影響混凝土收縮性能因素的正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)

黃小濤

（甘肅工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅天水 74025）

0 前言

混凝土做為當(dāng)今土木工程中用量最大的建筑材料，其各種性能也隨著相應(yīng)的科學(xué)研究得到了極大的提高，各種外加劑和礦物摻合料的廣泛應(yīng)用，使得混凝土的性能得到了很大提升[1]。但是，不論是普通混凝土，還是高性能混凝土，開裂問題始終困擾著工程界，成為亟需解決的一大難題。混凝土裂縫的形成原因，主要有收縮、凍脹、化學(xué)侵蝕、鋼筋銹蝕、堿骨料反應(yīng)及荷載作用等。隨著混凝土技術(shù)的不斷提高，對于由凍脹、化學(xué)侵蝕、鋼筋銹蝕、堿骨料反應(yīng)及荷載作用等裂縫的防治技術(shù)日漸成熟，但對于由收縮引起的混凝土裂縫的防治仍需要進(jìn)一步的深入研究。大量研究表明，80%非荷載裂縫是由收縮造成的，可見收縮是混凝土開裂的最主要因素[2]。

混凝土收縮主要包括化學(xué)收縮、塑性收縮、自收縮、干燥收縮和溫度收縮等?；瘜W(xué)收縮又稱水化收縮，是由水泥水化和凝結(jié)硬化而產(chǎn)生的自身體積縮減引起的。塑性收縮發(fā)生在硬化前的塑性階段，當(dāng)混凝土中的水分蒸發(fā)速度超過泌水速度時(shí)，就會(huì)引起塑性收縮[3]。自收縮主要是由于隨著水化的進(jìn)行，毛細(xì)孔中的水逐漸減少，形成彎月面，引起毛細(xì)壓力，導(dǎo)致收縮。干燥收縮指的是混凝土停止養(yǎng)護(hù)后，在不飽和的空氣中失去內(nèi)部毛細(xì)孔水、凝膠孔水及吸附水而發(fā)生的長度或體積的減少[4-7]。溫度收縮主要是指混凝土內(nèi)部溫度由于水泥水化反應(yīng)而升高，最后又冷卻到環(huán)境溫度時(shí)產(chǎn)生的收縮。

本研究為考察探究混凝土收縮最佳條件，以混凝土的收縮量為考察指標(biāo)，首先選擇齡期、水灰比、水泥用量、含氣量、粉煤灰摻量和礦渣粉摻量等 6 個(gè)影響因素進(jìn)行單因素輪換實(shí)驗(yàn)；在單因素篩選實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選出 4 個(gè)主要的影響因素，進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，用以研究混凝土的最佳收縮條件。以期為工程工作者提供一定的數(shù)據(jù)參考。

1 方法

采用 100 mm×l00 mm×515 mm 的棱柱體試件模型，試件預(yù)埋檢測頭?；炷猎嚰尚秃髱ｐB(yǎng)護(hù) 1 d，拆模后送標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)，至 3 d 齡期時(shí)從標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室取出測量。測量室為恒溫恒濕室，溫度為 20 ± 2℃、濕度為 60 ± 5%，測定混凝土試件的初始長度，此后按 7d 的時(shí)間間隔測量試件變形讀數(shù)，計(jì)算混凝土試件的收縮率，混凝土試件收縮率的計(jì)算公式為：

式中：εs——混凝土收縮率；

L0——試件長度的初始讀數(shù)；

Lt——試件在 t 時(shí)測得的長度讀數(shù)；Lb——試件的測量標(biāo)距。

1.1 混凝土齡期對收縮性能的影響

為考察混凝土的齡期對混凝土收縮性能的影響，以及為實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行選擇最佳的齡期，先將考察的影響混凝土收縮性能的 5 個(gè)因素固定，分別是：水灰比 0.40、水泥用量 400 kg/m3、含氣量 7.5%、粉煤灰摻量 20%、礦渣粉摻量 15%。以收縮率為測定指標(biāo)，考察齡期對混凝土收縮性能的影響，以及為后面的實(shí)驗(yàn)確定齡期。

1.2 單因素實(shí)驗(yàn)

選取水灰比、水泥用量、含氣量、粉煤灰摻量、礦渣粉摻量等 5 個(gè)單因素進(jìn)行測定，以確定其對混凝土收縮性能的影響。首先水泥用量為 400 kg/m3、含氣量為 7.5%、粉煤灰摻量為 20%、礦渣粉摻量為 15%，考察水灰比為 0.30、0.35、0.40、0.45、0.50、0.55 時(shí)對混凝土收縮性能的影響。然后將最佳的水灰比固定，依次選取考察水泥用量為 320、360、400、440、480 kg/m3，含氣量為 2.5、5.0、7.5、10.0、12.5%，粉煤灰摻量為 0、10、20、30、40%，礦渣粉摻量為 0、15、15、30、45%時(shí)對混凝土收縮性能的影響。將每次優(yōu)選后的最佳條件固定，再逐次篩選其余最佳條件，直至結(jié)束[8-10]。

1.3 正交實(shí)驗(yàn)

單因素實(shí)驗(yàn)只是考察單一變量對混凝土收縮性能的影響，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分布不均勻，代表性不強(qiáng)，并且實(shí)驗(yàn)的次數(shù)較多，工作量大，不經(jīng)濟(jì)；如果使用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，可以減少的實(shí)驗(yàn)次數(shù)，綜合考慮多個(gè)多個(gè)因素，達(dá)到較全面地反映各因素水平的效果。因此本研究根據(jù)混凝土齡期對收縮性能影響的考察結(jié)果和單因素實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果，優(yōu)選 4 個(gè)因素，按照 L9(34)正交表進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，用 SPSS 18.0 軟件對其結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)比較分析，得出影響混凝土收縮性能的最佳收縮條件[11]。

2 結(jié)果與分析

2.1 混凝土齡期對收縮性能影響的考察結(jié)果

為考察混凝土齡期對收縮性能的影響，固定其它因素的值，水灰比為 0.40、水泥用量為420 kg/m3、含氣量為 7.5%、粉煤灰摻量為 5%、礦渣粉摻量為 15%，實(shí)驗(yàn)考察結(jié)果見圖1，其中實(shí)線表示測定值的趨勢線，虛線表示模擬值得趨勢線。

圖1 混凝土齡期對收縮性能的影響

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合圖1可知，混凝土的收縮率隨著齡期的增大總體上呈現(xiàn)增大趨勢，但是當(dāng)齡期大于 45 d 后，收縮率雖然增大，但增大的幅度比較小，這中增大在我們的實(shí)驗(yàn)研究中是沒有實(shí)際意義的，但在實(shí)際的施工之中存在很大的意義，因此基于實(shí)驗(yàn)的需求，在實(shí)驗(yàn)研究過程中，將齡期確定為 45 d，以便于實(shí)驗(yàn)研究，以及在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中對齡期和其他因素的綜合考察。

2.2 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 水灰比對混凝土收縮性能的影響

根據(jù)混凝土齡期對收縮性能影響的考察結(jié)果，在考察水灰比對混凝土收縮性能的影響時(shí)，將混凝土的齡期確定為 45 d，考察結(jié)果見圖2，其中實(shí)線表示測定值的趨勢線，虛線表示模擬值得趨勢線。

圖2 水灰比對混凝土收縮性能的影響

從圖2可以看出，對于不同水灰比的混凝土，收縮率隨著水灰比的增大而增大，當(dāng)水灰比小于 0.45 時(shí)，混凝土的收縮率隨著水灰比的增大而呈現(xiàn)單向的增大；當(dāng)水灰比大于 0.45 時(shí)，混凝土的收縮率隨著水灰比的增大而有所下降，但收縮率要比低水灰比時(shí)的收縮率大。水灰比是影響混凝土收縮的重要因素之一，高水灰比的混凝土，收縮方式主要是干燥收縮和化學(xué)收縮；低水灰比的混凝土，主要的收縮方式是自收縮、干燥收縮和化學(xué)收縮。若當(dāng)水泥用量固定時(shí)，化學(xué)收縮的程度則相對比較固定，而干燥收縮會(huì)隨著水灰比的增大而增大；在齡期固定時(shí)，混凝土的自收縮同樣比較固定，但仍然是進(jìn)行的。根據(jù)擬合曲線和實(shí)測值，最終確定，齡期為 45 d 時(shí)水灰比以 0.45 為最佳，在此條件下的混凝土的收縮性能達(dá)到最佳。

2.2.2 水泥用量對混凝土收縮性能的影響

根據(jù)混凝土齡期對收縮性能影響的考察結(jié)果和水灰比對混凝土收縮性能的影響的考察結(jié)果，在考察水泥用量對混凝土收縮性能的影響時(shí)，將混凝土的齡期確定為 45 d，水灰比為 0.45，考察結(jié)果見圖3，其中實(shí)線表示測定值的趨勢線，虛線表示模擬值得趨勢線。

圖3 水泥用量對混凝土收縮性能的影響

根據(jù)圖3的實(shí)測值和擬合曲線不難看出，混凝土的收縮率總體上隨著水泥用量的增大而增大。當(dāng)水泥用量小于 400 kg/m3時(shí)，混凝土的收縮率隨水泥用量的增大而急劇增大，但當(dāng)水泥用量大于 400 kg/m3時(shí)，混凝土的收縮率隨水泥用量的增大同樣是呈現(xiàn)增大趨勢，但增大幅度很小?；炷恋乃嘤昧渴怯绊懫涫湛s的又一重要因素，水泥用量的增大，混凝土的其水化引起的化學(xué)收縮會(huì)增大，同時(shí)由于毛細(xì)孔失水而引起的自收縮和溫度收縮也會(huì)增大。在實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)混凝土的水泥用量大于 400 kg/m3時(shí)，收縮量同樣在增大，增大幅度比較小，此外考慮到經(jīng)濟(jì)性的因素，認(rèn)為水泥用量為 400 kg/m3 是齡期為 45 d 時(shí)的最佳水泥用量。

2.2.3 含氣量對混凝土收縮性能的影響

根據(jù)混凝土齡期對收縮性能影響的考察結(jié)果，在考察含氣量對混凝土收縮性能的影響時(shí)，將混凝土的齡期確定為 45 d；此外根據(jù)前面的水灰比和水泥用量的考察實(shí)驗(yàn)，將水灰比定為 0.45，水泥用量為 400 kg/m3。關(guān)于含氣量的考察結(jié)果見圖4，其中實(shí)線表示測定值的趨勢線，虛線表示模擬值得趨勢線。

圖4 含氣量對混凝土收縮性能的影響

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果和對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合可以看出，混凝土的收縮率隨著含氣量的增大呈現(xiàn)先增大后見效的趨勢。當(dāng)混凝土的含氣量在 6.0%以下時(shí)，隨著混凝土含氣量的增大，混凝土的收縮率迅速增大；但當(dāng)混凝土含氣量繼續(xù)增大時(shí)，混凝土的收縮率出現(xiàn)下降的趨勢。這表明混凝土的水泥用量是影響其收縮的又一重要因素，水泥用量的增大，混凝土的其水化引起的化學(xué)收縮會(huì)增大，同時(shí)由于毛細(xì)孔失水而引起的自收縮和溫度收縮也會(huì)增大。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，混凝土的含氣量宜控制在小于 7.0%，含氣量為 6.0%是齡期為 45 d、將水灰比定為 0.45、水泥用量為 400 kg/m3時(shí)的最佳含氣量。

2.2.4 粉煤灰摻量對混凝土收縮性能的影響

根據(jù)混凝土齡期對收縮性能影響的考察結(jié)果，在考察粉煤灰摻量對混凝土收縮性能的影響時(shí)，將混凝土的齡期確定為 45 d；此外根據(jù)前面的水灰比、水泥用量和含氣量的考察實(shí)驗(yàn)，將水灰比定為 0.45，水泥用量為 400 kg/m3，含氣量定為 6.0%。粉煤灰摻量的考察結(jié)果見圖5，其中實(shí)線表示測定值的趨勢線，虛線表示模擬值得趨勢線。

圖5 粉煤灰摻量對混凝土收縮性能的影響

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果和對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合可以看出，隨著混凝土中粉煤灰摻量的增多，混凝土收縮率總體呈減小的趨勢，混凝土中摻入粉煤灰后，一方面由于其水化非常緩慢，另一方面降低了混凝土中的水泥用量，減少了混凝土的化學(xué)收縮，并進(jìn)一步降低了混凝土的自收縮，從而降低了混凝土的收縮率?？紤]到經(jīng)濟(jì)因素等其他因素，認(rèn)為5%是可以考慮的混凝土中粉煤灰的摻量。

2.2.5 礦渣粉摻量對混凝土收縮性能的影響

根據(jù)混凝土齡期對收縮性能影響的考察結(jié)果，在考察礦渣粉摻量對混凝土收縮性能的影響時(shí)，將混凝土的齡期確定為 45 d；此外根據(jù)前面的水灰比、水泥用量和含氣量的考察實(shí)驗(yàn)，將水灰比定為 0.45，水泥用量為 400 kg/m3，含氣量定為6.0%。粉煤灰摻量為 5%，礦渣粉摻量的考察結(jié)果見圖6，其中實(shí)線表示測定值的趨勢線，虛線表示模擬值得趨勢線。

圖6 礦渣粉摻量對混凝土收縮性能的影響

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果和對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合可以看出，隨著混凝土中礦渣粉摻量的增多，混凝土收縮率總體呈增大的趨勢；但這種增大的趨勢緩慢，這表明礦渣粉摻量對混凝土的收縮影響較小，可認(rèn)為對混凝土的收縮性能來說是不顯著的影響。

這是由于礦渣粉顆粒較水泥更細(xì)，摻入水泥中，一方面可消耗水泥水化產(chǎn)物的 Ca(OH)，在堿性物質(zhì)激發(fā)作用下發(fā)揮其潛在的膠凝活性，進(jìn)一步降低混凝土的孔隙率，增加混凝土的密實(shí)度，另一方面其密實(shí)填充效應(yīng)和水化作用細(xì)化了混凝土中的毛細(xì)孔徑，使得混凝土自收縮更容易發(fā)生。根據(jù)實(shí)際的需求可認(rèn)為 30%齡期為 45 d、水灰比為0.45、水泥用量為 400 kg/m3、粉煤灰的摻量為 5%時(shí)的最佳礦渣粉摻量。

2.3 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)混凝土齡期對收縮性能影響的考察結(jié)果和單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選擇齡期、水灰比、水泥用量和含氣量 4 個(gè)因素，做為影響混凝土收縮性能的主要考察因素，按照 L9(34)正交表進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，用SPSS 18.0 軟件對其結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)比較分析，得出各因素綜合影響混凝土收縮性能的最佳收縮條件。在此實(shí)驗(yàn)中，選擇粉煤灰的摻量為 5%，礦渣粉摻量為 30%，見表1、表2。

由表2可知，I2>I3>I1，I2>I1>I3，I2>I3>I1，I2>I3>I1，即表明影響混凝土收縮性能的最佳收縮條件是：齡期為 45 d、水灰比為 0.45、水泥用量為 400 kg/m3、含氣量為 6%；并且齡期、水灰比、水泥用量和粉煤灰的摻量 4 個(gè)影響因素對混凝土收縮性能的影響呈顯著作用；但因素的影響主次有所差異，結(jié)合單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果和表2可知，RC>RB>RA>RD，這表明幾個(gè)影響混凝土收縮性能的因素主次關(guān)系為：水泥用量>水灰比>齡期>含氣量>粉煤灰摻量>礦渣粉摻量。綜合分析可得混凝土收縮最佳條件為：水泥用量為 400 kg/m3、水灰比為 0.45、齡期為45 d、含氣量為 6%、粉煤灰摻量為 5%、礦渣粉摻量為 30%，在此條件下，混凝土的收縮量為 281×10-6。

表1 實(shí)驗(yàn)因素水平表

表2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析表

3 結(jié)論

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，水灰比是影響混凝土收縮的重要因素之一，高水灰比的混凝土，收縮方式主要是干燥收縮和化學(xué)收縮；低水灰比的混凝土，主要的收縮方式是自收縮、干燥收縮和化學(xué)收縮。若當(dāng)水泥用量固定時(shí)，化學(xué)收縮的程度則相對比較固定，而干燥收縮會(huì)隨著水灰比的增大而增大；在齡期固定時(shí)，混凝土的自收縮同樣比較固定，但仍然是進(jìn)行的[12]。混凝土的水泥用量是影響其收縮的又一重要因素，水泥用量的增大，混凝土的其水化引起的化學(xué)收縮會(huì)增大，同時(shí)由于毛細(xì)孔失水而引起的自收縮和溫度收縮也會(huì)增大?；炷恋乃嘤昧渴怯绊懫涫湛s的又一重要因素，水泥用量的增大，混凝土的其水化引起的化學(xué)收縮會(huì)增大，同時(shí)由于毛細(xì)孔失水而引起的自收縮和溫度收縮也會(huì)增大[13-15]?；炷林蟹勖夯覔搅康脑龆?，混凝土收縮率總體呈減小的趨勢，混凝土中摻入粉煤灰后，一方面由于其水化非常緩慢，另一方面降低了混凝土中的水泥用量，減少了混凝土的化學(xué)收縮，并進(jìn)一步降低了混凝土的自收縮，從而降低了混凝土的收縮率[1]。

考慮到經(jīng)濟(jì)因素等其他因素，認(rèn)為 5%是可以考慮的混凝土中粉煤灰的摻量。礦渣粉顆粒較水泥更細(xì)，摻入水泥中，一方面可消耗水泥水化產(chǎn)物的 Ca(OH)，在堿性物質(zhì)激發(fā)作用下發(fā)揮其潛在的膠凝活性，進(jìn)一步降低混凝土的孔隙率，增加混凝土的密實(shí)度，另一方面其密實(shí)填充效應(yīng)和水化作用細(xì)化了混凝土中的毛細(xì)孔徑，使得混凝土自收縮更容易發(fā)生。經(jīng)綜合分析得出混凝土收縮最佳條件為：水泥用量為 400 kg/m3、水灰比為 0.45、齡期為 45 d、含氣量為 6%、粉煤灰摻量為 5%、礦渣粉摻量為 30%，在此條件下，混凝土的收縮量為281×10-6。通過實(shí)驗(yàn)分析，為今后混凝土工藝的優(yōu)化與改進(jìn)提供了一定的理論參考。

[1] 王健,鞏玉霞.水泥混凝土收縮影響因素分析嘲[J].山西建筑,2009(5):153-155.

[2] P.C.Aticin,A.M.Neville,P.Acker.Intergrated view of shrinkagedeformation[J].Concrete International,1997(9):35-45.

[3] 李林香,謝永江,等.混凝土的收縮及防裂措施概述[J].混凝土,2011(4):113-117.

[4] 馬冬花,尚建麗,等.高性能混凝土的自收縮[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào),2003(1):82-84.

[5] Y.Yuan.,Z.L.Wan..Prediction of cracking within early-age due to thermal,drying and creep behavior[J].Cemeniand Conerete Research,2002(32):1053-1059.

[6] 錢曉倩,詹樹林,等.減水劑對混凝土收縮和裂縫的負(fù)影響[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào),2004(9):20-24.

[7] J.Y.Li.,Y.Yao.,A study on creep and drying shrinkage of high performance concrete[J].Cement and Concrete Research,2001(31):1203-1206.

[8] 朱蓓蓉,吳學(xué)禮,等.超細(xì)礦渣摻合料對普通硅酸鹽水泥性能的影響及其作用機(jī)理[J].混凝土與水泥制品,1997(6):20-22.

[9] 高志斌.水泥和減水劑對混凝土收縮開裂的影響[J].低溫建筑技術(shù),2011(3):9-11.

[10] B.Barr.,S.B.Hoseinian.,M.A.Beygi,Shrinkage of conerete stored in natural envirorunents[J].Cement&ComPosites,2003(25):19-29.

[11] 朱永偉.影響耐久性混凝土收縮因素的實(shí)驗(yàn)分析[J].徐州建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2011(3):8-10.

[12] 孟凡深,王子敬.摻合料對混凝土收縮影響及收縮模型分析[J].水電能源科學(xué),2009(10):163-165.

[13] O.Bemard.,E.Bruwiler..Influence of autogenous shrinkage on early age behaviour of structural elements consisting of coneretes of different sges[J].Materials and struetures,2002(35):550-556.

[14] 呂艷梅.商品混凝土收縮性能的實(shí)驗(yàn)研究[D].河南鄭州:鄭州大學(xué),2004.

[15] 桂海清.混凝土早期收縮與抗裂性能實(shí)驗(yàn)研究[D].浙江杭州:浙江大學(xué),2004.