基于RSM-BBD的高原地區橋墩混凝土性能試驗研究

彭勇軍,劉娟紅,李 華,李 康

(1.中鐵十八局集團第二工程有限公司,唐山 063000;2.北京科技大學土木與資源工程學院,北京 100083;3.中國鐵道科學研究院,研究生部,北京 100081;4.中國鐵道科學研究院集團有限公司,高速鐵路軌道技術國家重點實驗室,北京 100081)

0 引 言

橋墩主要用來支撐橋跨結構,并將橋梁整體的恒載和活載傳遞至地基,其對橋梁安全服役的重要性不言而喻。與一般混凝土結構不同,橋墩下部往往位于河流之中,除了面臨水流的沖刷,低溫環境下的凍融破壞尤為突出。高原地區具有氣壓低、風速大、溫差大、地質結構復雜的特點,勢必影響橋墩混凝土的服役安全。據研究,低氣壓環境會影響引氣劑效果,造成引氣混凝土含氣量降低,塌落度減小[1-2]。低溫環境會延緩水泥的水化進程,產生凍脹應力,造成混凝土內部結構疏松,性能劣化[3]。凍融循環將造成混凝土質量和強度損失率增加,相對動彈性模量下降,導致橋墩剛度下降,顯著影響橋梁的橫向動力響應[4]。由于可能存在的鹽凍現象和溫度變化的滯后效應,距離混凝土表面越近,凍融損傷程度越嚴重[5-6]。

混凝土中摻入適量礦物摻合料有利于減少水泥用量,提高耐久性,具有節約資源、保護環境、實現建筑物全生命周期效益最大化的作用,在實際工程中廣泛運用[7]。近年來,相關學者針對礦物摻合料做了大量的研究。吳凱等[8]發現,適量礦物摻合料可以改善混凝土的孔結構;王喆等[9]發現,鋼渣、礦渣、粉煤灰和石灰石粉復合使用可以提高混凝土的抗氯離子滲透性能和長期力學特性;李玉平等[10]發現,復摻偏高嶺土和粉煤灰能顯著優化輕骨料混凝土的微觀性能,復摻總量達到10%(質量分數)時混凝土抗壓強度最大;杭美艷等[11]發現,復合礦物摻合料既能降低混凝土水化熱,又能減輕其開裂程度;劉娟紅等[12]發現粉煤灰和礦渣等復合礦物摻合料能促進火山灰反應,降低Ca(OH)2含量,提高混凝土的密實性和抗滲性。此外,養護條件[13-14]也會對橋墩混凝土性能產生重要影響。

雖然礦物摻合料在提升混凝土抗凍性能方面的效果得到許多研究人員的證實[15-17],但是更多的是基于單因素試驗研究,評價每一種因素對于混凝土抗凍性能的影響,對于各因素交互作用的影響并未有過多闡述。響應面法(response surface method, RSM)通過綜合優化數學建模和試驗設計,利用局部具有代表性點的試驗結果,擬合全局因素和結果之間的函數關系,并可得出各因素的最優水平值[18]。同時,具有比傳統正交試驗更高的預測精度,RSM已被廣泛用于材料配合比設計領域[19]。基于此,本文利用Box-Behnken Design響應面法(RSM-BBD)對混凝土礦物摻合料的種類和摻量進行設計,結合相關學者在高海拔地區橋梁混凝土技術方面的研究基礎[20],針對高原地區的環境特點,通過調整粉煤灰、礦渣和硅灰的摻量探求混凝土力學和抗凍融性能的變化規律,對高原地區橋墩混凝土的制備提供參考意見。

1 實 驗

1.1 原材料

P·O 42.5普通硅酸鹽水泥由嘉華特種水泥股份有限公司生產,其28 d抗壓強度為47.9 MPa;礦物摻合料選用Ⅰ級粉煤灰、S95級磨細礦渣和硅灰,粉煤灰的細度(45 μm)篩余為6.5%,需水量比為92%,礦渣和硅灰的比表面積分別為486和2.38×104m2/kg。水泥、粉煤灰、礦渣和硅灰的主要化學成分見表1。粗細骨料為中國水利水電第九工程局有限公司生產的砂石,其中粗骨料碎石表觀密度為2 740 kg/m3,松散堆積密度為1 520 kg/m3,針片狀含量為4.1%,壓碎值為17.4%,含泥量為0.1%;細骨料機制砂堆積孔隙率為41%,細度模數為2.8。減水劑為聚羧酸高性能減水劑,減水率為31%,含固量為26.3%。

表1 水泥和礦物摻合料的主要化學成分Table 1 Main chemical composition of cement and mineral admixtures

1.2 配合比

根據已有的工程經驗和研究成果,為了保證混凝土的強度等級不低于C50,試驗控制混凝土總膠凝材料用量、砂石摻量和水膠比不變,其中膠凝材料總量為540 kg/m3,砂摻量為645 kg/m3,碎石摻量為1 100 kg/m3,減水劑摻量為7.39 kg/m3,水膠比為0.3。本次試驗重點在于探究粉煤灰摻量(X)、礦渣摻量(Y)和硅灰摻量(Z) 3種因素對混凝土抗壓強度(R1)、200次凍融循環后的質量損失率(R2)和200次凍融循環后的相對動彈性模量(R3)的影響規律。各因素的水平:粉煤灰的摻量依次為0%、10%和20%(質量分數),礦渣的摻量依次為0%、10%和20%(質量分數),硅灰的摻量依次為0%、5%和10%(質量分數)。自變量因素編碼及水平設置如表2所示,利用Design-Export軟件進行混凝土配合比設計,結果如表3所示。軟件在分析3因素、3水平響應面試驗時,需要進行15組試驗。為了對比評價礦物摻合料的影響效果,本次試驗同時設置純水泥組作為基準組(S)。

表2 試驗自變量因素編碼及水平Table 2 Codes and levels of experimental independent variable factors

表3 響應面試驗結果Table 3 Actual results of RMS-BBD

1.3 試驗方法

本次凍融循環試驗主要根據《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50082—2009)進行操作。采用快凍法,試塊尺寸為100 mm×100 mm×400 mm,標養24 d后將試塊取出,在(20±2) ℃水中浸泡4 d,取出試塊擦干表面水分,采用DT-12型動彈性模量監測儀和天平測定試塊的初始橫向基頻f0i和初始質量W0i,之后進行凍融試驗。凍融設備為混凝土全自動快速凍融試驗機,凍結溫度為-18～-14 ℃,融化溫度設定為5～8 ℃,一次凍融循環時間為2～4 h。達到200次凍融循環之后,將試塊取出,清理干凈混凝土表面浮渣并擦干水分,繼續測量橫向基頻f200i和質量W200i。試塊的質量損失率ΔW200i和相對動彈性模量P200i分別按照式(1)、(2)計算。

(1)

(2)

2 結果與討論

2.1 響應面試驗及預測結果

響應面試驗結果如表3所示,利用Design-Export軟件對試驗結果進行多元回歸擬合,得出響應面函數,如式(3)～(5)所示。

R1=68.57-2.74X+1.87Y+3.71Z+1.03XY-0.90XZ+1.17YZ+1.94X2-1.08Y2+0.99Z2

(3)

R2=1.59-0.66X+0.15Y-0.48Z-0.10XY+0.14XZ+0.05YZ+0.43X2+0.10Y2+0.087Z2

(4)

R3=76.80+2.79X-3.00Y+3.46Z+0.80XY-0.73XZ-0.35YZ+0.84X2-0.24Y2+0.89Z2

(5)

2.2 響應面模型可靠性分析

對響應面函數模型進行方差分析以驗證其可靠性,結果如表4所示?；炷粮髦笜藢嶋H值和預測值對比如圖1所示。從表4可以看出,所建立的模型P值均小于0.01,說明回歸效果顯著,失擬項P值大于0.05,這說明混凝土各指標的實測值與預測值具有較好的吻合度。從圖1可以看出,各數據點基本都沿著直線y=x均勻分布,模擬的預測值和實際值接近,說明設計的回歸方程模型能夠有效預測試驗結果[21]。

圖1 混凝土各指標實際值和預測值對比Fig.1 Comparison of actual and predicted results of concrete indexes

表4 響應面回歸模型方差分析Table 4 Variance analysis of RMS-BBD regression model

2.3 試驗結果分析

2.3.1 礦物摻合料對混凝土抗壓強度的影響

分析表4,在影響混凝土抗壓強度(R1)的3個因素中,硅灰摻量(Z)的F值最大,為213.75,其次為粉煤灰摻量(X),礦渣摻量(Y)的F值最小。因此,各因素對混凝土28 d抗壓強度的影響效果依次為硅灰摻量(Z)>粉煤灰摻量(X)>礦渣摻量(Y)。從試驗擬合結果上看,混凝土28 d抗壓強度主要受粉煤灰、礦渣和硅灰的單因素影響,此外,粉煤灰和礦渣摻量(XY)與礦渣和硅灰摻量(YZ)這兩組交互項也對混凝土28 d抗壓強度存在一定的影響。基準組(S)28 d抗壓強度為67.3 MPa,除了個別粉煤摻量較高的試驗組,其余試驗組混凝土28 d抗壓強度均高于基準組。圖2給出了各因素對混凝土28 d抗壓強度的影響規律。圖2(a)和(b)顯示,隨著粉煤灰摻量增加,粉煤灰-礦渣復摻以及粉煤灰-硅灰復摻混凝土28 d抗壓強度均有所降低。這是由于粉煤灰的活性相對較低,提高粉煤灰摻量則會降低混凝土體系水化速率,影響28 d抗壓強度。由圖2(a)可知,隨著粉煤灰摻量增加和礦渣摻量降低,混凝土28 d抗壓強度逐漸降低。當粉煤灰摻量為0%時,礦渣摻量由0%增至20%,混凝土抗壓強度增加了1.7 MPa,當粉煤灰摻量為20%時,隨著礦渣摻量增加,混凝土28 d抗壓強度增加了5.8 MPa?？梢钥闯?盡管粉煤灰早期活性較低,礦渣和粉煤灰的交互作用仍可以一定程度上提高混凝土的28 d抗壓強度,這主要是由于礦渣的晶核作用及其提高混凝土的堿度,激發粉煤灰的活性,充分發揮產生的“疊加效應”[22]。由圖2(b)可知,硅灰摻量的增加有利于混凝土抗壓強度的提高,這是由于較高活性的硅灰與Ca(OH)2之間發生反應將進一步降低Ca(OH)2含量,并產生水化硅酸鈣(C-S-H)凝膠[8],促進水泥水化反應進程。由圖2(c)可知,礦渣摻量越高,硅灰-礦渣復摻混凝土抗壓強度的提高越明顯,說明硅灰和礦渣共同作用更有利于混凝土抗壓強度的發展。分析原因在于硅灰的活性高,既可以在早期與Ca(OH)2短時間內發生反應,后期也可持續與礦渣產生火山灰復合效應、微集料復合效應等交互作用[23]。

圖2 各因素對混凝土28 d抗壓強度的影響Fig.2 Influences of various factors on 28 d compressive strength of concrete

2.3.2 礦物摻合料對混凝土抗凍融性能的影響

混凝土處于凍融環境中,可能產生表面剝落、內部孔隙增大的現象。質量損失率和相對動彈性模量是表征混凝土凍融損傷特性的兩個關鍵指標。由表4可知,各因素對混凝土凍融質量損失率的影響效果依次為粉煤灰摻量(X)>硅灰摻量(Z)>礦渣摻量(Y)?；鶞式M(S)200次凍融循環后的質量損失率為3.07%。圖3給出了各因素對混凝土200次凍融循環后質量損失率的影響。由圖3可知,200次凍融循環后,粉煤灰-礦渣、硅灰-礦渣以及部分粉煤灰-硅灰復摻混凝土的質量損失率低于基準組,說明在試驗設計的摻量范圍內,合適的礦物摻合料有利于降低混凝土的質量損失率。由圖3(a)和(b)可以看出,無論是粉煤灰-礦渣復摻還是粉煤灰-硅灰復摻,粉煤灰摻量的增加將有效降低混凝土的質量損失率,說明粉煤灰可以有效降低混凝土質量損失率;由圖3(b)和(c)可以看出,硅灰摻量的增加也能有效降低混凝土的質量損失率。

分析表4中相對動彈性模量損失率(R3)的F值,可以看出各因素對于混凝土相對動彈性模量的影響效果依次為硅灰摻量(Z)>礦渣摻量(Y)>粉煤灰摻量(X),混凝土的相對動彈性模量受粉煤灰和礦渣摻量(XY)與粉煤灰和硅灰摻量(XZ)交互作用影響效果同樣顯著?；鶞式M(S)經歷200次凍融循環后相對動彈性模量為74.1%,圖4為各因素對混凝土相對動彈性模量的影響。由圖4可知,不同礦物摻合料對混凝土相對動彈性模量的影響規律與質量損失率較為一致?；炷料鄬訌椥阅Ａ侩S著粉煤灰和硅灰摻量的增加而增加,隨礦渣摻量的增加反而有所降低。只有當粉煤灰和硅灰摻量較低且礦渣摻量較高時,混凝土的相對動彈性模量才會低于基準組,其余試驗組相對動彈性模量均高于基準組,說明粉煤灰和硅灰的摻入可以一定程度降低礦渣對混凝土相對動彈性模量的不利影響。同時,相較于粉煤灰,硅灰對相對動彈性模量的提升作用更顯著。

圖4 各因素對混凝土200次凍融循環后相對動彈性模量的影響Fig.4 Influences of various factors on relative dynamic elastic modulus of concrete after 200 times freeze-thaw cycles

混凝土的凍融破壞本質上可以歸結為內部孔隙水反復結冰,并伴隨著體積膨脹,不斷擠壓孔隙壁,造成混凝土內部微裂紋的產生和擴展。裂紋擴展到一定程度后逐漸與外界環境連通,造成外界水分和侵蝕性離子更容易進入混凝土內部,進一步加劇混凝土的損傷[24]。混凝土的宏觀凍融損傷特征與微觀孔隙結構演變密切相關。在混凝土攪拌和養護過程中,由于空氣混入以及孔隙水不斷參與水化反應等,混凝土內部將隨機分布大小不一的孔隙。粉煤灰和硅灰皆通過消耗水泥水化產物發生反應產生新的凝膠,促進混凝土密實性增加,粉煤灰主要與水泥水化產物中的Ca(OH)2發生二次水化反應生成水化硅酸鈣凝膠和水化鋁酸鈣晶體,成為膠凝材料的一部分,起到增強作用,減少凍脹破壞的影響[25]。但粉煤灰活性低,火山灰反應慢[26],硅灰比粉煤灰的增強效果要好,因為硅灰細度更小,活性更高,更小的粒徑使硅灰兼具集料效應,可以有效填充混凝土中的孔隙[27]。

2.4 混凝土最優配合比及模型驗證

以混凝土28 d抗壓強度和200次凍融循環后相對動彈性模量的最大值,以及200次凍融循環后質量損失率最小值作為優化目標,采用Design-Expert軟件對混凝土配合比進行優化,得到的最優配合比為粉煤灰摻量20%,礦渣摻量15%,硅灰摻量10%。為檢驗響應面模型的準確性和有效性,對比模型的預測值和實測值,結果見表5?？梢钥闯龈黜憫膶崪y值與預測值之間的誤差均小于5%,表明模型精度較高且優化方案可信。

表5 優化配合比設計的試驗結果及預測結果Table 5 Actual and predicted results of optimized mix proportion design

3 結 論

1)利用RSM-BBD試驗設計,建立了粉煤灰摻量、礦渣摻量、硅灰摻量與混凝土28 d抗壓強度、200次凍融循環后質量損失率、200次凍融循環后相對動彈性模量的二次回歸模型,經方差分析、實際值和預測值對比等檢驗,模型擬合精度較高。

2)礦渣和硅灰有利于提高混凝土28 d抗壓強度,粉煤灰和硅灰則有利于提高混凝土抗凍融性能。方差和響應面分析表明,各響應不僅受到單因素的影響,同時受到各因素交互作用的影響。礦渣和硅灰摻量的交互作用對混凝土28 d抗壓強度影響顯著,粉煤灰與硅灰摻量的交互作用對混凝土200次凍融循環后質量損失率影響顯著,粉煤灰與礦渣摻量的交互作用對混凝土200次凍融循環后相對動彈性模量影響顯著。

3)在確保混凝土抗壓強度的前提下,抗凍融能力是高原地區橋墩混凝土必須考慮的因素。與基準組混凝土相比,摻入適量礦物摻合料后混凝土的抗壓強度和抗凍融性能均有了顯著提高。本試驗條件下,最終確定粉煤灰摻量20%,礦渣摻量15%,硅灰摻量10%,可有效提高橋墩混凝土的性能。