基于混料設(shè)計(jì)的混凝土膠凝材料體系對氯離子滲透性能影響的配比優(yōu)化

陳裕佳

（1. 廈門天潤錦龍建材有限公司，福建 廈門 361027；2. 廈門市建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司，福建 廈門 361004）

0 前言

進(jìn)入新世紀(jì)以來，混凝土作為使用最廣的建筑工程材料，在不同的環(huán)境條件下對混凝土提出了不同的性能要求[1]。在沿海地區(qū)，許多的混凝土建設(shè)工程向海洋環(huán)境進(jìn)行延伸，因此氯離子的滲透問題成為了當(dāng)前海洋環(huán)境下混凝土的耐久性研究的重點(diǎn)之一[2-3]。

氯離子在混凝土中的輸運(yùn)過程實(shí)質(zhì)上是帶電粒子在多孔介質(zhì)的孔隙液中傳質(zhì)的過程。對應(yīng)于粒子傳質(zhì)過程中所發(fā)生的基礎(chǔ)物理化學(xué)過程包括：擴(kuò)散、對流、綁定和電遷移等[4]。礦物摻合料在混凝土中對改善氯離子滲透性能的作用顯著，礦物摻合料可以有效地細(xì)化混凝土孔隙結(jié)構(gòu)、改善界面區(qū)和增加混凝土密實(shí)度，大幅度地改善混凝土的抗氯離子滲透性能[5]。水化產(chǎn)物填充在空隙中，將水泥漿體中的連通孔堵住可降低水泥中的孔隙率，可阻止離子進(jìn)入，進(jìn)一步改變氯離子滲透性以及耐久性[6]。

本文在礦物摻合料能有效改善氯離子滲透性能的基礎(chǔ)上，運(yùn)用混料設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)水泥—粉煤灰—礦粉三元膠凝體系試驗(yàn)配比。借助混料設(shè)計(jì)軟件 Minitab，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)配合比的確定。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

1.1.1 水泥

試驗(yàn)所用水泥為福建紅獅水泥廠生產(chǎn)的 P·O42.5 級散裝水泥，其技術(shù)指標(biāo)見表1。

1.1.2 減水劑

試驗(yàn)所用減水劑為來自科之杰的聚羧酸減水劑，其性能指標(biāo)見表2。

1.1.3 其他

試驗(yàn)所用其他原材料均來自公司攪拌站的生產(chǎn)用料，粉煤灰為 F 類Ⅱ級粉煤灰，礦粉等級為 S95，砂的細(xì)度模數(shù)為 2.6，石子是粒徑為 5～20mm 的反擊破石子。所用水為普通城市自來水，水質(zhì)符合 JGJ 63—2006《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》中的規(guī)定。

表1 試驗(yàn)所用水泥的性能指標(biāo)

表2 試驗(yàn)所用減水劑性能

1.2 試驗(yàn)配比

本試驗(yàn)設(shè)計(jì) C30 強(qiáng)度等級的配合比進(jìn)行試驗(yàn)，如表3 所示，是本試驗(yàn)的基準(zhǔn)配合比，其中始終保持膠凝材料總量不變，同時(shí)保持水膠比砂率不變。試驗(yàn)根據(jù)混料設(shè)計(jì)改變水泥—粉煤灰—礦粉三元膠凝材料體系的分量比例，測試其氯離子電通量。

表3 C30 試驗(yàn)基準(zhǔn)配合比 kg/m3

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 氯離子滲透性

根據(jù) GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，抗氯離子滲透試驗(yàn)有兩種方法，即快速氯離子遷移系數(shù)法（RCM 法）和電通量法。本文試驗(yàn)使用電通量法，使用儀器為北京耐久偉業(yè)科技有限公司生產(chǎn)的 NJ-DTL 系列混凝土氯離子電通量測定儀，其給出的氯離子滲透性判定如表4 所示。

表4 基于通過的電量的氯離子滲透性

1.3.2 混料設(shè)計(jì)

本文使用 Minitab 17 軟件中的 DOE 混料設(shè)計(jì)模塊設(shè)計(jì)試驗(yàn)并分析數(shù)據(jù)。試驗(yàn)以水泥、粉煤灰和礦粉在總膠凝材料中的比例為分量（用 x水泥、x粉煤灰、x礦粉表示），以混凝土的電通量為指標(biāo)。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)和試驗(yàn)中各成分的比例有其范圍限制，因此，混料設(shè)計(jì)將對其分量進(jìn)行約束，其約束條件為：

2 結(jié)果與討論

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與測試結(jié)果

在 Minitab 17 軟件“混料設(shè)計(jì)”模塊中進(jìn)入創(chuàng)建混料設(shè)計(jì)，混料設(shè)計(jì)總共有三種類型，分別是單純形格點(diǎn)設(shè)計(jì)、單純形質(zhì)心設(shè)計(jì)和極端頂點(diǎn)設(shè)計(jì)。因本試驗(yàn)對混料分量加入了上下界的約束條件，所以適用極端頂點(diǎn)設(shè)計(jì)。本試驗(yàn)有 3 個(gè)分量，設(shè)計(jì)階數(shù)為 1 階，然后設(shè)置分量的上下界，軟件自動(dòng)生成試驗(yàn)配比，與測試結(jié)果合并于表5。

表5 混料設(shè)計(jì)分量與 28d 電通量測試結(jié)果

2.2 最優(yōu)配比分析

通過分析混料設(shè)計(jì)入口，混料設(shè)計(jì)可提供多種模型來擬合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，本試驗(yàn)有三個(gè)分量適合用特殊立方模型對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。三元體系可以建立三角分量體系圖，如圖1 所示為各試驗(yàn)組分量設(shè)計(jì)圖，于此形成對比的是，基于模型方程設(shè)置電通量為相應(yīng)變量繪制等值線圖。如圖2 所示，三角圖中顯示模擬值的等值線形成了同心圓形狀，證明有最優(yōu)解，設(shè)計(jì)配合比時(shí)可以根據(jù)圖中的優(yōu)選區(qū)域設(shè)計(jì)較優(yōu)的配比。最后用響應(yīng)優(yōu)化器工具，設(shè)置電通量的目標(biāo)為最小，Minitab 將計(jì)算最優(yōu)解并繪圖，最優(yōu)解作為圖的起始點(diǎn)，調(diào)整各分量的比例將會(huì)自動(dòng)計(jì)算新的最優(yōu)解。如圖3 所示，本試驗(yàn)的最優(yōu)解為水泥 : 粉煤灰 : 礦粉的比例為 0.5451:0.1606:0.2943，最優(yōu)解的電通量為最小值1882C，達(dá)到低級別的氯離子滲透性。用解得的配合比進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，測得的電通量為 1875C，與計(jì)算值的誤差僅為 0.37%，因此該最優(yōu)解是有效的。

4 結(jié)論

本試驗(yàn)用混料設(shè)計(jì)的方法，設(shè)計(jì)三元膠凝材料體系對混凝土氯離子滲透性能的影響。根據(jù)真實(shí)的電通量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，用 Minitab 軟件繪制等值線圖，并用響應(yīng)優(yōu)化得到最優(yōu)解。試驗(yàn)證明加入粉煤灰和礦粉能夠有效地改善混凝土氯離子滲透性，在本試驗(yàn)中最優(yōu)的膠凝材料比例是水泥 : 粉煤灰 : 礦粉=0.5451:0.1606:0.2943。

圖1 試驗(yàn)組分量設(shè)計(jì)圖

圖2 電通量的混合等值線圖

圖3 最優(yōu)解的電通量與配比