正交法在凍結(jié)井壁砼復(fù)合外加劑試驗(yàn)中的應(yīng)用

摘要：為了使凍結(jié)施工井壁混凝土能夠在負(fù)溫條件下凝結(jié)與硬化，并滿足其各項(xiàng)性能要求，采用引氣劑+防凍劑+早強(qiáng)減水劑復(fù)合的技術(shù)路線，通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)復(fù)配了適應(yīng)凍結(jié)施工早強(qiáng)流態(tài)井壁混凝土的復(fù)合外加劑。通過試驗(yàn)分析最終確定各組分摻量之間的最佳配比。復(fù)合外加劑的摻量為2.1%，可起到流態(tài)、早強(qiáng)、防凍及抗凍的作用。

關(guān)鍵詞：外加劑；凍結(jié)施工法；正交試驗(yàn)；復(fù)合

中圖分類號(hào)：TU528文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

[WT]文章編號(hào)：1672-1098（2012）04-0030-04

基金項(xiàng)目：安徽省級(jí)優(yōu)秀青年人才基金資助項(xiàng)目（2009SQRZ064）；安徽理工大學(xué)青年科研基金資助項(xiàng)目

作者簡介：宗翔（1976-），男，安徽淮南人，講師，在讀博士，主要從事結(jié)構(gòu)工程和高性能混凝土等方面的教學(xué)和研究工作。

凍結(jié)施工法是煤礦特殊鑿井的施工方法之一，在復(fù)雜的軟弱含水地層建設(shè)地下結(jié)構(gòu)物中凍結(jié)施工法是最重要，也是最安全可靠的施工方法。凍結(jié)施工法的特殊性決定著凍結(jié)井壁在零攝氏度以下的環(huán)境中，進(jìn)行井壁混凝土的施工和混凝土硬化，要求混凝土在低溫下具有一定的強(qiáng)度增長率和耐久性，也即混凝土應(yīng)具有良好的抗凍、抗?jié)B性能。同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)施工條件和井壁設(shè)計(jì)要求混凝土具有流態(tài)和高強(qiáng)的要求[1-2]。

淮南地區(qū)劉莊煤礦的井筒施工采用的就是凍結(jié)施工法。由于常用的外加劑只具備單一功能，不能滿足現(xiàn)場(chǎng)對(duì)外加劑的多種功能的要求，需要對(duì)外加劑進(jìn)行復(fù)配以滿足凍結(jié)井壁混凝土施工流態(tài)、早強(qiáng)、抗凍和抗?jié)B的多種性能要求。

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是利用一種規(guī)格化的表——正交表來合理地安排試驗(yàn)，利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的原理科學(xué)地分析試驗(yàn)結(jié)果的、處理多因素試驗(yàn)的科學(xué)方法。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是：能夠通過代表性很強(qiáng)的少數(shù)次試驗(yàn)，搞清各個(gè)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響情況；同時(shí)它又可以通過直觀分析方法以及方差分析試驗(yàn)結(jié)果，確定出因素的主次順序，找出較好的生產(chǎn)條件或最優(yōu)參數(shù)組合[3]。本文采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對(duì)引氣減水組分、防凍組分、高效減水組分、早強(qiáng)組分來復(fù)配，復(fù)配的重點(diǎn)是解決防凍、早強(qiáng)、減水、引氣組分的合理摻量以及相互之間的相容性。

1復(fù)合多功能外加劑的組分

在配制復(fù)合外加劑時(shí)，必須按照要求選擇合適的各個(gè)組分，以達(dá)到最佳的效果，單一組分達(dá)不到要求的效果，必須采用多元復(fù)合。按照從早強(qiáng)、減水、抗凍和引氣這四個(gè)方面加以考慮的原則，本課題選擇了效果較好的、復(fù)配時(shí)相容性較好且本地較易得到的三種外加劑組分進(jìn)行試驗(yàn)。它們分別為：A引氣劑（木鈣粉）；B防凍劑（NaNO2）；C早強(qiáng)減水劑（含有Na2SO4的NF高效減水劑）。

A組分是一種陰離子型高分子表面活性劑，具有減水、引氣的特點(diǎn)。其適宜摻量應(yīng)為水泥重量的0.20%～0.30%，當(dāng)摻量超過4%水泥用量時(shí)，混凝土強(qiáng)度就會(huì)損失。在與不摻外加劑的混凝土保持相同坍落度的情況下，減水率為8%～15%。在保持相同用水量時(shí)，可使坍落度增加6～8cm。A組分能減少混凝土的泌水，對(duì)混凝土有一定的緩凝作用；有一定的引氣性，可提高混凝土的抗凍性和抗?jié)B性。

B組分是以降低液相中的冰點(diǎn)為目的的一種純化學(xué)物質(zhì)，它能夠有效地降低混凝土中液相的冰點(diǎn)，使得混凝土在負(fù)溫環(huán)境下，仍然能夠得到強(qiáng)度的增長。

C組分主要成分為高效減水劑，因其含有Na 2SO 4，故其在具有減水效果的同時(shí)還有提高混凝土早期強(qiáng)度的性能。早強(qiáng)減水組分C的適宜摻量為0.5%～1.2%，一般減水率為15%～25%，早期強(qiáng)度顯著。摻加0.5%的C組分使混凝土坍落度提高10cm，摻加1%的C組分減水率為10%～25%。若水泥用量相同，坍落度相近，則混凝土3d強(qiáng)度提高50%左右，28d強(qiáng)度提高15%～30%，一年后強(qiáng)度可提高30%左右?；炷量?jié)B、抗凍、徐變等耐久性能均有所改善。

2正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)

2.1井壁混凝土的原材料

水泥采用巢湖產(chǎn)42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，試驗(yàn)測(cè)得的各項(xiàng)性能指標(biāo)符合標(biāo)準(zhǔn)要求。細(xì)集料采用本地河砂，細(xì)度模數(shù)2.67，屬Ⅱ區(qū)中砂。粗集料采用九龍崗地區(qū)石灰?guī)r碎石，粒徑5～25mm，連續(xù)級(jí)配，壓碎指標(biāo)為8.14?；炷涟韬陀盟捎帽镜刈詠硭?。外加劑按正交設(shè)計(jì)的9種試驗(yàn)方案添加。

2.2確定因素和水平

首先對(duì)擬采用的外加劑組分進(jìn)行試驗(yàn)分析，初步組合，并借助相關(guān)試驗(yàn)將次要成分的品種、摻量范圍固定。

根據(jù)凍結(jié)井壁施工對(duì)混凝土的要求和擬采用的三種外加劑組分試驗(yàn)指標(biāo)分析，外加劑的組分種類和摻量是影響混凝土性能的主要因素。各個(gè)組分的摻量先進(jìn)行單組分試驗(yàn)后再確定該組分在本試驗(yàn)中的合理用量范圍，在比較小的用量范圍內(nèi)選擇考察因素的水平進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，將主要的3種外加劑組分按照L9（34）設(shè)計(jì)方案進(jìn)行混凝土性能試驗(yàn)。正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)的因素與水平如表1所示[4]。

2.3試驗(yàn)情況及結(jié)果分析

根據(jù)正交設(shè)計(jì)安排得到的試驗(yàn)方案，試驗(yàn)結(jié)果和極差分析結(jié)果如表2和表3所示。

3SA-H型復(fù)合外加劑檢驗(yàn)

SA-H型復(fù)合外加劑的試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

SA-H型復(fù)合外加劑主要通過改善混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來提高混凝土的抗凍性能，它與單一的抗凍劑相比，具有早期強(qiáng)度高、后期強(qiáng)度損傷小、有較好的耐久性等特點(diǎn)。SA-H型復(fù)合外加劑對(duì)改善混凝土拌和物的和易性，提高低溫混凝土的早期強(qiáng)度和提高其抗凍性、抗?jié)B性均具有明顯作用。通過系統(tǒng)的試驗(yàn)可以確定SA-H型復(fù)合外加劑適合用于凍結(jié)井壁施工的低溫高強(qiáng)流態(tài)混凝土。

4結(jié)論

采用正交試驗(yàn)法對(duì)復(fù)合外加劑進(jìn)行復(fù)配試驗(yàn)，先確定影響因素和水平，科學(xué)分析測(cè)試數(shù)據(jù)后，得到了可靠的研究結(jié)果，減少了試驗(yàn)量，縮短了試驗(yàn)周期，找出了相應(yīng)性能要求的最優(yōu)復(fù)配方案，降低了試驗(yàn)成本，提高了工作效率。

本試驗(yàn)研制的SA-H型復(fù)合多功能外加劑由3種組分構(gòu)成，可以滿足凍結(jié)井壁混凝土早強(qiáng)、防凍、流態(tài)的要求，改善了混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，形成了細(xì)小、密閉的孔結(jié)構(gòu)，從而阻斷了連通混凝土內(nèi)部毛細(xì)管的通道，提高其抗?jié)B性、抗凍性等耐久性，對(duì)鋼筋無銹蝕作用。在淮南地區(qū)劉莊煤礦的井筒施工的應(yīng)用中，獲得很好的使用效果，且經(jīng)濟(jì)性較好。

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（責(zé)任編輯：何學(xué)華，吳曉紅）