基于正交試驗(yàn)的水工混凝土抗凍性研究

趙 杰

（新民市水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 新民 110300）

近年來(lái)，中國(guó)東北部高寒地區(qū)水利水電工程建設(shè)日趨增多，太陽(yáng)輻射、凍融循環(huán)劇烈、日溫差大和高海拔等因素均在不同程度上影響著該地區(qū)建筑材料的使用壽命。其中，高寒區(qū)水工混凝土耐久性受較大溫差產(chǎn)生的凍融循環(huán)破壞影響最為顯著，為此廣大學(xué)者開(kāi)展了深入研究[1]。一般地，拌合物流變參數(shù)、攪拌方式、水灰比、摻合料類(lèi)型及水泥品種等諸多因素均會(huì)影響水工混凝土抗凍性，如何智海等[2]認(rèn)為混凝土抗凍性隨礦渣摻量的增大而降低，而合適的摻合比例有利于明顯改善混凝土抗凍性；姚軍等[3]試驗(yàn)表明摻15%硅粉條件下，無(wú)論水灰比多少混凝土的抗凍性能均較高；李陽(yáng)等[4]研究發(fā)現(xiàn)增大粉煤灰摻量范圍會(huì)降低混凝土抗凍性，強(qiáng)度等級(jí)相同情況下?lián)椒勖夯一炷?8d齡期抗凍耐久性偏低；Yazici等[5]認(rèn)為摻磨細(xì)礦渣、稻殼灰、硅灰及大摻量粉煤灰等摻合料均能夠在一定程度上增強(qiáng)混凝土抗腐蝕性、抗氯離子滲透和抗?jié)B性，摻礦物摻合料是最經(jīng)濟(jì)、最有效的耐久性改善措施。然而，對(duì)水工混凝土耐久性同時(shí)受粉煤灰、聚丙烯纖維和輕燒氧化鎂等摻合料影響的研究還鮮有報(bào)道。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

水泥為葛洲壩石門(mén)P·HM42.5級(jí)中熱水泥，經(jīng)檢測(cè)其主要性能指標(biāo)符合現(xiàn)行規(guī)范要求，水泥主要性能指標(biāo)，見(jiàn)表1。粉煤灰為大連華能電廠提供的II級(jí)粉煤灰，經(jīng)檢測(cè)其氯離子含量0.003%，含水量0.5%，SO3含量1.2%，需水量比98%，細(xì)度20.5%，堿含量1.5%，28d活性指數(shù)82%。

表1 水泥主要性能指標(biāo)

減水劑為青島虹夏高分子材料有限公司生產(chǎn)的HSN高效引氣減水劑，黃褐色粉劑，高效引氣減水劑主要性能指標(biāo)，見(jiàn)表2。砂為渾河中砂，含泥量0.2%，吸水率1.0%，細(xì)度模數(shù)3.02，表觀密度2 650kg/m3；碎石為粒徑5~20mm、20~40mm兩種規(guī)格的花崗巖碎石，壓碎指標(biāo)7.2%，吸水率0.81%，針片狀含量6.8%，表觀密度2 670kg/m3。

表2 高效引氣減水劑主要性能指標(biāo)

1.2 測(cè)試方法

抗凍性能是指經(jīng)受多次凍融循環(huán)混凝土能夠維持外觀完整性和強(qiáng)度的能力，一般用抗凍等級(jí)衡量，即按照規(guī)定的凍融循環(huán)溫度變化規(guī)律測(cè)定的混凝土相關(guān)性能或強(qiáng)度指標(biāo)下降不超過(guò)規(guī)定值，且無(wú)明顯剝落和損壞所經(jīng)受的凍融次數(shù)。快動(dòng)法是利用質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈模量來(lái)判定混凝土內(nèi)部損傷情況的方法，其試驗(yàn)效率較高且能夠準(zhǔn)確評(píng)價(jià)混凝土抗凍性，可以開(kāi)展重復(fù)性試驗(yàn)且對(duì)試件無(wú)損傷[5-6]。

文章依據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》利用快凍法測(cè)定各組試件的抗凍性，相對(duì)動(dòng)彈模量和質(zhì)量損失率計(jì)算、試驗(yàn)過(guò)程嚴(yán)格按照規(guī)程執(zhí)行。定義未摻粉煤灰、聚丙烯纖維和輕燒氧化鎂組速混凝土，等級(jí)標(biāo)號(hào)C30W6F200，經(jīng)試配調(diào)整確定其含氣量4.8%、坍落度60mm、砂率32%、水膠比0.38，基準(zhǔn)配合比為水:水泥:砂:小石(5~20mm) :中石(20~40mm):減水劑=160 : 420 : 584 : 491 : 750 : 5.04。根據(jù)基準(zhǔn)配合比以內(nèi)摻的方式用粉煤灰等量替代水泥，以外摻的方式摻入輕燒氧化鎂和聚丙烯纖維，前者按膠材總量(粉煤灰+水泥)一定百分比，后者按單位體積的摻入量。

為了探究水工混凝土抗凍性受粉煤灰、聚丙烯纖維和輕燒氧化鎂摻量的影響，依據(jù)三個(gè)正交因素的5個(gè)水平設(shè)計(jì)25組試驗(yàn)配合比，外摻0%、2%、4%、6%、8%輕燒氧化鎂和0、0.5、1.0、1.5、2.0kg/m3的聚丙烯纖維，內(nèi)摻0%、10%、20%、30%和40%的粉煤灰，試驗(yàn)設(shè)計(jì) 25 組正交配合比。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 相對(duì)動(dòng)彈模量

隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加各組試件的相對(duì)動(dòng)彈模量變化規(guī)律，相對(duì)動(dòng)彈模量測(cè)試數(shù)據(jù)，見(jiàn)表3。結(jié)果表明不同配合比試件的相對(duì)動(dòng)彈模量均隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加逐漸下降。凍融循環(huán)200次條件下各因素相對(duì)動(dòng)彈模量變化趨勢(shì)，各因素相對(duì)動(dòng)彈模量變化趨勢(shì)，見(jiàn)圖1，結(jié)果發(fā)現(xiàn)試件相對(duì)動(dòng)彈模量隨輕燒氧化鎂摻量的增大呈現(xiàn)出先上升后下降的變化特征，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定最優(yōu)輕燒氧化鎂摻量為2%~6%；試件相對(duì)動(dòng)彈模量隨聚丙烯纖維摻量的增大也呈現(xiàn)出先上升后下降的變化特征，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定最優(yōu)聚丙烯纖維摻量為0.5%~1.0kg/m3；試件相對(duì)動(dòng)彈模量隨粉煤灰摻量的增大整體呈下降趨勢(shì)，表明摻入粉煤灰會(huì)使得抗凍性能降低。

圖1 各因素相對(duì)動(dòng)彈模量變化趨勢(shì)

表3 相對(duì)動(dòng)彈模量測(cè)試數(shù)據(jù)

隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加各因素相對(duì)動(dòng)彈模量極差變化規(guī)律，各因素相對(duì)動(dòng)彈模量極差經(jīng)時(shí)變化，見(jiàn)圖2。結(jié)果表明凍融循環(huán)次數(shù)越大各因素相對(duì)動(dòng)彈模量極差越高。凍融循環(huán)次數(shù)相同情況下，摻輕燒氧化鎂相比于聚丙烯纖維的相對(duì)動(dòng)彈模量極差值更高，說(shuō)明水工混凝土相對(duì)動(dòng)彈模量受輕燒氧化鎂摻量的影響程度高于聚丙烯纖維[7]。凍融循環(huán)100次之前粉煤灰摻量所對(duì)應(yīng)的極差值最小，凍融循環(huán)達(dá)到100次后粉煤灰摻量所對(duì)應(yīng)的極差值快速上升達(dá)到最大值。因此，結(jié)合凍融循環(huán)200次試驗(yàn)數(shù)據(jù)，從低到高確定各因素對(duì)相對(duì)動(dòng)彈模量的影響程度排序?yàn)榫郾├w維＜輕燒氧化鎂＜粉煤灰摻量。

圖2 各因素相對(duì)動(dòng)彈模量極差經(jīng)時(shí)變化

2.2 質(zhì)量損失率

不同凍融次數(shù)的水工混凝土質(zhì)量損失率變化規(guī)律，質(zhì)量損失率測(cè)試數(shù)據(jù)，見(jiàn)表4，結(jié)果表明增大凍融次數(shù)會(huì)使得各組質(zhì)量損失率提高。一般相對(duì)動(dòng)彈模量和質(zhì)量損失率是衡量抗凍性能的重要參數(shù)，凍融循環(huán)過(guò)程中這兩個(gè)指標(biāo)的變化規(guī)律相反[8]。

表4 質(zhì)量損失率測(cè)試數(shù)據(jù)

凍融循環(huán)200次條件下各因素質(zhì)量損失率變化趨勢(shì)，各因素質(zhì)量損失率變化趨勢(shì)，見(jiàn)圖3，結(jié)果顯示試件質(zhì)量損失率隨輕燒氧化鎂摻量的增大呈現(xiàn)出“V”型變化特征，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定最優(yōu)輕燒氧化鎂摻量為2%~6%；試件質(zhì)量損失率隨著聚丙烯纖維摻量的增大呈現(xiàn)出“M”型變化特征，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定最優(yōu)聚丙烯纖維摻量為0.5%~1.0kg/m3；試件質(zhì)量損失率隨粉煤灰摻量的增大整體呈上升趨勢(shì)，說(shuō)明粉煤灰會(huì)降低混凝土抗凍性能。

圖3 各因素質(zhì)量損失率變化趨勢(shì)

隨凍融次數(shù)的增加各因素質(zhì)量損失率極差變化規(guī)律，各因素質(zhì)量損失率經(jīng)時(shí)變化，見(jiàn)圖4，結(jié)果表明凍融次數(shù)越大各因素的質(zhì)量損失率極差越高。凍融循環(huán)次數(shù)相同情況下，摻粉煤灰相比于其它兩種材料的質(zhì)量損失率極差值更高，說(shuō)明水工混凝土相對(duì)動(dòng)彈模量受粉煤灰摻量的影響程度更好[9-11]。凍融循環(huán)50次之前粉煤灰摻量所對(duì)應(yīng)的極差值最小，凍融循環(huán)達(dá)到50次后粉煤灰摻量所對(duì)應(yīng)的極差值快速上升達(dá)到最大值。因此，從低到高確定各因素對(duì)質(zhì)量損失率的影響程度排序?yàn)榫郾├w維＜輕燒氧化鎂＜粉煤灰摻量。

圖4 各因素質(zhì)量損失率經(jīng)時(shí)變化

3 結(jié) 論

1）水工混凝土抗凍性能隨輕燒氧化鎂摻量的增大呈現(xiàn)出先上升后下降的變化趨勢(shì)，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定最優(yōu)輕燒氧化鎂摻量和聚丙烯纖維摻量分別為2%~6%、0.5~1.0kg/m3，摻入粉煤灰會(huì)在一定程度上降低混凝土抗凍性。

2）經(jīng)試驗(yàn)分析，從低到高確定各因素對(duì)水工混凝土抗凍性能的影響程度排序?yàn)榫郾├w維＜輕燒氧化鎂＜粉煤灰摻量，在凍融循環(huán)過(guò)程中質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈模量的變化規(guī)律相反。