防硫酸鹽腐蝕高性能混凝土的正交配合比試驗(yàn)*

劉晉艷， 李旭東， 鞏天真， 馬宏強(qiáng)， 褚 震， 張宇婷， 蘇振晉

(1. 山西大學(xué) 土木工程系， 山西 太原 030013； 2. 中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院， 北京 100083；3. 北京工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 北京 100022)

防硫酸鹽腐蝕高性能混凝土的正交配合比試驗(yàn)*

劉晉艷1,2， 李旭東3， 鞏天真1， 馬宏強(qiáng)2， 褚 震2， 張宇婷2， 蘇振晉2

(1. 山西大學(xué) 土木工程系， 山西 太原 030013； 2. 中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院， 北京 100083；3. 北京工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 北京 100022)

采用粉煤灰、 礦粉、 硅灰作為摻和料， 制備低水膠比的高性能混凝土. 通過干濕交替環(huán)境下的混凝土配合比正交試驗(yàn)， 研究了有關(guān)因素對混凝土硫酸鹽腐蝕和泛堿的影響. 結(jié)果表明： 水膠比對混凝土性質(zhì)的影響最大， 硅灰摻量影響次之， 粉煤灰和礦粉的摻量影響較?。?除了水膠比， 其余因素的影響效果均隨摻量的變化而波動； 綜合考慮混凝土腐蝕和泛堿問題， 確定本試驗(yàn)最優(yōu)的配比設(shè)計(jì)為水膠比0.33、 硅灰10%、 粉煤灰10%和礦粉15%； 采用低水膠比和礦物摻和料的高性能混凝土有利于水化產(chǎn)物的結(jié)晶， 摻和料的填充效應(yīng)和疊加的火山灰效應(yīng)也起到密實(shí)混凝土的作用.

正交試驗(yàn)； 礦物摻和料； SEM； 混凝土

服役期混凝土的硫酸鹽腐蝕是物理化學(xué)綜合作用的復(fù)雜過程， 一般來說， 物理侵蝕是指硫酸鹽結(jié)晶后由結(jié)晶壓引起的混凝土開裂和剝落， 化學(xué)侵蝕則是指硫酸鹽在混凝土內(nèi)部發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)， 產(chǎn)生了能劣化混凝土的體積很大的鈣礬石、 石膏或者碳硫硅鈣石等[1]. 泛堿也是一種物理侵蝕[2-4]， 即鹽類經(jīng)由混凝土內(nèi)部孔隙在混凝土表面或者距離表面很近的位置結(jié)晶， 輕則在混凝土表面出現(xiàn)類似水垢的白色或者黃色的產(chǎn)物， 重則使混凝土表層剝落.

目前多采用摻入礦物摻和料的高性能混凝土(HPC)來防止硫酸鹽的化學(xué)侵蝕[5-7]， 而礦物摻和料對于硫酸鹽泛堿的影響則存在爭議[8-9]. 本文擬采用復(fù)摻粉煤灰、 礦粉、 硅灰的做法制備不同水膠比的高性能混凝土試件并進(jìn)行正交試驗(yàn)， 在優(yōu)化分析中應(yīng)用綜合平衡法確定影響因素的主次順序， 并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析以確定各因素的顯著性. 在最優(yōu)配合比確定后， 以此配合比制備試件進(jìn)行硫酸鹽半浸泡干濕循環(huán)試驗(yàn)， 并用SEM對比分析高性能混凝土與普通混凝土的微觀結(jié)構(gòu)， 以期得到這種配合比制備的混凝土在防止硫酸鹽腐蝕和防泛堿方面的優(yōu)越性.

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

P.O42.5普通硅酸鹽水泥： 大同冀東水泥有限公司； 細(xì)骨料： 應(yīng)縣南泉天然砂， 中砂， 表觀密度為2 610 kg/m3， 含泥量2.8%； 石子： 山陰碎石， 粒徑5～20 mm， 堆積密度為1 580 kg/m3， 含泥量0.4%； 粉煤灰： 太原晉陽粉煤灰公司生產(chǎn)的Ⅱ級粉煤灰； 礦粉： 山西中科礦渣粉制品有限公司生產(chǎn)的S75級礦粉； 硅灰： 挪威埃肯公司的硅粉， 活性指數(shù)121%； 減水劑： 山西西卡建材有限公司生產(chǎn)的SC-2聚羧酸高效減水劑.

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1 正交試驗(yàn)確定最佳配合比

采用正交試驗(yàn)方法， 考察水膠比W/B、 粉煤灰(%)、 礦粉(%)、 硅灰(%)4 個因素對混凝土性質(zhì)的影響， 每個因素設(shè)3個水平， 各因素的水平取值見表 1. 選用L9(34)正交試驗(yàn)表， 考核指標(biāo)包括28 d強(qiáng)度、 30個干濕循環(huán)后的抗壓耐蝕系數(shù)以及泛堿產(chǎn)物的質(zhì)量3種. 將9次試驗(yàn)的配合比列于表2， 由于此正交表無空列， 誤差項(xiàng)位置不明確， 為了方差分析的準(zhǔn)確性， 每種指標(biāo)都需要重復(fù)試驗(yàn)一次.

表 1 試驗(yàn)因素水平表

表 2 正交試驗(yàn)配合比表

1.2.2 干濕循環(huán)試驗(yàn)

制備9種不同配合比的混凝土試塊， 尺寸為100 mm×100 mm×100 mm， 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后， 各取每種配合比的試塊3個進(jìn)行28 d抗壓強(qiáng)度測試. 然后， 將各配合比的試件分成2批， 保證每批試件的數(shù)量不少于6個， 一批用5%的Na2SO4溶液進(jìn)行全浸泡干濕循環(huán)實(shí)驗(yàn)， 另一批用5%的Na2SO4溶液進(jìn)行半浸泡干濕循環(huán)實(shí)驗(yàn). 另外， 重復(fù)上述步驟制備同樣數(shù)量的一批試塊以備重復(fù)試驗(yàn).

1) 全浸泡干濕循環(huán)試驗(yàn)

全浸泡干濕循環(huán)試驗(yàn)的具體條件及方法參照文獻(xiàn)[10]. 30次干濕循環(huán)結(jié)束后， 對此類試塊和同齡期標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的對照混凝土試塊進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試， 利用式(1)計(jì)算抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)Kf(%).

式中：fcn為N次干濕循環(huán)后受硫酸鹽腐蝕的一組混凝土試件的抗壓強(qiáng)度測定值， MPa；fc0為與受硫酸鹽腐蝕試件同齡期標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的一組對照混凝土試件的抗壓強(qiáng)度測定值， MPa. 本文擬用Kf來衡量硫酸鹽侵蝕的程度.

2) 半浸泡干濕循環(huán)試驗(yàn)

半浸泡干濕循環(huán)試驗(yàn)時， 保持5% Na2SO4溶液液面位于試件高度的1/2位置處， 試件的擺放以及浸泡容器的要求見文獻(xiàn)[10]. 每次干濕循環(huán)后刮取泛堿產(chǎn)物， 稱取質(zhì)量并記錄， 隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加， 刮取物中含有的硬化水泥砂漿顆粒會增多， 影響結(jié)果， 因此采用前15次干濕循環(huán)后的泛堿產(chǎn)物總質(zhì)量進(jìn)行對比.

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

本文在正交設(shè)計(jì)時未考慮因素之間的交互作用， 正交試驗(yàn)結(jié)果如表 3 所示.

表 3 正交試驗(yàn)方案及結(jié)果

2.1 極差分析和方差分析

極差越大代表該因子的水平變化對試驗(yàn)結(jié)果的影響越大， 即該因子就越重要[11]. 通過直觀分析雖然可以對評價指標(biāo)的各影響因素進(jìn)行排序， 但是無法判斷誤差大小及各因子影響的顯著性， 因此結(jié)合方差分析進(jìn)行F檢驗(yàn)[12]. 將極差分析和方差分析結(jié)果分別列于表 4 和表 5， 可見關(guān)于同一指標(biāo)的極差和方差分析得到的因子重要性排序完全一致. 對于混凝土立方體試件28 d抗壓強(qiáng)度， 各因子的重要性排序?yàn)锳>D>B>C(水膠比>硅灰摻量>粉煤灰摻量>礦粉摻量)， 最優(yōu)組合為A1B2C1D3； 對于抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)Kf， 各因子的重要性排序?yàn)锳>D>C>B(水膠比>硅灰摻量>礦粉摻量>粉煤灰摻量)， 最優(yōu)組合為A1B3C2D3； 對于稱取的泛堿物質(zhì)量， 各因子的重要性排序?yàn)锳>D>B>C(水膠比>硅灰摻量>粉煤灰摻量>礦粉摻量)， 最優(yōu)組合為A1B2C3D3.

表 4 極差分析

表 5 方差分析

2.2 綜合平衡法分析

圖 1 是3種檢測指標(biāo)隨各因素水平的變化趨勢圖. 水膠比的增大會導(dǎo)致混凝土28 d強(qiáng)度和抗壓耐蝕系數(shù)Kf的減小以及泛堿產(chǎn)物的增加， 因此對于這3種指標(biāo)， 取較小的水膠比總是有利的， 這也從表 4 的最優(yōu)水平選取中可得到證實(shí). 究其原因， 水膠比總是與混凝土的密實(shí)度直接相關(guān)， 越密實(shí)的混凝土不僅28 d強(qiáng)度高， 而且能很好地屏蔽腐蝕性硫酸鹽在混凝土內(nèi)部的傳輸， 因而受硫酸鹽腐蝕后， 混凝土強(qiáng)度損失不大， 并且生成的泛堿產(chǎn)物也少.

圖 1 各因素不同水平對考察指標(biāo)的影響趨勢Fig.1 The influence tendency at different levels of factors on test indices

從第二顯著性因素硅灰的摻量分析， 不同摻量的硅灰使這3個指標(biāo)呈現(xiàn)不同的規(guī)律. 硅灰摻量為5%時， 28 d強(qiáng)度和Kf均比未摻硅灰時小， 這說明雖然硅灰在這3種礦物摻和料中活性最高[13]， 但是小劑量摻入時， 其增強(qiáng)作用不能有效發(fā)揮， 而當(dāng)硅灰摻量達(dá)到10%時， 28 d強(qiáng)度和Kf均有明顯提高； 對于泛堿產(chǎn)物質(zhì)量來說， 摻入硅灰始終是有利的， 10%摻量的效果最好， 因此， 可以將硅灰摻量定為10%.

本研究中粉煤灰的摻量對于所考察的3個指標(biāo)的影響不算顯著. 一般而言， 若要激發(fā)粉煤灰的火山灰效應(yīng)所需的時間比較長[14]， 因而粉煤灰的加入會導(dǎo)致混凝土的早期強(qiáng)度下降而后期增長. 圖1(a)中之所以出現(xiàn)5%摻量的28 d強(qiáng)度高于未摻粉煤灰的強(qiáng)度， 是由粉煤灰的填充效應(yīng)所致， 摻量為10%時， 其填充效應(yīng)則未能體現(xiàn)； 圖1(b) 中Kf值隨粉煤灰摻量的變動變化很小， 但仍能看出先降后升的趨勢， 這是因?yàn)槲磽椒勖夯业幕炷猎诟g循環(huán)次數(shù)少時， 內(nèi)部形成的鈣礬石更易使混凝土密實(shí). 在此認(rèn)為小摻量(10%)粉煤灰對于混凝土防止硫酸鹽腐蝕效果不明顯， 甚至弱于未摻粉煤灰的混凝土， 但摻量增大時， 對于防止硫酸鹽侵蝕效果顯著[15]. 圖1(b)中的增強(qiáng)趨勢不明顯是由于選取的摻量較少， 應(yīng)當(dāng)在后續(xù)研究中加強(qiáng). 對于生成的泛堿產(chǎn)物， 粉煤灰摻量為10%時， 其質(zhì)量減小， 但是15%的摻量又增加了泛堿的可能性. 可見粉煤灰對于防止硫酸鹽侵蝕和防止泛堿的有效摻量并不一致， 由于粉煤灰對于泛堿的影響顯著性更強(qiáng)(表5)， 因此確定粉煤灰摻量為10%.

在本研究中礦粉對于3種考核指標(biāo)的影響幾乎可以忽略， 但是由于礦粉的摻入配合硅灰和粉煤灰可以有效增加“火山灰的復(fù)合效應(yīng)”[14]， 并且考慮其在抑制泛堿方面的有利作用， 建議摻量定為10%～15%.

2.3 最優(yōu)配比混凝土與普通混凝土SEM對比

根據(jù)上述分析結(jié)果， 配制摻10%硅灰、 10%粉煤灰、 15%礦粉、 水膠比為0.33的高性能混凝土試件(HPC)， 與未摻礦物摻和料、 水膠比為0.45 的C35普通混凝土試件(OPC)做硫酸鹽浸泡干濕循環(huán)試驗(yàn). 在循環(huán)40次時， 將試件取出切割并打磨成1 cm×1 cm×1 cm的試塊， 做掃描電鏡SEM分析， 試驗(yàn)結(jié)果如圖 2 所示.

圖 2 普通混凝土和高性能混凝土的SEM圖像Fig.2 SEM images of OPC and HPC

由圖2(a)可見， OPC試件在經(jīng)歷40次腐蝕循環(huán)后， 相對密實(shí)的C-S-H凝膠變得松散甚至解體， 并形成細(xì)觀裂縫， 在裂縫中充斥著大量短柱狀的鈣礬石結(jié)晶， 并且大部分已經(jīng)斷裂， 宏觀上表現(xiàn)為混凝土脹裂， 抗壓耐蝕系數(shù)Kf顯著減小. 事實(shí)上， 水泥熟料的水化過程是以未水化的顆粒為結(jié)晶中心的結(jié)晶過程[16]， 對于高性能混凝土來說， 除了水膠比低可以提供過高的相對飽和度有利于C-S-H和Ca(OH)2結(jié)晶產(chǎn)物的形成外， 摻入的多種礦物摻和料可以充當(dāng)結(jié)晶中心， 因此， 礦物摻和料優(yōu)良的填充效應(yīng)加上可以提供大量的結(jié)晶中心， 并能發(fā)生二次水化， 可以使混凝土趨于更為密實(shí)的狀態(tài)， 以減少泛堿和硫酸鹽結(jié)晶的可能， 這從圖2(b)中可以得到證實(shí).

3 結(jié) 論

1) 通過正交試驗(yàn)確定了對于混凝土3個指標(biāo)(28 d抗壓強(qiáng)度、 抗壓耐蝕系數(shù)Kf和泛堿產(chǎn)物質(zhì)量)的4個影響因素的主次順序， 即水膠比影響最大， 硅灰的摻量次之， 粉煤灰和礦粉的影響較小.

2) 就各因素的影響而言， 除了水膠比對于3個指標(biāo)的影響是完全正相關(guān)或者完全負(fù)相關(guān)的， 其余三者均隨著摻量的變化存在影響效果的波動， 并且各自有利的摻量不太一致； 從防硫酸鹽腐蝕角度， 水膠比0.33， 10%硅灰， 10%礦粉， 15%粉煤灰的混凝土效果最佳， 從防泛堿角度， 水膠比0.33， 10%硅灰， 10%粉煤灰， 15%礦粉的混凝土效果最佳.

3) 兼顧防硫酸鹽腐蝕和防泛堿效果， 確定優(yōu)化結(jié)果為： 水膠比0.33， 硅灰摻量10%， 礦粉摻量10%～15%， 粉煤灰摻量10%.

4) 混凝土受硫酸鹽腐蝕破壞的主要原因是微裂縫中鈣礬石結(jié)晶叢生并斷裂， 引起水化硅酸鈣凝膠解體， 進(jìn)而使混凝土在宏觀上膨脹破壞. 高性能混凝土水膠比小， 利于水化產(chǎn)物結(jié)晶， 多種礦物摻和料的加入， 在提供水化產(chǎn)物結(jié)晶晶核的同時， 利用其優(yōu)良的填充效應(yīng)和火山灰效應(yīng)的疊加會使混凝土更為密實(shí).

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ConcreteMixProportionOrthogonalTestofSulfateCorrosionResistantHighPerformanceConcrete

LIU Jin-yan1,2, LI Xu-dong3, GONG Tian-zhen1, MA Hong-qiang2, CHU Zhen2, ZHANG Yu-ting2, SU Zhen-jin2

(1. Dept. of Civil Engineering, Shanxi University, Taiyuan 030013, China; 2. School of Mechanics and Civil Engineering, China University of Mining & Technology(Beijing), Beijing 100083, China; 3. Architectual Engineering Institute, Beijing University of Technology, Beijing 100022, China)

Using fly ash, slag and silica fume as mineral admixtures, high performance concrete of low water-binder ratio was made. Through orthogonal test of concrete mix proportion in wet-dry cycling, the paper analyzed the effects and results of relevant factors on the performance of concrete sulfate corrosion and efflorescence. The results show that water binder ratio has the deepest influence, follows by silica fume, and fly ash and slag has less effect; effect changes with the variation of the content of mineral admixture except water binder ratio; the optimal mixture ratio is water binder ratio 0.33, silica fume 10%, fly ash 10% and slag 15%, considering of sulfate corrosion and efflorescence; HPC with low water binder ratio and mineral admixtures can help the crystallization of hydration products; the filling effects and superimposed pozzolanic effects increase the compactness of concrete.

orthogonal experiment; mineral admixture; SEM; concrete

1673-3193(2017)03-0391-06

2016-10-17

山西省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2015021132)； 山西大學(xué)第十四期本科生科研訓(xùn)練項(xiàng)目(2016014357)； 山西大學(xué)校企合作橫向科研課題(01230115080037)； 國網(wǎng)山西省電力公司《抗硫酸鹽腐蝕防泛堿高性能混凝土研究》科研項(xiàng)目(SGSX0000JSJS[2015]278)

劉晉艷(1981-)， 女， 講師， 博士生， 主要從事混凝土材料耐久性的研究.

TU528.33

A

10.3969/j.issn.1673-3193.2017.03.023