新疆北部鹽漬土地區(qū)混凝土抗凍性能研究

院 龍

（新疆應(yīng)用職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆 奎屯 833200）

0 引言

在我國新疆北部地區(qū)，普遍具有氣壓低、晝夜溫差大等氣候特點(diǎn)。這種惡劣的氣候條件下，混凝土結(jié)構(gòu)的建筑物容易受到凍融、干濕交替等多種因素的影響，較早地結(jié)束服役周期。混凝土的抗凍性問題，嚴(yán)重制約了我國新疆北部交通的發(fā)展。

經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，新疆北部地區(qū)，準(zhǔn)噶爾盆地周圍廣泛存在含硫酸鹽為主的鹽漬土，對(duì)工程地基影響較大，許多混凝土建筑都存在著由鹽侵蝕和凍融引起的一系列病害。該地區(qū)混凝土鹽侵蝕和凍結(jié)的原因較多，這些因素的結(jié)合逐漸導(dǎo)致混凝土因滲漏而損壞、破壞和崩解[1]。

目前，鹽漬土地區(qū)的混凝土抗凍性能尚未得到足夠的重視與研究。因此，對(duì)新疆北部鹽漬土地區(qū)混凝土抗凍性能進(jìn)行研究，具有重要的實(shí)際意義。本文以該地區(qū)的混凝土為對(duì)象，對(duì)其抗凍性能進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用P·O42.5水泥、粒徑在5～31.5mm范圍的石子、壓碎指標(biāo)為7.04%的碎石、細(xì)度模數(shù)為1.2的砂子、含泥量2.8%的天然河砂、Ⅰ級(jí)粉煤灰、S95級(jí)粒化高爐礦渣粉；石灰石粉為骨料整形時(shí)的回收石粉；骨料為母料經(jīng)整形加工所得，表觀密度為2750kg/m3；拌合水使用自來水；外加劑采用聚羧酸高性能減水劑；引氣劑為液體SJ-2型。混凝土試件配合比見表1所示。

表1 混凝土配合比

1.2 試件制備

按照表1的配制比例，將水泥、碎石、砂子等原材料攪拌均勻，制作成混凝土漿液，并倒入模具中。用模具將其壓實(shí)，并震動(dòng)去除內(nèi)部氣泡，制成100mm×100mm×100mm的棱柱體混凝土試件，24h后拆模并進(jìn)行混凝土試件養(yǎng)護(hù)。將制作好的混凝土試件放置于加熱的養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)，控制箱內(nèi)的溫度和濕度。通常將潔凈的風(fēng)吹進(jìn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)，并將試件表面噴水，然后關(guān)閉箱門加熱，使箱內(nèi)溫度保持在60～80℃，并保持濕度>95%。拆模后，繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至齡期28d。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

在規(guī)定的齡期內(nèi)按照行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行混凝土試件的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。試件為100mm×100mm×100mm 的棱柱體混凝土，根據(jù)相關(guān)養(yǎng)護(hù)條件進(jìn)行28d養(yǎng)護(hù)，進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

1.3.2 凍融試驗(yàn)

將混凝土試件放置于恒溫水中，并將水溫降至-18℃左右，在-18℃以下恒溫靜置≥5h后，讓試件曝露于自然空氣中凍結(jié)。在這個(gè)過程中，每天恢復(fù)一次室溫，以完成凍結(jié)-解凍的循環(huán)[2]。根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，本次試驗(yàn)采用快凍法（齡期28d）。

2 顯著性評(píng)判準(zhǔn)則

2.1 極差與方差

極差是指樣本數(shù)據(jù)的最大值與最小值之間的差值，用R來表示。利用極差來表示樣本數(shù)據(jù)的變異程度和范圍大小。即：

方差是反映一組數(shù)據(jù)分散程度的統(tǒng)計(jì)量，衡量的是每個(gè)數(shù)據(jù)值與全體數(shù)據(jù)平均數(shù)之間的差值平方的平均數(shù)，即數(shù)據(jù)的偏離程度，其計(jì)算步驟如下：

（1）計(jì)算方差平方和

式中：

X1i、X2i、X3i——每列水平測(cè)試指標(biāo)的平均值；

ki——同一級(jí)別出現(xiàn)的次數(shù)。

（2）各因素的方差F比

式中：

Fi——第i列方差之比；

Vi——第i列方差平方和；

Ve——誤差列的方差平方和。

2.2 顯著性檢驗(yàn)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

極差值過大，表示數(shù)據(jù)的離散程度越大；方差值過大，則表明數(shù)據(jù)的分布范圍和偏離程度較大，可以通過F檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行檢驗(yàn)[3]。

通過計(jì)算方差F與手動(dòng)值的比值，可以得出結(jié)論：F值越大，系數(shù)越顯著，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響也越顯著。當(dāng)F>Fα=0.01，表示該因素影響特別明顯；Fα=0.01>F>Fα=0.05，表示該因素影響明顯；Fα=0.05>F>Fα=0.1，表示該因素影響較為明顯。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

根據(jù)試驗(yàn)計(jì)劃對(duì)樣品進(jìn)行抗壓強(qiáng)度和抗凍性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖1和圖2所示。分析混凝土正交試驗(yàn)結(jié)果的方差和極值，研究水膠比、引氣劑、養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)各混凝土試驗(yàn)指標(biāo)的影響，研究結(jié)果如表2和表3所示。

圖1 抗壓強(qiáng)度與水平因素關(guān)系

圖2 抗凍性指標(biāo)與水平因素關(guān)系

表2 混凝土極差分析

表3 混凝土方差分析

3.1 不同因素對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

通過圖1可以看出，當(dāng)水膠比增加時(shí)，抗壓強(qiáng)度下降，平均變化幅度為17.6%；當(dāng)引氣劑增加時(shí)，抗壓強(qiáng)度下降，平均變化幅度為7.4%；當(dāng)溫度升高時(shí)，抗壓強(qiáng)度也隨之升高，平均幅度為12.1%。由此得知，水膠比對(duì)抗壓強(qiáng)度變化的影響最大，其次是養(yǎng)護(hù)溫度，影響最小的是引氣劑。

通過表2得知，影響混凝土抗壓強(qiáng)度的主要因素是水膠比，影響最小的是引氣劑。通過表3得知，水膠比、引氣劑及養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度均有一定程度的影響，其中水膠比對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響最為明顯，養(yǎng)護(hù)溫度次之，引氣劑的影響較為明顯。

3.2 不同因素對(duì)混凝土抗凍性的影響

通過圖2可知，當(dāng)水膠比增加時(shí)，混凝土抗凍性的平均變化幅度為19%；當(dāng)引氣劑增加時(shí)，混凝土抗凍性的平均變化幅度為5.4%；當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度升高時(shí)，混凝土抗凍性的平均變化幅度為61.9%。由此得知，養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)抗凍性指標(biāo)的變化幅度最大，其次是水膠比，最后是引氣劑。

通過表2得知，影響混凝土抗凍性最主要的因素是養(yǎng)護(hù)溫度，影響最小的是引氣劑。通過表3得知，養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)混凝土抗凍性的影響最為明顯，引氣劑的影響次之，水膠比的影響較為明顯。

通過以上分析可以看出，文章所述的三種因素對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度及抗凍性的影響，水膠比對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響最大，養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)混凝土的抗凍性能影響最明顯，引氣劑對(duì)抗壓強(qiáng)度及抗凍性的影響是最小的。在合理設(shè)計(jì)混凝土配合比、有效提升混凝土質(zhì)量的過程中，混凝土的抗壓強(qiáng)度與抗凍性之間具有一定的關(guān)聯(lián)。在北疆鹽漬土地區(qū)施工混凝土?xí)r，應(yīng)優(yōu)化混凝土配合比中水膠比，以保證混凝土質(zhì)量。適量的引氣劑可以有效地提高混凝土的性能。

4 線性預(yù)測(cè)模型

混凝土抗凍性能是評(píng)估混凝土耐久性的重要指標(biāo)之一，對(duì)于在低溫環(huán)境下使用的混凝土建筑而言尤為關(guān)鍵。線性預(yù)測(cè)模型的應(yīng)用可以有效預(yù)測(cè)混凝土的抗凍性能，并在混凝土配合比設(shè)計(jì)中進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到提高混凝土抗凍性能、延長混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命，從而降低維修和更換成本。通過對(duì)上述實(shí)驗(yàn)中的不同因素的影響進(jìn)行分析，線性預(yù)測(cè)模型可以為混凝土配合比提供一定的理論指導(dǎo)，從而進(jìn)一步提升混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性。

4.1 建立線性預(yù)測(cè)模型

根據(jù)混凝土抗凍性能的影響因素，將上文所述的三種因素設(shè)為自變量，抗壓強(qiáng)度和抗凍性能Q設(shè)為因變量。假設(shè)本文的因變量與自變量x之間分別為線性關(guān)系，建立多元線性回歸方程如下[4]：

Q=a1x1+a2x2+a3x3+a4

式中，a1、a2、a3、a4為待定回歸系數(shù)。

4.2 預(yù)測(cè)模型檢驗(yàn)

根據(jù)多元線性回歸理論，依照各組試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以計(jì)算出數(shù)據(jù)擬合值、回歸值及殘差[5]。通過計(jì)算得出抗壓強(qiáng)度與抗凍性能與水膠比、引氣劑具有明顯的線性關(guān)系，表示該模型的可信度較高，因此本文建立的多遠(yuǎn)線性回歸預(yù)測(cè)模型是合理的，可以在實(shí)際的施工中為混凝土抗壓強(qiáng)度與抗凍性能提供參考。

5 結(jié)束語

本文研究結(jié)論如下：

（1）水膠比對(duì)混凝土的抗壓性能影響最為明顯，第二是養(yǎng)護(hù)溫度，第三是引氣劑；養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)混凝土的抗凍性能影響最為明顯，第二是水膠比，第三是引氣劑。在北疆鹽漬土地區(qū)進(jìn)行混凝土施工時(shí)，應(yīng)該對(duì)混凝土配合比中的水膠比進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，適量摻入引氣劑，為混凝土的性能提供保障。

（2）建立多元線性預(yù)測(cè)模型，在已知水膠比、養(yǎng)護(hù)溫度及引氣劑的前提下，通過模型對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度及抗凍性能進(jìn)行預(yù)測(cè)，為混凝土的耐久性提供參考。

在未來的研究中需要對(duì)以下方面進(jìn)行關(guān)注：探索鹽漬土地區(qū)混凝土抗凍性能提高的新途徑及新材料；深入研究混凝土抗裂性以及干縮與保水性能，以提高基礎(chǔ)設(shè)施的穩(wěn)定性和安全性；繼續(xù)完善預(yù)測(cè)模型，并進(jìn)行實(shí)際工程測(cè)試，驗(yàn)證模型的可靠性和適用性；研究鹽漬土地區(qū)混凝土與結(jié)構(gòu)材料的相互作用，以優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，提高耐久性及抗風(fēng)險(xiǎn)能力；綜合分析不同地區(qū)、不同氣候條件下混凝土的抗凍性及影響因素，為混凝土工程建設(shè)提供更加科學(xué)的依據(jù)。