基于正交試驗設計的內養護劑SAP在鋼管微膨脹混凝土中的應用

黃國棟，張戎令,2，李 華，郭海貞，郝兆峰

(1.蘭州交通大學 甘肅省道路橋梁與地下工程重點實驗室，甘肅 蘭州 730070；2.蘭州交通大學 道橋工程災害防治技術國家地方聯合工程實驗室，甘肅 蘭州 730070)

0 引言

近年來，鋼管混凝土拱橋在我國大量建設，其充分發揮了鋼管和混凝土兩種材料的優勢、彌補彼此缺點，使鋼管混凝土結構性能優于其他結構[1]。鋼管混凝土結構發揮優勢的關鍵在于鋼管與核心混凝土之間緊密結合，充分發揮鋼管套箍作用，從而提高其受力性能。然而，為充分發揮鋼管與核心混凝土之間的協同作用，一般將核心混凝土設計為高性能混凝土，此類混凝土具有低水灰比、水泥用量高的特點，使其自收縮值較大，容易導致鋼管與核心混凝土之間產生裂縫，影響二者的協同作用。為解決此問題，工程中多采用在鋼管內灌注高性能微膨脹混凝土的方法，利用其水化硬化過程中體積膨脹，補償混凝土收縮，甚至產生一定的膨脹應力，從而使鋼管與混凝土緊密結合[2-3]。但又因核心混凝土澆注后處于密閉環境中無法進行外部養護，造成水化中后期膨脹劑由于缺水無法充分水化，影響膨脹劑彌補收縮的效果，從而影響二者優勢性能的發揮。目前，針對高性能混凝土養護問題，國內外學者引入內養護技術的研究[4-5],多采用一種新型內養護材料高吸水性樹脂(SAP)來改善混凝土性能。將SAP摻入高強、低水灰比混凝土，對混凝土硬化過程中發生的收縮及開裂具有有效的抑制作用[4,6]。同時，SAP也具有引氣劑的效果，有研究表明[7-8]，SAP可提高混凝土的抗滲、抗氯離子滲透性能。但較大量地摻入SAP對混凝土抗壓強度及流動性有一定不利影響。而硅灰作為一種微細粉體外摻料，具有較高的火山灰活性，能夠填充混凝土內部孔隙結構，使其內部更加密實，進而顯著提高混凝土強度[9-10]。同時，可以不同程度地改善混凝土和易性[11-12]，故可以用以彌補SAP摻入造成的不利影響。

因此，膨脹劑與其他外加劑、外摻料聯合使用是其發展的必然趨勢，以發揮各自優越特性。為此，本研究模擬鋼管核心混凝土密封環境，研究不同摻量膨脹劑、SAP、硅灰對鋼管核心混凝土性能影響，對內養護復合型摻合料混凝土在鋼管密閉環境下的應用具有一定的工程參考價值。

1 試驗原材料及方案

1.1 試驗原材料

水泥采用祁連山牌P·O42.5水泥；粗骨料采用5～20 mm粒徑的連續級配碎石；細骨料采用河沙，細度模數為2.8，屬于中砂；本試驗采用兩種礦物摻合料,分別為UEA-H型膨脹劑和硅灰，其各項主要技術指標分別見表1、表2；高吸水性樹脂SAP主要成分及物理性能見表3，細度為200目左右；減水劑采用聚羧酸高性能減水劑，減水率28%；拌和用水采用自來水。

表1 膨脹劑各項性能檢測指標Tab.1 Testing indicators of expansion agent performance

表2 硅灰化學成分Tab.2 Chemical composition of silica fume

1.2 鋼管混凝土配合比正交試驗設計方案

1.2.1試驗目的及指標確定

隨著混凝土工程建設規模與技術的快速增長，其對混凝土不同性能的綜合需求也越來越高,不能只用單一因素進行設計，應進行對混凝土多種性能指標的綜合設計。本試驗進行正交試驗設計，采用的考核指標為混凝土坍落度、抗壓強度及電通量。

表3 SAP主要成分及物理性能Tab.3 Main components and physical properties of SAP

1.2.2正交試驗設計

本試驗考慮影響因素為膨脹劑、SPA、硅灰。為得到這3個因素的影響特點，每個因素設有3個水平，選用L9(34)的正交表，正交因素水平表見表4，正交試驗方案的混凝土配合比見表5。膨脹劑摻量參考工程常用UEA型推薦摻量5%～10%，考慮內養護劑SAP摻入，故擴大其摻量分別為8%，10%，12%。因本試驗SAP采用干摻方式，混凝土內吸水量未知且不易達到飽和，故依據大量文獻研究，適當將其摻量擴大為0.1%，0.3%，0.5%。根據大量研究及工程實際經驗，高性能混凝土一般不易超高10%，既不因摻量過大影響流動性，又可以有效改善混凝土其他性能，故取硅灰摻量分別為4%，6%，8%。

表4 因素水平表Tab.4 Factor level table

表5 正交試驗混凝土配合比(單位：kg·m-3)Tab.5 Mix ratio of concrete in orthogonal test (unit: kg·m-3)

1.2.3試驗方法

(1) 工作性能

混凝土工作性能主要是它的和易性，其表征方法是實測混凝土坍落度，按《普通混凝土拌合物性能試驗方法》[13](GB/T 50080—2016)進行。

(2) 力學性能

混凝土力學性能測試指標為抗壓強度，測試方法依照標準《普通混凝土力學性能試驗方法標準》[14](GB/T 50081—2016)進行。鑒于SAP吸水性極強、極快，且遇水時極易發生團聚導致攪拌均勻較為困難。因此，混凝土攪拌時宜先將粉末狀的膠凝材料和SAP 一起混合進行攪拌10 s，然后將大粒徑的粗細骨料加入，干拌30 s，最后添加拌和水和減水劑，攪拌2 min。試塊成型后，為防止試塊水分蒸發，將試塊表面用保鮮膜覆蓋，放置在室溫的環境下，24 h后拆模、編號。為模擬鋼管核心混凝土密封環境，用塑料薄膜及膠帶密封，如圖1所示，然后放入養護室養護。

圖1 混凝土試塊密封情況Fig.1 Seal of concrete test blocks

(3)電通量

圖2 混凝土的抗氯離子滲透能力試驗Fig.2 Anti-chlorine permeability test on concrete

本次試驗電通量測試方法依照標準《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》[15](GB/T 50082—2009)，對養護至齡期的Φ100 mm×50 mm標準圓柱體試塊進行試驗，試驗過程如圖2所示。具體試驗方法：試驗前試塊需進行真空保水，真空保水結束后，將側面蠟封的試塊安裝于兩側分別注入質量濃度3.0%的NaCl(負極)和物質量濃度0.3 mol/L 的NaOH(正極)的試驗槽中進行混凝土抗氯離子滲透能力。

(4)孔結構

本試驗利用Mi-cromeritics公司生產的AutoPore Ⅳ 9500型全自動壓汞儀，試樣制備及過程參照文獻[16]要求,將養護至齡期的試件切成8～10 mm片狀，然后鉆孔取芯，直徑為4～8 mm的柱體形狀試樣，并浸泡在無水乙醇中終止膠凝材料水化，在60 ℃ 烘箱中烘干至恒重后進行測試。

2 正交試驗結果及分析

正交試驗通常采用極差、方差兩種分析法，通過極差分析可以確定各因素對試驗指標影響的主次順序及試驗范圍內的最優組合；通過對試驗數據的方差分析可具體得出試驗誤差的大小，從而彌補極差分析的不足，進而提高試驗分析的精度及正確性。本次正交試驗結果如表6所示。

表6 正交試驗結果Tab.6 Orthogonal test result

2.1 坍落度結果分析

2.1.1極差分析

對表6中坍落度試驗結果進行極差方法分析，結果如表7所示。由表7可知，本試驗考慮的因素對鋼管微膨脹混凝土坍落度影響主次順序為：SAP→硅灰→膨脹劑。每個因素水平對應的K值最大則為該因素的最優水平，即得到滿足工作性能的因素水平最優組合是：膨脹劑10%、SAP 0.3%、硅灰4%。

表7 坍落度試驗結果極差分析計算表Tab.7 Calculation table of range analysis of slump test result

2.1.2方差分析

將表6中坍落度試驗結果進行方差分析,結果如表8所示。由表8可知,各因素影響坍落度的主次順序為：SAP→硅灰→膨脹劑，這與極差分析結果一致；SAP摻量對坍落度有一定影響，膨脹劑、硅灰的影響較小；本次試驗考慮的3個因素顯著性檢驗中，SAP、硅灰及膨脹劑摻量顯著性檢驗均未達到顯著水平，但它們的偏差平方和都比誤差的偏差平方和要大，這說明正交試驗的結果是合理的。因此，本研究通過上述兩種方法的對比分析，在坍落度指標結果分析條件下鋼管核心混凝土最優配比是膨脹劑10%、SAP 0.3%、硅灰4%。

表8 坍落度試驗結果方差分析計算表Tab.8 Calculation table of variance analysis of slump test result

注：當F>F0.01時，表示試驗因素對試驗結果影響高度顯著；當F0.05

2.2 抗壓強度結果分析

2.2.1極差分析

對表6中抗壓強度試驗結果進行極差方法分析，結果如表9所示。由表9可知，對鋼管微膨脹混凝土3 d抗壓強度影響主次順序為：膨脹劑→硅灰→SAP；對28 d抗壓強度影響主次順序為：SAP→膨脹劑→硅灰。每個因素水平對應的K值最大則為該因素的最優水平，即得到使3 d抗壓強度達到最大的因素水平最優組合是膨脹劑10%、SAP 0.1%、硅灰4%；使28 d抗壓強度達到最大的因素水平最優組合是膨脹劑10%、SAP 0.1%、硅灰8%。為了更直觀地分析各因素對3 d 抗壓強度的影響規律和趨勢，取因素水平為橫坐標，取各因素水平結果的平均偏差kij為縱坐標，將表9中數據繪制因素與試驗指標趨勢圖，如圖3、圖4所示。

表9 抗壓強度試驗結果極差分析計算表Tab.9 Calculation table of range analysis of compressive strength test result

圖3 各因素水平對3 d抗壓強度的影響規律及趨勢Fig.3 Influence rule and trend of each factor level on 3 d compressive strength

圖4 各因素水平對28 d抗壓強度的影響規律及趨勢Fig.4 Influence rule and trend of each factor level on 28 d compressive strength

由圖3(a)可得，3 d的抗壓強度隨著膨脹劑摻量的增大呈現先增大后減小的趨勢，且隨著膨脹劑等量的增加，強度增長幅度小于下降幅度。這說明通過摻入膨脹劑使混凝土早期產生膨脹應力，可以提高混凝土中水化產物的密實程度，但摻量過大，會導致膨脹應力破壞混凝土界面過渡區的微觀結構甚至產生裂縫，降低密實程度，從而對混凝土強度造成不同程度的降低。因此，膨脹劑摻量存在一個合理范圍的臨界值，并非越多越好。

由圖3(b)可得，3 d的抗壓強度隨著SAP摻量的增大呈現先減小后增大的趨勢，且隨著SAP等量的增加，強度變化幅度較小，基本相同。這說明本試驗范圍內SAP摻量對3 d抗壓強度影響并不顯著。

由圖3(c)可得，3 d的抗壓強度隨著硅灰摻量的增大呈現減小的趨勢，且隨著硅灰等量的增加，強度降低的幅度先慢后快。這說明當硅灰摻量較多時，混凝土的流動性就會變差，如同水灰比較低時的狀態一樣，減緩了此膠凝材料體系早期的水化速率，膠凝材料顆粒水化不充分，Ca(OH)2含量不足，硅灰無法完全反應，形成較多的不利孔，且遺留的若干未水化顆粒反而對于整體的界面黏結性能具有弱化作用，進而降低混凝土的強度。

由圖4(a)可得，28 d的抗壓強度隨著膨脹劑摻量的增大呈現先增大后減小的趨勢，且隨著膨脹劑等量的增加，強度增長幅度小于下降幅度，這與3 d 抗壓強度規律基本一致，但膨脹劑從8%增加至10%時，強度的增長幅度比3 d的略大，主要是由于SAP的加入能儲蓄膠凝材料水化所需水分，可以促進膨脹劑及與水泥水化產物發生二次反應，從而混凝土后期強度進一步增長。因此，10%的膨脹劑摻量是影響鋼管微膨脹混凝土28 d抗壓強度的極值點。

由圖4(b)可得，28 d的抗壓強度隨著SAP摻量的增大呈現先減小后增大的趨勢，且隨著SAP等量的增加，強度下降幅度大于增大幅度，這與3 d抗壓強度規律基本一致，但變化幅度更為顯著。這說明在本試驗條件下，將SAP加入復合膠凝材料中，可在預拌過程吸收水分，這會造成此膠凝材料體系的水化速率變緩和，而在后期混凝土干燥過程SAP釋放水分加快水化速率。使得不同齡期的水化速率趨于均衡，使整個水化過程的發生變得平緩。這主要是因為混凝土的水化是在動態的堿性環境下發生，水化的持續進行會使水化體系pH不斷變大，最終pH值大約維持在 12～13，而隨著混凝土水化體系的pH值變大，將引起吸水后的SAP緩慢釋放出水分，促進未水化充分的膠凝材料進一步水化。

由圖4(c)可得，28 d的抗壓強度隨著硅灰摻量的增大呈現逐漸增大的趨勢，且隨著硅灰等量的增加，強度變化幅度較小，基本相同。這主要是由于在水化早期，SAP吸收一定量的水分，將使得混凝土膠凝材料水化速率延緩。而在水化后期混凝土內部干燥，SAP釋放水分進而促進未充分水化的硅灰顆粒進一步水化，從而使混凝土強度得到提高。這說明在本次試驗采用的復合膠凝材料體系鋼管核心混凝土中摻入SAP可起到內養護的作用。

2.2.2方差分析

將表6中抗壓強度試驗結果進行方差分析,結果如表10所示。由表10可知，各因素影響3 d抗壓強度的主次順序為：膨脹劑→硅灰→SAP，這與極差分析結果一致；膨脹劑摻量與硅灰摻量對3 d抗壓強度影響顯著，SAP的影響較小。因此，本研究通過上述兩種方法的對比分析，在3 d抗壓強度指標結果分析下鋼管微膨脹混凝土最優配比是膨脹劑10%、SAP 0.1%、硅灰4%。各因素影響28 d抗壓強度的主次順序為：SAP→膨脹劑→硅灰，這與極差分析結果一致；SAP摻量對28 d抗壓強度影響顯著，膨脹劑有一定影響，硅灰的影響較小。因此，本研究通過上述兩種方法的對比分析，在28 d抗壓強度指標結果分析下鋼管微膨脹混凝土最優配比是膨脹劑10%、SAP 0.1%、硅灰8%。

2.3 電通量結果分析

2.3.1極差分析

對表6中混凝土28 d電通量試驗結果進行極差方法分析，結果如表11所示。由表11分析可得，本試驗考慮的因素對鋼管微膨脹混凝土電通量影響主次順序為：硅灰→膨脹劑→SAP。由于電通量越小表示混凝土抗氯離子滲透能力越好，所以每個因素水平對應的K值最小則為該因素的最優水平，即得到最佳抗氯離子滲透性的混凝土的各因素水平分別為膨脹劑8%、SAP 0.3%、硅灰8%。將表11中數據繪制因素與試驗指標趨勢圖，如圖5所示。

由圖5(a)可得，28 d的電通量隨著膨脹劑摻量的增大呈現逐漸增大的趨勢，且隨著膨脹劑等量的增加，電通量增長幅度先慢后快。這說明在本試驗條件下，隨著膨脹劑摻量增加核心混凝土抗氯離子滲透能力降低。這主要是由于膨脹劑摻量的增加，混凝土膨脹率增加，這對混凝土密實性有利；而隨著膨脹劑摻量的增加，水泥用量降低，導致水化產物生成量降低，這對混凝土密實性不利。因此，效應疊加的效果就出現一個最佳摻量值。膨脹劑從8%增加至10%時，28 d的抗壓強度增大，這表明在復合膠凝體系混凝土中抗氯離子滲透和抗壓強度之間并不是簡單的線性關系。混凝土中摻入復合型摻合料(膨脹劑、硅灰)，即使混凝土的抗壓強度得到提高，但不一定顯著改善混凝土的抗氯離子滲透能力。這主要是因為兩者的決定參數不相同，沒有簡單的線性關系。

表10 抗壓強度試驗結果方差分析計算表Tab.10 Calculation table of variance analysis of compressive strength test result

表11 28 d電通量試驗結果極差分析計算表Tab.11 Calculation table of range analysis of 28 d electric flux test result

圖5 各因素水平對28 d電通量的影響規律及趨勢Fig.5 Influence rule and trend of each factor level on 28 d electric flux

由圖5(b)可得，28 d的電通量隨著SAP摻量的増大呈現先減小后增大的趨勢，且隨著SAP等量的增加，電通量下降幅度大于增大幅度。這說明在本試驗條件下，隨著SAP摻量增加核心混凝土抗氯離子滲透能力先提高后降低。有研究表明[4,17-18]：混凝土硬化過程內部逐漸干燥，此時SAP緩慢失水，其失水干燥后在混凝土內部形成200～600 μm的孔隙，而失水的SAP塌陷后以有機膜的形式覆蓋在孔壁上，或以塌縮顆粒形式存在于孔中，將在混凝土內部形成獨立的球狀小孔，而這些微小獨立、封閉的小孔相當于引氣劑引入到混凝土中的氣泡，在一定程度上改善了提高混凝土的抗氯離子滲透性能。但當SAP摻量過多時，會導致孔數量和尺寸增大，這將不利于SAP充分發揮類似于引氣劑的作用。

由圖5(c)可得，28 d的電通量隨著硅灰摻量的增大呈現逐漸減小的趨勢，且隨著硅灰等量的增加，電通量減小幅度先快后慢。這說明在本試驗條件下，隨著硅灰摻量增加核心混凝土抗氯離子滲透能力提高。這主要是由于硅灰作為常用礦物摻合料中比表面積較大的品種，其較強的超細填充能力具有細化孔隙、增加密實度等作用。同時，硅灰具有水化活性高的特點，可通過提高水化產物的生成量和降低孔隙的連通程度，這些都會使混凝土內部結構得到優化，從而降低氯離子在混凝土中的滲透能力。

2.3.2方差分析

將表6中28 d電通量試驗結果進行方差分析,結果如表12所示。由表12可知,各因素影響28 d電通量的主次順序為：硅灰→膨脹劑→SAP，這與極差分析結果一致；硅灰摻量對28 d電通量影響顯著，膨脹劑和SAP的影響較小；本試驗考慮的3個因素顯著性檢驗中，硅灰摻量顯著性檢驗均達到顯著水平，膨脹劑、SAP雖未達到顯著水平，但它們的偏差平方和都比誤差的偏差平方和要大，這說明正交試驗的結果是合理的。因此，本研究通過上述兩種方法的對比分析，在28 d電通量指標結果分析條件下鋼管微膨脹混凝土最優配比是膨脹劑8%、SAP 0.3%、硅灰8%。

表12 28 d電通量試驗結果方差分析計算表Tab.12 Calculation table of variance analysis of 28 d electric flux test result

2.4 正交試驗最優配合比優選(綜合平衡法)

將上文中極差分析和方差分析的結果分別列于表13中，并對各指標進行綜合評定，最終優選出合理的方案，即最優試驗配比方案。

表13 鋼管微膨脹混凝土配合比正交試驗綜合平衡分析表Tab.13 Comprehensive balance analysis table of orthogonal test of steel tube micro-expansive concrete mix ratio

因素A：對于本次試驗考察的4個指標，由極差分析可知，A因素是影響3 d抗壓強度的主要因素，同時是影響28 d抗壓強度和電通量的次要因素，而對坍落度影響最小。因3 d，28 d抗壓強度及坍落度都取A2水平為最優，且28 d電通量雖取A1水平為最優水平，但因素A從1水平到2水平，混凝土抗氯離子滲透能力降低較小，所以綜合來看取A2較好，即選取膨脹劑摻量為10%。

因素B：對于本次試驗考察的4個指標，由極差分析可知，B因素是影響28 d抗壓強度和坍落度的主要因素，對3 d抗壓強度和28 d電通量的影響最小。對于3 d，28 d抗壓強度取B1水平為最優；對于坍落度雖取B2水平為最優，但因素B從1水平到2水平，混凝土拌和物坍落度增長并不明顯；對于28 d電通量取B2水平為最優，而因素B從1水平到2水平，雖然混凝土抗氯離子滲透性能得到提高，但3 d，28 d抗壓強度降低。因此確定B1為最優水平，即選取SAP摻量為0.1%。

因素C：對于本次試驗考察的4個指標，由極差分析可知，C因素是影響28 d電通量的主要因素，是影響坍落度和3 d抗壓強度的次要因素，對28 d抗壓強度影響最小。對于28 d電通量取C3水平為最優，而因素C從水平1到水平3，雖然混凝土抗氯離子滲透性能得到改善，但從水平2到水平3，其抗氯離子滲透能力改善并不明顯；同樣對于28 d抗壓強度因素從水平2到水平3，其抗壓強度并無明顯改善；對于3 d抗壓強度隨著硅灰摻量的增加而降低，但從水平2到水平3降低較明顯；對于坍落度隨著硅灰摻量的增加而持續降低，但本次試驗坍落度基本滿足實際工程需求。所以綜合考慮混凝土強度及到達硅灰用量經濟性的目的，故選用C2為最優水平，即選取硅灰摻量為6%。

方差理論中在選最優組合時，一般只對顯著因素選擇進行優化選擇，而對于不顯著的因素，原則上可在試驗范圍內選擇任意水平。由方差分析結果可知，對于指標坍落度，膨脹劑、SAP、硅灰均未達到顯著水平；對于指標3 d抗壓強度，膨脹劑、硅灰達到顯著水平，其取A2、C1為最優水平；對于指標28 d抗壓強度，SAP達到顯著水平，其取B1為最優水平；對于指標28 d電通量，硅灰達到顯著水平，其取C3為最優水平。3 d抗壓強度與28 d電通量對于因素C最優水平出現矛盾，但綜合混凝土主要指標強度及工程經濟性要求，確定C2為最優水平。

綜上分析，復摻礦物摻合料膨脹劑、硅灰及高吸水性樹脂SAP的鋼管微膨脹混凝土最優配合比為A2B1C2，即A膨脹劑摻量為10%，B高吸水性樹脂SAP摻量為0.1%，C硅灰摻量為6%。

2.5 正交試驗最優配合比設計參數對比試驗

2.5.1最優組驗對比驗配合比確定

以混凝土工作性能、力學性能及耐久性能為考察指標，確定混凝土最優配合比為A2B1C2，再對優選組和基準組進行對比試驗，以檢驗優選組的合理性。試驗安排及試驗配合比分別見表14和表15。

表14 驗證試驗安排表Tab.14 Verification test schedule

注：PJ為膨脹混凝土基準組；PS為摻SAP的膨脹混凝土組；PZ為膨脹混凝土最優組。

表15 驗證試驗混凝土配合比(單位:kg·m-3)Tab.15 Mix ratios of concrete for verification test (unit:kg·m-3)

2.5.2抗壓強度、坍落度、電通量對比試驗結果

最優配合比對比試驗結果見表16，混凝土抗壓強度、坍落度、電通量對比如圖6所示。

表16 最優配合比對比試驗結果Tab.16 Comparison test result of optimal mix ratios

圖6 最優配合比對比試驗分析圖Fig.6 Comparison analysis diagrams of optimal mix ratios

如圖6所示，對比試驗結果顯示，PJ組與PZ組相比，坍落度明顯降低，PJ組與PS組相比，坍落度降幅較小，表明摻入較少量的SAP，混凝土坍落度所受影響不大，且摻加硅灰可以很好的改善混凝土的工作性。

在不同齡期，PS組混凝土的抗壓強度均略低于PJ組和PZ組。28 d齡期時，PZ組與PJ組相比,抗壓強度提高約10%，PZ組與PS組相比,抗壓強度提高約21%。56 d齡期時，PZ組與PJ組和PS組相比,抗壓強度分別提高約10%，12%。這表明摻加SAP在一定程度上降低了混凝土強度，但隨著齡期增長，SAP預前吸水的水分適時釋放水分，促使進一步水化，使PJ組和PS組56 d抗壓強度基本一致，則隨著齡期的增長SAP可以彌補早期強度的不足。本試驗出現部分試件強度28 d未達到設計強度，這可能是由于粗骨料顆粒級配不均勻及存在少量針狀和片狀碎石造成混凝土強度降低。

電通量越大則混凝土抗氯離子滲透性能越差，抗氯離子滲透等級降低。在不同齡期，PJ組混凝土的抗氯離子滲透性能低于PS組和PZ組。28 d齡期時，PS組和PZ組電通量分別比PJ組降低了23%，67%。56 d齡期時，PS組和PZ組電通量分別比PJ組降低了21%，67%，而28 d，56 d齡期PJ組抗壓強度均大于PS，表明SAP和膨脹劑復摻條件下混凝土中抗氯離子滲透性能和抗壓強度之間并不是簡單的線性關系。摻加硅灰不僅彌補了鋼管微膨脹混凝土中摻入SAP造成的早期強度不足，又顯著提高了混凝土抗氯離子滲透性能。

2.5.3混凝土孔結構對比試驗結果

最可幾孔徑是指微分曲線峰值處所對應的孔徑，即出現概率最大的孔，它可直觀、定量表示出孔隙的構成分布狀況。如圖8繪制不同組混凝土試樣孔隙分布微分曲線。由圖8可知，PJ，PS，PZ這3組試樣最可幾孔徑依次為95.35，77.09，50.35 nm，PS組和PZ組分別與PJ組對比，最可幾孔徑減小約19%，47%，表明SAP或SAP和硅灰的摻入使得最可幾孔徑不同程度的減小，孔隙分布均向小孔段漂移，而由圖7(c)可知，PJ組電通量值明顯比PS組和PZ組大，則最可幾孔徑越大其抗氯離子滲透能力越差。這主要是因為最可幾孔徑越大，會導致混凝土內部大毛細孔數量增多，內部孔隙連通性擴大，水分或氯離子更容易浸潤毛細孔，形成氯離子擴散，從而使抗氯離子滲透性變差。

圖7 不同組混凝土孔徑分布微分曲線Fig.7 Differential curves of pore diameter distribution of different groups of concrete

我國吳中偉院士[19]按孔徑對混凝土強度的不同影響，將混凝土中的孔分為無害孔(孔徑小于 20 nm)、少害孔(孔徑為20～100 nm)、有害孔(孔徑為100～200 nm)和多害孔(孔徑大于 200 nm),參照此分類方法將本試驗3組試樣的各類孔徑分布進行百分比統計并繪制成如圖8所示。PZ組與PJ組、PS組相比，無害孔占比明顯增加，且有害孔和多害孔比例減少，少害孔三者基本一致，這也可以解釋PZ組試塊抗壓強度高于其他兩組的內在原因。PJ組和PS組相比，4類孔徑分布所占比例基本一致。PJ，PS，PZ這3組試樣孔隙率基本一致，分別為15.31，15.60，15.11 nm，平均孔徑分別為48.0，52.2，31.8 nm，由于各種孔徑的孔對混凝土強度影響不同，大孔使強度降低，而小于某一尺度的孔對強度影響很小，甚至無影響，則當孔隙率基本相同時，平均孔徑越小強度越高。這也可以解釋PS組與PJ組相比，混凝土試塊抗壓強度損失的內在原因。

圖8 不同組混凝土各類孔徑分布所占百分比圖Fig.8 Percentage diagram of pore diameter distribution of different groups of concrete

3 結論

(1) 針對工程用C50鋼管微膨脹混凝土應同時具有較好地工作性能、力學性能及耐久性能，本試驗條件下，基于正交試驗綜合平衡法得出C50鋼管微膨脹混凝土最優配合比參數為：膨脹劑摻量為10%，高吸水性樹脂SAP摻量為0.1%，硅灰摻量為6%。

(2) 對比試驗表明，按正交試驗得出的鋼管微膨脹混凝土最優配合比制備的混凝土工作性、力學性能和耐久性能相對于基準組都有較大提升，表明復摻膨脹劑、SAP、硅灰可以明顯改善密封環境的鋼管微膨脹混凝土性能。但單摻入SAP在一定程度上降低了鋼管微膨脹混凝土強度，但隨著齡期增長，SAP發揮其后期釋水作用，可以彌補其強度的降低，這說明SAP在密封環境中起到了內養護的效果。因此，工程中建議此類復合型外摻料混凝土在鋼管密封環境中的應用。

(3) SAP或SAP和硅灰的摻入使得鋼管微膨脹混凝土最可幾孔徑不同程度地減小，孔隙分布均向小孔段漂移，使其抗氯離子滲透性能提高，且SAP和硅灰的共同摻入使得鋼管微膨脹混凝土無害孔占比明顯增加，有害孔和多害孔比例減少，同時，使其孔隙率及平均孔徑均有所降低，相比單摻SAP孔徑分布更合理。