨料級配曲線。為突出改良的粗骨料級配的優點，砂率采取30%、32%、34%。將粗骨料級配、砂率、稻殼灰摻量（5%、10%、15%）和水灰比（0.35、0.39、0.43）4個因素分別記為A、B、C、D這4個因素，以抗彎拉強度、抗壓強度、坍落度、脆性系數為指標，根據正交表進行方案設設計。正交試驗結果如表1所示。

表1 正交試驗結果

1.3 矩陣分析法

矩陣分析法可以定量、直觀地表述多種要素之間的關系，優選過程客觀，不受主觀因素影響，分析結果可信度較高。它可以將各因素水平對指標的影響以權重的形式表現出來，確立影響因素的主次順序和最優方案。矩陣分析法步驟如下。

（1）建立指標層矩陣：對于指標矩陣M，強度指標是正指標，試驗結果越大越好，所以取各因素在各水平上試驗指標的算術平均值為Kij=kij；脆性系數指標是逆指標，是越小越好，則取各因素在各水平上試驗指標的算術平均值的倒數為Kij=1/kij。

式中，α為權矩陣個數。

2 試驗結果與分析

2.1 極差分析

從現場試驗來看，當未摻入減水劑時，由于稻殼灰的吸水性導致稻殼灰混凝土流動性很差；摻入一定量的減水劑，道路混凝土的坍落度增加，且9組的稻殼灰混凝土的坍落度差值很小，完全滿足鄉村道路規范要求，所以本次正交試驗主要以強度和脆性系數為考察指標。對試驗結果進行極差分析，最優配合比為A3B3C2D1。

2.2 矩陣分析

利用極差表，分別建立指標層、因素層、水平層矩陣，通過MATLAB軟件計算各評價指標的權重矩陣和總權重矩陣，計算結果如表2所示。

表2 權重表

2.3 權重分析

2.3.1 抗彎拉強度

從權重值可以看出，水灰比和砂率是影響鄉村路面混凝土抗彎拉強度的關鍵因素，其次是粗骨料級配，稻殼灰摻量對面層混凝土的抗彎拉強度影響最??；各個因素的水平的變化對道路混凝土的抗彎拉強度影響較??；相比較于普通水泥混凝土，鄉村道路稻殼灰混凝土更能滿足鄉村道路對面層混凝土的抗彎拉強度要求。

2.3.2 抗壓強度

各因素對鄉村道路稻殼灰混凝土抗壓強度的權重大小砂率＞水灰比＞稻殼灰摻量＞粗骨料級配。對于后期強度來說，粗骨料級配和稻殼灰摻量的變化對強度的影響較小，砂率與水灰比水平的變化是關鍵因素。與普通水泥混凝土不同的是，隨著水灰比的增加，摻稻殼灰的鄉村道路水泥混凝土的抗壓強度先減小后增加。

2.3.3 脆性系數

對鄉村道路稻殼灰混凝土變形影響最大的首先是砂率和水灰比，其次是粗骨料級配和稻殼灰摻量。稻殼灰摻量變化對脆性系數影響最小，其余3個因素的水平變化對脆性系數影響較大，其中砂率和水灰比變化影響最大。

2.4 配合比優化

各因素對摻稻殼灰的鄉村道路稻殼灰混凝土的力學性能的綜合權重：B。由此可知，在綜合考慮各個評價指標時，應優先考慮砂和水灰比，其次是粗骨料級配，最后是稻殼灰摻量。綜合考慮，最優配合比為4.75~9.5mm粗骨料占比25%，砂率為34，水灰比為0.43，稻殼灰摻量為15%進行制作試件，標準養護28天，測得摻稻殼灰的鄉村道路混凝土28d抗彎拉強度為4.6MPa、抗壓強度為37.3MPa，坍落度為10mm，試驗結果滿足城鎮道路設計要求。

3 結語

（1）分析正交試驗結果可得：在各試驗因素的交互作用下，稻殼灰摻量對道路混凝土的坍落度影響最大。由于稻殼灰較強的吸水性，造成混凝土的工作性能大大降低，可以加入一定量的聚羧酸、高效減水劑以解決坍落度不足 問題。

（2）通過矩陣分析得出摻稻殼灰的鄉村道路混凝土的最優配合比為4.75~9.5mm粗骨料占比25%，砂率為34%，水灰比為0.43，稻殼灰摻量為15%，按照此配合比制作試件標準養護28d，進行抗彎拉強度、抗壓強度、坍落度試驗，試驗結果滿足城鎮道路設計要求。

（3）4個因素對摻稻殼灰的鄉村道路混凝土力學性能綜合影響的顯著程度由高到低依次為砂率、水灰比、粗骨料級配和稻殼灰摻量。