基于正交試驗法的高性能混凝土耐久性能影響

張喆 楊謙 安亞強

摘要：針對當前建筑領域對高性能混凝土性能要求越來越高的問題，結合相關的理論知識，以軌道板混凝土作為研究對象，對其耐久性能進行探討。對此，文章首先采用正交試驗法對高性能混凝土的最優配合比進行優化，然后結合耐久性的指標，重點對其抗凍性能、抗壓強度、坍落度、抗硫酸鹽侵蝕性、抗裂性能、抗滲透性能等進行了測試，結果表明水灰比0.29、礦物量10%、砂率37%、外加劑1.5%的情況下，混凝土表現出較好的久性能。通過上述的研究，給鐵路施工中的高性能混凝土設計提供了借鑒。

關鍵詞：高性能混凝土;耐久性;抗裂性;正交實驗法;水灰比

中圖分類號：TU528 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）12-0133-03

隨著建筑材料和建筑技術的演化，高性能混凝土憑借其高耐久性等優勢，被廣泛應用在橋梁、隧道等。目前，針對高性能混凝土的制備存在很多爭議，如美國則強調混凝土的耐久性和尺寸穩定性;日本則強調混凝土自身的高工作性;吳中偉院士則強調高強度和高耐心性，但側重于滿足質量管理和現代技術條件下。本文則結合上述關于高性能混凝土研究的熱潮和側重點，重點就高性能混凝土的耐久性進行研究，并采用試驗進行驗證。

1 試驗原材料與配合比設計

1.1試驗原材料

本文以鐵路建設工程中的軌道板混凝土為背景，就影響高性能混凝土的耐久性進行研究，以此為混凝土施工提供化學參考依據。由此，本實驗主要采用P.O42.5水泥、5～20mm粗骨料、模數為2.3～3.0的細骨料。

1.2配制強度計算

配制強度fcu，k通常由強度等級fcu，0和強度的標準差σ確定，具體強度計算公式為：

fcu，k=fcu，0=tσ

（1）

t表示強度保證率系數，t值為1.645。

1.3正交試驗的配合比設計

采用正交試驗法設計不同比例對混凝土性能的影響。綜合考慮影響因素，選擇水膠比、砂率、礦料摻量進行正交試驗。其中水膠比為0.27、0.29、0.31;砂率為37%、3g%、41%3個水平;礦料摻量取10%、15%、20%3個水平。由此得到如表1所示的配合比。

根據上述的試驗配合比，可以得到表2所示的混凝土坍落度和抗壓強度。

針對上述的結果，本文采用極差法對數據進行分析后，認為試驗組4得到的坍落度和抗壓強度最高，說明該組配置方案最佳。

2 耐久性測試

為進一步驗證上述制備的高性能混凝土試件的耐久性能，分別對試件進行抗滲透性、抗凍性、耐腐蝕性等測試。

2.1抗滲透性測試

抗滲透性通常被認為時候檢驗混凝土性能的一個重要指標。對客運專線的軌道板來講，在長期使用的過程中，難免會受到環境的影響，受到氯離子的侵入。而通過研究表明，當氯離子的濃度達到一定的比例，則會造成鋼筋銹蝕，進而使得混凝土的粘接力下降，最終導致整個混凝土結構受到破壞。因此，在對混凝土的耐久性能進行評價的過程中，氯離子的滲透性往往是評價混凝土耐久性的一個重要指標，特別是在高速公路、專用橋梁等。對此，本文采用電通法對高性能混凝土的抗滲透性進行測定。具體選擇水膠比為0.29，同時礦摻量為10%、15%、20%的混凝土進行電通測試試驗。通過上述的方法，得到在一定水膠比下，不同礦摻量下的抗滲透性能，具體如圖1所示。

通過圖1可知，上述三組混凝土試件都滿足電通量值規定的要求，也就是按照本文配置的高性能混凝土，其都具備較好的抗滲透性能。但是，通過上述的對比看出，隨著礦物摻合量的不斷增加，混凝土試件的電通量卻在不斷的減少，由此可以說明試件的抗滲透性在不斷提高。而出現該現象的一個重要原因，是在混凝土中加入了礦物摻合料，這些摻合料填充了混凝土中的狹縫，從而極大的改善了混凝土的內部結構，提高了整體的密室度。而當礦物摻量從15%增加到20%的時候，其抗滲透性又有所下降，說明過多的摻入礦物摻合料，導致其內部結構變差，抗滲透性明顯降低。

2.2抗凍性試驗

抗凍性被認為是衡量高性能混凝土的又一個重要指標。所謂的抗凍性，是指混凝土在水飽和的情況下，經多次凍融循環作用后，而其結果不受到破壞，性能不受到影響。對鐵路客運專線來講，由于其面對的環境日益復雜，會經過寒冷地區，從而使得高性能混凝土的抗凍性受到嚴格的關注。而分析混凝土的凍融破壞機理，鮑爾斯則認為是水在飽和的章臺下，導致混凝土內部受到膨脹壓力和滲透壓力，進而在混凝土內部的孔壁中產生拉應力，一旦這個拉應力炒股混凝土的抗壓強度，那么混凝土就會受到破壞，出現開裂。

通過試驗表明，影響混凝土抗凍性的因素很多，本文則選取水膠比和礦摻量作為影響的因素，并設定對比試驗，目的是觀察在不同水膠比和礦摻量的情況下，其凍融破壞情況。試驗儀器則選擇TDR I型混凝土快速凍融試驗機。通過上述的方法，得到表3所示的結果。

通過上述的試驗可以看出，水膠比越小，混凝土的損失率則越小。且在水膠比曉得情況下，礦物摻合料越多，相對動態模量越大，說明其抗凍性也就越好。主要原因是在該條件下，混凝土的凝膠結構變得致密，大大提高了抗凍性。

2.3抗硫酸鹽侵蝕性試驗

在混凝土的結果中，化學侵蝕是非常常見的一個問題，特別是硫酸鹽的侵蝕，是影響混凝土耐久性的一個重要因素。對硫酸鹽的侵蝕中，是目前所知的危害最大，影響最為復雜的問題。對硫酸鹽腐蝕來講，通常存在與地下水中，特別是一些鹽堿地路段。而一旦對鐵路軌道板腐蝕，將給鐵路運營帶來極大的危害。對此，在對耐久性進行測量中，重點對硫酸鹽侵蝕進行研究。研究認為，硫酸鹽的侵蝕是非常復雜的一個過程，其中包含著很多化學反應，并且這個過程非常漫長。試驗表明，出現硫酸鹽侵蝕與水泥中硅酸鹽的含量有著很大的關系。而最初的反應中，主要是鈣離子與石膏溶解，從而得到硫酸根離子.具體反應的方程式為：

C3A+3CSH2+26H→C6AS3H32

（2）

而為了測定本文制備的混凝土試件的抗侵蝕能力，采用以下的步驟：

1）將制備好的試件放在80℃的烘箱中進行恒溫烘烤，持續6h，同時冷卻觀察1h。取出將其進行稱重，并將其浸泡在濃度大小為5%的硫酸鈉溶液當中th，取出擦干表明水份，再晾干1h。由此重復上述的步驟，可以得到如圖2所示的結果。

根據下述的結果看出，本文制備的高性能混凝土的抗侵蝕能力隨著礦物摻合量的增加而不斷提升，并且在摻入20%的時候，其循環次數達到最大。此后，隨著摻合量的增加，其循環次數減少。而之所以的大搜該結果，是因為礦物摻合料有助于提高混凝土的抗硫酸鹽整體侵蝕性能。而加入礦物摻合料后，使得混凝土結果變得更加密實，強度更高。但超過一定的量，其抗硫酸鹽侵蝕性能則降低，主要是隨著其量的增加，很難形成足夠的強度和密實性，使得抗硫酸鹽侵蝕性能降低。

3 結語

通過上述對高性能混凝土在抗滲透性、抗凍性和抗硫酸鹽侵蝕性等方面的研究，通過一定的配合比設計的高性能混凝土具有較好的耐久性。通過研究可以得到以下結論：對軌道板混凝土制備的最佳配合比：水灰比=0.29，礦物摻合量20%;通過試驗得出，水膠比越小，其抗硫酸鹽侵蝕能力越大，主要的原因在于較小的水膠比，使得混凝土中的水含量較低，進而減少了與硫酸鹽反應的幾率;礦物摻合料的加入，增加了混凝土試件的密實性，進而提高了其抗凍性和抗硫酸鹽侵蝕能力。說明在對高性能混凝土的制備過程中，摻入一定量的礦物摻合料具有極大的作用和價值;過多的摻入礦物摻合料，會使得混凝土強度發展緩慢的情況下，很難在混凝土的內部形成好較高的強度和密實度，最終使得抗硫酸鹽侵蝕能力不斷下降。

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