正交法在凍結(jié)井壁砼復(fù)合外加劑試驗中的應(yīng)用

摘要：為了使凍結(jié)施工井壁混凝土能夠在負(fù)溫條件下凝結(jié)與硬化，并滿足其各項性能要求，采用引氣劑+防凍劑+早強減水劑復(fù)合的技術(shù)路線，通過正交試驗設(shè)計復(fù)配了適應(yīng)凍結(jié)施工早強流態(tài)井壁混凝土的復(fù)合外加劑。通過試驗分析最終確定各組分摻量之間的最佳配比。復(fù)合外加劑的摻量為2.1%，可起到流態(tài)、早強、防凍及抗凍的作用。

關(guān)鍵詞：外加劑；凍結(jié)施工法；正交試驗；復(fù)合

中圖分類號：TU528文獻標(biāo)志碼：A

[WT]文章編號：1672-1098（2012）04-0030-04

基金項目：安徽省級優(yōu)秀青年人才基金資助項目（2009SQRZ064）；安徽理工大學(xué)青年科研基金資助項目

作者簡介：宗翔（1976-），男，安徽淮南人，講師，在讀博士，主要從事結(jié)構(gòu)工程和高性能混凝土等方面的教學(xué)和研究工作。

凍結(jié)施工法是煤礦特殊鑿井的施工方法之一，在復(fù)雜的軟弱含水地層建設(shè)地下結(jié)構(gòu)物中凍結(jié)施工法是最重要，也是最安全可靠的施工方法。凍結(jié)施工法的特殊性決定著凍結(jié)井壁在零攝氏度以下的環(huán)境中，進行井壁混凝土的施工和混凝土硬化，要求混凝土在低溫下具有一定的強度增長率和耐久性，也即混凝土應(yīng)具有良好的抗凍、抗?jié)B性能。同時，現(xiàn)場施工條件和井壁設(shè)計要求混凝土具有流態(tài)和高強的要求[1-2]。

淮南地區(qū)劉莊煤礦的井筒施工采用的就是凍結(jié)施工法。由于常用的外加劑只具備單一功能，不能滿足現(xiàn)場對外加劑的多種功能的要求，需要對外加劑進行復(fù)配以滿足凍結(jié)井壁混凝土施工流態(tài)、早強、抗凍和抗?jié)B的多種性能要求。

正交試驗設(shè)計是利用一種規(guī)格化的表——正交表來合理地安排試驗，利用數(shù)理統(tǒng)計的原理科學(xué)地分析試驗結(jié)果的、處理多因素試驗的科學(xué)方法。這種方法的優(yōu)點是：能夠通過代表性很強的少數(shù)次試驗，搞清各個因素對試驗指標(biāo)的影響情況；同時它又可以通過直觀分析方法以及方差分析試驗結(jié)果，確定出因素的主次順序，找出較好的生產(chǎn)條件或最優(yōu)參數(shù)組合[3]。本文采用正交試驗設(shè)計方法對引氣減水組分、防凍組分、高效減水組分、早強組分來復(fù)配，復(fù)配的重點是解決防凍、早強、減水、引氣組分的合理摻量以及相互之間的相容性。

1復(fù)合多功能外加劑的組分

在配制復(fù)合外加劑時，必須按照要求選擇合適的各個組分，以達到最佳的效果，單一組分達不到要求的效果，必須采用多元復(fù)合。按照從早強、減水、抗凍和引氣這四個方面加以考慮的原則，本課題選擇了效果較好的、復(fù)配時相容性較好且本地較易得到的三種外加劑組分進行試驗。它們分別為：A引氣劑（木鈣粉）；B防凍劑（NaNO2）；C早強減水劑（含有Na2SO4的NF高效減水劑）。

A組分是一種陰離子型高分子表面活性劑，具有減水、引氣的特點。其適宜摻量應(yīng)為水泥重量的0.20%～0.30%，當(dāng)摻量超過4%水泥用量時，混凝土強度就會損失。在與不摻外加劑的混凝土保持相同坍落度的情況下，減水率為8%～15%。在保持相同用水量時，可使坍落度增加6～8cm。A組分能減少混凝土的泌水，對混凝土有一定的緩凝作用；有一定的引氣性，可提高混凝土的抗凍性和抗?jié)B性。

B組分是以降低液相中的冰點為目的的一種純化學(xué)物質(zhì)，它能夠有效地降低混凝土中液相的冰點，使得混凝土在負(fù)溫環(huán)境下，仍然能夠得到強度的增長。

C組分主要成分為高效減水劑，因其含有Na 2SO 4，故其在具有減水效果的同時還有提高混凝土早期強度的性能。早強減水組分C的適宜摻量為0.5%～1.2%，一般減水率為15%～25%，早期強度顯著。摻加0.5%的C組分使混凝土坍落度提高10cm，摻加1%的C組分減水率為10%～25%。若水泥用量相同，坍落度相近，則混凝土3d強度提高50%左右，28d強度提高15%～30%，一年后強度可提高30%左右?；炷量?jié)B、抗凍、徐變等耐久性能均有所改善。

2正交設(shè)計試驗

2.1井壁混凝土的原材料

水泥采用巢湖產(chǎn)42.5級普通硅酸鹽水泥，試驗測得的各項性能指標(biāo)符合標(biāo)準(zhǔn)要求。細(xì)集料采用本地河砂，細(xì)度模數(shù)2.67，屬Ⅱ區(qū)中砂。粗集料采用九龍崗地區(qū)石灰?guī)r碎石，粒徑5～25mm，連續(xù)級配，壓碎指標(biāo)為8.14?；炷涟韬陀盟捎帽镜刈詠硭?。外加劑按正交設(shè)計的9種試驗方案添加。

2.2確定因素和水平

首先對擬采用的外加劑組分進行試驗分析，初步組合，并借助相關(guān)試驗將次要成分的品種、摻量范圍固定。

根據(jù)凍結(jié)井壁施工對混凝土的要求和擬采用的三種外加劑組分試驗指標(biāo)分析，外加劑的組分種類和摻量是影響混凝土性能的主要因素。各個組分的摻量先進行單組分試驗后再確定該組分在本試驗中的合理用量范圍，在比較小的用量范圍內(nèi)選擇考察因素的水平進行正交試驗設(shè)計，將主要的3種外加劑組分按照L9（34）設(shè)計方案進行混凝土性能試驗。正交設(shè)計試驗的因素與水平如表1所示[4]。

2.3試驗情況及結(jié)果分析

根據(jù)正交設(shè)計安排得到的試驗方案，試驗結(jié)果和極差分析結(jié)果如表2和表3所示。

3SA-H型復(fù)合外加劑檢驗

SA-H型復(fù)合外加劑的試驗結(jié)果如表4所示。

SA-H型復(fù)合外加劑主要通過改善混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來提高混凝土的抗凍性能，它與單一的抗凍劑相比，具有早期強度高、后期強度損傷小、有較好的耐久性等特點。SA-H型復(fù)合外加劑對改善混凝土拌和物的和易性，提高低溫混凝土的早期強度和提高其抗凍性、抗?jié)B性均具有明顯作用。通過系統(tǒng)的試驗可以確定SA-H型復(fù)合外加劑適合用于凍結(jié)井壁施工的低溫高強流態(tài)混凝土。

4結(jié)論

采用正交試驗法對復(fù)合外加劑進行復(fù)配試驗，先確定影響因素和水平，科學(xué)分析測試數(shù)據(jù)后，得到了可靠的研究結(jié)果，減少了試驗量，縮短了試驗周期，找出了相應(yīng)性能要求的最優(yōu)復(fù)配方案，降低了試驗成本，提高了工作效率。

本試驗研制的SA-H型復(fù)合多功能外加劑由3種組分構(gòu)成，可以滿足凍結(jié)井壁混凝土早強、防凍、流態(tài)的要求，改善了混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，形成了細(xì)小、密閉的孔結(jié)構(gòu)，從而阻斷了連通混凝土內(nèi)部毛細(xì)管的通道，提高其抗?jié)B性、抗凍性等耐久性，對鋼筋無銹蝕作用。在淮南地區(qū)劉莊煤礦的井筒施工的應(yīng)用中，獲得很好的使用效果，且經(jīng)濟性較好。

參考文獻：

[1]姚直書，程樺，楊俊杰.深表土中高強鋼筋混凝土井壁力學(xué)性能的試驗研究[J].煤炭學(xué)報，2004，29（2）：167-171.

[2]熊大玉，王小虹.混凝土外加劑[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002：1-152.

[3]劉數(shù)華，冷發(fā)光，羅季英.建筑材料試驗研究的數(shù)學(xué)方法[M].北京：中國建材工業(yè)出版社，2006：28-65.

[4]閔凡飛，朱金波，張明旭.正交法在高泥化煤泥水沉降試驗中的應(yīng)用[J].安徽理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2010，30（4）：52-56.

[5]國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.JC475-2004混凝土防凍劑[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2004.

[6]國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB8076-2008混凝土外加劑[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[7]中國建筑科學(xué)研究院.JGJ55-2011普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

（責(zé)任編輯：何學(xué)華，吳曉紅）