基于正交試驗(yàn)法的高性能混凝土耐久性能影響

張喆 楊謙 安亞強(qiáng)

摘要：針對(duì)當(dāng)前建筑領(lǐng)域?qū)Ω咝阅芑炷列阅芤笤絹碓礁叩膯栴}，結(jié)合相關(guān)的理論知識(shí)，以軌道板混凝土作為研究對(duì)象，對(duì)其耐久性能進(jìn)行探討。對(duì)此，文章首先采用正交試驗(yàn)法對(duì)高性能混凝土的最優(yōu)配合比進(jìn)行優(yōu)化，然后結(jié)合耐久性的指標(biāo)，重點(diǎn)對(duì)其抗凍性能、抗壓強(qiáng)度、坍落度、抗硫酸鹽侵蝕性、抗裂性能、抗?jié)B透性能等進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明水灰比0.29、礦物量10%、砂率37%、外加劑1.5%的情況下，混凝土表現(xiàn)出較好的久性能。通過上述的研究，給鐵路施工中的高性能混凝土設(shè)計(jì)提供了借鑒。

關(guān)鍵詞：高性能混凝土;耐久性;抗裂性;正交實(shí)驗(yàn)法;水灰比

中圖分類號(hào)：TU528 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2019）12-0133-03

隨著建筑材料和建筑技術(shù)的演化，高性能混凝土憑借其高耐久性等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用在橋梁、隧道等。目前，針對(duì)高性能混凝土的制備存在很多爭議，如美國則強(qiáng)調(diào)混凝土的耐久性和尺寸穩(wěn)定性;日本則強(qiáng)調(diào)混凝土自身的高工作性;吳中偉院士則強(qiáng)調(diào)高強(qiáng)度和高耐心性，但側(cè)重于滿足質(zhì)量管理和現(xiàn)代技術(shù)條件下。本文則結(jié)合上述關(guān)于高性能混凝土研究的熱潮和側(cè)重點(diǎn)，重點(diǎn)就高性能混凝土的耐久性進(jìn)行研究，并采用試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 試驗(yàn)原材料與配合比設(shè)計(jì)

1.1試驗(yàn)原材料

本文以鐵路建設(shè)工程中的軌道板混凝土為背景，就影響高性能混凝土的耐久性進(jìn)行研究，以此為混凝土施工提供化學(xué)參考依據(jù)。由此，本實(shí)驗(yàn)主要采用P.O42.5水泥、5～20mm粗骨料、模數(shù)為2.3～3.0的細(xì)骨料。

1.2配制強(qiáng)度計(jì)算

配制強(qiáng)度fcu，k通常由強(qiáng)度等級(jí)fcu，0和強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差σ確定，具體強(qiáng)度計(jì)算公式為：

fcu，k=fcu，0=tσ

（1）

t表示強(qiáng)度保證率系數(shù)，t值為1.645。

1.3正交試驗(yàn)的配合比設(shè)計(jì)

采用正交試驗(yàn)法設(shè)計(jì)不同比例對(duì)混凝土性能的影響。綜合考慮影響因素，選擇水膠比、砂率、礦料摻量進(jìn)行正交試驗(yàn)。其中水膠比為0.27、0.29、0.31;砂率為37%、3g%、41%3個(gè)水平;礦料摻量取10%、15%、20%3個(gè)水平。由此得到如表1所示的配合比。

根據(jù)上述的試驗(yàn)配合比，可以得到表2所示的混凝土坍落度和抗壓強(qiáng)度。

針對(duì)上述的結(jié)果，本文采用極差法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，認(rèn)為試驗(yàn)組4得到的坍落度和抗壓強(qiáng)度最高，說明該組配置方案最佳。

2 耐久性測(cè)試

為進(jìn)一步驗(yàn)證上述制備的高性能混凝土試件的耐久性能，分別對(duì)試件進(jìn)行抗?jié)B透性、抗凍性、耐腐蝕性等測(cè)試。

2.1抗?jié)B透性測(cè)試

抗?jié)B透性通常被認(rèn)為時(shí)候檢驗(yàn)混凝土性能的一個(gè)重要指標(biāo)。對(duì)客運(yùn)專線的軌道板來講，在長期使用的過程中，難免會(huì)受到環(huán)境的影響，受到氯離子的侵入。而通過研究表明，當(dāng)氯離子的濃度達(dá)到一定的比例，則會(huì)造成鋼筋銹蝕，進(jìn)而使得混凝土的粘接力下降，最終導(dǎo)致整個(gè)混凝土結(jié)構(gòu)受到破壞。因此，在對(duì)混凝土的耐久性能進(jìn)行評(píng)價(jià)的過程中，氯離子的滲透性往往是評(píng)價(jià)混凝土耐久性的一個(gè)重要指標(biāo)，特別是在高速公路、專用橋梁等。對(duì)此，本文采用電通法對(duì)高性能混凝土的抗?jié)B透性進(jìn)行測(cè)定。具體選擇水膠比為0.29，同時(shí)礦摻量為10%、15%、20%的混凝土進(jìn)行電通測(cè)試試驗(yàn)。通過上述的方法，得到在一定水膠比下，不同礦摻量下的抗?jié)B透性能，具體如圖1所示。

通過圖1可知，上述三組混凝土試件都滿足電通量值規(guī)定的要求，也就是按照本文配置的高性能混凝土，其都具備較好的抗?jié)B透性能。但是，通過上述的對(duì)比看出，隨著礦物摻合量的不斷增加，混凝土試件的電通量卻在不斷的減少，由此可以說明試件的抗?jié)B透性在不斷提高。而出現(xiàn)該現(xiàn)象的一個(gè)重要原因，是在混凝土中加入了礦物摻合料，這些摻合料填充了混凝土中的狹縫，從而極大的改善了混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高了整體的密室度。而當(dāng)?shù)V物摻量從15%增加到20%的時(shí)候，其抗?jié)B透性又有所下降，說明過多的摻入礦物摻合料，導(dǎo)致其內(nèi)部結(jié)構(gòu)變差，抗?jié)B透性明顯降低。

2.2抗凍性試驗(yàn)

抗凍性被認(rèn)為是衡量高性能混凝土的又一個(gè)重要指標(biāo)。所謂的抗凍性，是指混凝土在水飽和的情況下，經(jīng)多次凍融循環(huán)作用后，而其結(jié)果不受到破壞，性能不受到影響。對(duì)鐵路客運(yùn)專線來講，由于其面對(duì)的環(huán)境日益復(fù)雜，會(huì)經(jīng)過寒冷地區(qū)，從而使得高性能混凝土的抗凍性受到嚴(yán)格的關(guān)注。而分析混凝土的凍融破壞機(jī)理，鮑爾斯則認(rèn)為是水在飽和的章臺(tái)下，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部受到膨脹壓力和滲透壓力，進(jìn)而在混凝土內(nèi)部的孔壁中產(chǎn)生拉應(yīng)力，一旦這個(gè)拉應(yīng)力炒股混凝土的抗壓強(qiáng)度，那么混凝土就會(huì)受到破壞，出現(xiàn)開裂。

通過試驗(yàn)表明，影響混凝土抗凍性的因素很多，本文則選取水膠比和礦摻量作為影響的因素，并設(shè)定對(duì)比試驗(yàn)，目的是觀察在不同水膠比和礦摻量的情況下，其凍融破壞情況。試驗(yàn)儀器則選擇TDR I型混凝土快速凍融試驗(yàn)機(jī)。通過上述的方法，得到表3所示的結(jié)果。

通過上述的試驗(yàn)可以看出，水膠比越小，混凝土的損失率則越小。且在水膠比曉得情況下，礦物摻合料越多，相對(duì)動(dòng)態(tài)模量越大，說明其抗凍性也就越好。主要原因是在該條件下，混凝土的凝膠結(jié)構(gòu)變得致密，大大提高了抗凍性。

2.3抗硫酸鹽侵蝕性試驗(yàn)

在混凝土的結(jié)果中，化學(xué)侵蝕是非常常見的一個(gè)問題，特別是硫酸鹽的侵蝕，是影響混凝土耐久性的一個(gè)重要因素。對(duì)硫酸鹽的侵蝕中，是目前所知的危害最大，影響最為復(fù)雜的問題。對(duì)硫酸鹽腐蝕來講，通常存在與地下水中，特別是一些鹽堿地路段。而一旦對(duì)鐵路軌道板腐蝕，將給鐵路運(yùn)營帶來極大的危害。對(duì)此，在對(duì)耐久性進(jìn)行測(cè)量中，重點(diǎn)對(duì)硫酸鹽侵蝕進(jìn)行研究。研究認(rèn)為，硫酸鹽的侵蝕是非常復(fù)雜的一個(gè)過程，其中包含著很多化學(xué)反應(yīng)，并且這個(gè)過程非常漫長。試驗(yàn)表明，出現(xiàn)硫酸鹽侵蝕與水泥中硅酸鹽的含量有著很大的關(guān)系。而最初的反應(yīng)中，主要是鈣離子與石膏溶解，從而得到硫酸根離子.具體反應(yīng)的方程式為：

C3A+3CSH2+26H→C6AS3H32

（2）

而為了測(cè)定本文制備的混凝土試件的抗侵蝕能力，采用以下的步驟：

1）將制備好的試件放在80℃的烘箱中進(jìn)行恒溫烘烤，持續(xù)6h，同時(shí)冷卻觀察1h。取出將其進(jìn)行稱重，并將其浸泡在濃度大小為5%的硫酸鈉溶液當(dāng)中th，取出擦干表明水份，再晾干1h。由此重復(fù)上述的步驟，可以得到如圖2所示的結(jié)果。

根據(jù)下述的結(jié)果看出，本文制備的高性能混凝土的抗侵蝕能力隨著礦物摻合量的增加而不斷提升，并且在摻入20%的時(shí)候，其循環(huán)次數(shù)達(dá)到最大。此后，隨著摻合量的增加，其循環(huán)次數(shù)減少。而之所以的大搜該結(jié)果，是因?yàn)榈V物摻合料有助于提高混凝土的抗硫酸鹽整體侵蝕性能。而加入礦物摻合料后，使得混凝土結(jié)果變得更加密實(shí)，強(qiáng)度更高。但超過一定的量，其抗硫酸鹽侵蝕性能則降低，主要是隨著其量的增加，很難形成足夠的強(qiáng)度和密實(shí)性，使得抗硫酸鹽侵蝕性能降低。

3 結(jié)語

通過上述對(duì)高性能混凝土在抗?jié)B透性、抗凍性和抗硫酸鹽侵蝕性等方面的研究，通過一定的配合比設(shè)計(jì)的高性能混凝土具有較好的耐久性。通過研究可以得到以下結(jié)論：對(duì)軌道板混凝土制備的最佳配合比：水灰比=0.29，礦物摻合量20%;通過試驗(yàn)得出，水膠比越小，其抗硫酸鹽侵蝕能力越大，主要的原因在于較小的水膠比，使得混凝土中的水含量較低，進(jìn)而減少了與硫酸鹽反應(yīng)的幾率;礦物摻合料的加入，增加了混凝土試件的密實(shí)性，進(jìn)而提高了其抗凍性和抗硫酸鹽侵蝕能力。說明在對(duì)高性能混凝土的制備過程中，摻入一定量的礦物摻合料具有極大的作用和價(jià)值;過多的摻入礦物摻合料，會(huì)使得混凝土強(qiáng)度發(fā)展緩慢的情況下，很難在混凝土的內(nèi)部形成好較高的強(qiáng)度和密實(shí)度，最終使得抗硫酸鹽侵蝕能力不斷下降。

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