不同因素對(duì)長齡期混凝土抗壓強(qiáng)度的影響*

張亞濤，汪 宇，陳吉春，朱田生，張成銀[.安徽省（水利部淮河水利委員會(huì)）水利科學(xué)研究院安徽蚌埠33000;.安徽元鼎建設(shè)工程有限責(zé)任公司安徽 蚌埠33000]

0 前言

抗壓強(qiáng)度是混凝土的重要力學(xué)性能指標(biāo)之一[1]，而混凝土作為一種多相復(fù)合材料，其力學(xué)性能主要取決于三方面因素：水泥石強(qiáng)度、粗集料強(qiáng)度和粗集料與水泥石間的界面過渡區(qū)強(qiáng)度[2]。郭曉燕等[3]通過不超過90 d混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)認(rèn)為：粉煤灰摻量30%～40%時(shí)，分選灰比原狀灰對(duì)提高混凝土強(qiáng)度更有效；施養(yǎng)杭[4]、李剛等[5]認(rèn)為：水泥強(qiáng)度、水膠比和粉煤灰摻量是決定不超過60d粉煤灰高性能混凝土抗壓強(qiáng)度的重要因素；段付珍等[6]對(duì)齡期不大于180d混凝土抗壓強(qiáng)度的研究表明：粉煤灰和礦粉對(duì)混凝土早期強(qiáng)度不利，但后期強(qiáng)度增長很快；何盛東[7]、金巧蘭[8]和陳國強(qiáng)[9]等認(rèn)為：部分機(jī)制砂替代天然砂未對(duì)齡期不大于120d混凝土抗壓強(qiáng)度造成不利影響，部分替代率會(huì)利于混凝土抗壓強(qiáng)度的提高。張旭賢等[10]通過不超過56d混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，認(rèn)為不同類型的減水劑適用于不同粉煤灰摻量的混凝土。

在前人工作的基礎(chǔ)上，根據(jù)有交互作用的正交試驗(yàn)原理，進(jìn)行四因素（水泥強(qiáng)度、活性摻合料種類、減水劑種類和細(xì)骨料種類）二水平的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，討論四因素和他們之間交互作用對(duì)長齡期（90～360 d）混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原材料

水泥為蚌埠海螺水泥有限公司產(chǎn)的P·O 42.5和P·O 52.5水泥，3 d抗壓強(qiáng)度分別為24.7 MPa和30.5 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度分別為47.5 MPa和53.2 MPa，安定性均合格；粉煤灰為淮南市珍珠粉煤灰開發(fā)利用有限責(zé)任公司產(chǎn)F類Ⅱ級(jí)粉煤灰，細(xì)度（0.045 mm方孔篩篩余）24.3%，需水量比93%，強(qiáng)度活性指數(shù)71%；礦粉為江蘇淮龍新型建材有限公司產(chǎn)S95礦粉，比表面積413m2/kg，流動(dòng)度比100%，28 d活性指數(shù)96%；天然砂為安徽明光產(chǎn)中砂，細(xì)度模數(shù)2.84，含泥量1.2%，泥塊含量0；混合砂為鳳陽武店產(chǎn)，細(xì)度模數(shù)2.43，石粉含量5.1%，亞甲藍(lán)試驗(yàn)合格，泥塊含量0；5～25（mm）碎石和5～10（mm）瓜子片均為淮南上窯產(chǎn)，瓜子片含泥量和泥塊含量分別為1.0%和0，碎石的含泥量和泥塊含量分別為0.9%和0；聚羧酸高性能減水劑產(chǎn)地為蚌埠，減水率29%，含固量17.15%，pH值4.56；奈系減水劑產(chǎn)地為合肥，減水率20%，含固量31.30%，pH值7.38；水為當(dāng)?shù)厣钣米詠硭?/p>

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與試樣成型

試驗(yàn)中的因素水平如表1所示，各因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果會(huì)產(chǎn)生一定影響，因素間也可能存在交互作用，假定各因素、交互作用是相互獨(dú)立的，即可把交互作用安排到一個(gè)專門的列上，與其他因素一起討論[11]。這里用L8（27）正交表（含交互作用）安排試驗(yàn)，A因素和B因素分別放在正交表的第1列和第2列，A因素和B因素的交互作用放于第3列，C因素放在第4列，A因素和C因素的交互作用放于第5列，D因素放于第7列，第6列為誤差列。

表1 因素水平表

利用HJS-60型雙臥軸混凝土試驗(yàn)用攪拌機(jī)（生產(chǎn)廠家：北京耐久偉業(yè)科技有限公司）成型原材料比例如表2所示的混凝土試樣，每種配比成型5組（每組3塊），分別進(jìn)行90d，120d，180d，270d，360d的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。試樣尺寸為100mm×100mm×100mm。

成型過程：加料后（水泥、砂、石、活性摻合料）干拌3 min，加水（有減水劑的需要把減水劑事先混勻在水中），機(jī)械攪拌4min，裝模成型、養(yǎng)護(hù)（成型與養(yǎng)護(hù)方法參照GB/T50081—2002相關(guān)規(guī)定）。

1.3 混凝土試塊抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

分別對(duì)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)90 d、120 d、180 d、270 d和360 d的混凝土試塊在YA-2000C型電液式壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試，試驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)處理方法參照標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50081—2002，結(jié)果見表3。

表2 混凝土配合比 kg/m3

表3 混凝土抗壓強(qiáng)度 MPa

2 結(jié)果分析

2.1 90 d抗壓強(qiáng)度結(jié)果分析

表4中可以得出對(duì)90d抗壓強(qiáng)度較優(yōu)的水平組合為A2B2C1D2。

由于：QA×C＜QC＜Q6＜QA，即A和C間無交互作用，所以第5列也是誤差列，又由于QC＜QD=Q6，所以C和D因素?zé)o影響。因此：

再把計(jì)算出的F值，分別與F0.01,（1,4）、F0.05,（1,4）和F0.10,（1,4）比較，得出各個(gè)因素對(duì)指標(biāo)值影響顯著性的結(jié)果：活性摻合料種類對(duì)混凝土90d抗壓強(qiáng)度的影響顯著，水泥強(qiáng)度對(duì)90d抗壓強(qiáng)度有影響，減水劑種類和細(xì)骨料種類對(duì)90d抗壓強(qiáng)度無影響，見表5。

表4 90 d抗壓強(qiáng)度結(jié)果初步分析表

2.2 其他齡期抗壓強(qiáng)度結(jié)果分析

按照2.1中方法，分別對(duì)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)120 d、180 d、270 d和360 d混凝土試件抗壓強(qiáng)度值進(jìn)行分析，結(jié)果見圖2，3和表6，7。

表5 90 d抗壓強(qiáng)度結(jié)果方差分析表

圖2 四因素在不同齡期對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

圖3 不同交互作用在不同齡期對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

從圖2中可以看出活性摻合料種類在不同齡期對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響程度均大于水泥強(qiáng)度、減水劑種類和細(xì)骨料種類，且基本是隨齡期的延長而增大。主要是由于活性摻合料的活性效應(yīng)、微集料效應(yīng)和形態(tài)效應(yīng)造成的。普通水泥28d時(shí)水化程度可達(dá)80%～90%，之后的水化十分緩慢[12-13]，而活性摻合料的二次水化在28d后開始成為主要反應(yīng)形式。最初的二次水化主要是礦渣在水泥水化產(chǎn)物Ca（OH）2和水泥組分石膏的激發(fā)下進(jìn)行的，后期的二次水化則主要是粉煤灰在水泥水化產(chǎn)物Ca（OH）2的誘發(fā)下進(jìn)行的[14]。

圖2和圖3比較可以得出：活性摻合料與水泥的交互作用（A×B）對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響隨著齡期的延長而增大，且影響程度一直大于活性摻合料與減水劑的交互作用（A×C）。原因是，混凝土齡期達(dá)到90d后，活性摻合料的二次水化反應(yīng)開始增多[15]，而二次水化反應(yīng)需要的Ca（OH）2正是水泥水化產(chǎn)物之一，這在一定程度上使得活性摻合料的二次水化與水泥水化具有相互促進(jìn)作用[6]，并且標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)到180d時(shí)，該環(huán)境下的相互促進(jìn)作用達(dá)到最強(qiáng)，對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度影響最大，因此A×B對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度影響一直強(qiáng)于A×C。

表6 較優(yōu)因素組合

從表6中可以看出：相較于只含粉煤灰的活性摻合料（A1）,粉煤灰和礦粉混合后的活性摻合料（A2）更有利于混凝土抗壓強(qiáng)度的提高，原因是：相較于粉煤灰，礦粉粒度更細(xì)、活性更高，尤其是界面活性更高，更能明顯改善水泥石與骨料的界面結(jié)構(gòu)[16]，因此，膠凝材料總量不變的情況下，用部分礦粉代替粉煤灰后，能夠同時(shí)發(fā)揮出粉煤灰和礦粉的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)抗壓強(qiáng)度影響變大；水泥強(qiáng)度等級(jí)52.5對(duì)90～120 d混凝土抗壓強(qiáng)度更有利，而水泥強(qiáng)度等級(jí)42.5對(duì)180～360 d混凝土抗壓強(qiáng)度更有利，因此，強(qiáng)度等級(jí)高的水泥不一定適合配置高標(biāo)號(hào)混凝土；萘系減水劑在120d后更有利于混凝土強(qiáng)度的增長，原因是，萘系減水劑pH值更高，含有的OH-更多，更能夠激發(fā)粉煤灰的二次水化反應(yīng)[17]；混合砂對(duì)270～360 d混凝土抗壓強(qiáng)度更有利，但從圖2中可以看出，該有利形勢對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度影響不大。

表7 各因素對(duì)不同齡期混凝土抗壓強(qiáng)度顯著性影響分析表

從表7中可以看出：標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)90～360 d，活性摻合料種類（因素A）對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響程度一直大于其他三個(gè)因素（因素B、因素C和因素D），因標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)90d齡期后，活性摻合料二次水化反應(yīng)開始增多[11]，此時(shí)，活性摻合料種類對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響變大，因此，對(duì)于90～120d齡期混凝土抗壓強(qiáng)度，活性摻合料種類的影響表現(xiàn)為顯著時(shí)，水泥的影響表現(xiàn)為有影響；標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)到180d以后，混凝土中活性摻合料的二次水化反應(yīng)達(dá)到高潮。

細(xì)骨料種類（因素D）對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響在表7中表現(xiàn)為無影響，即不同種類的中砂對(duì)90～360 d混凝土抗壓強(qiáng)度的影響程度可以忽略不計(jì)，再加上生產(chǎn)混合砂可以減小對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞，因此，混合砂替代天然砂潛力巨大。

3 結(jié)論

（1）四因素（活性摻合料種類、水泥強(qiáng)度、減水劑種類和細(xì)骨料種類）中對(duì)標(biāo)養(yǎng)90～360d齡期混凝土抗壓強(qiáng)度影響最大的因素是活性摻合料種類；

（2）活性摻合料和水泥的交互作用對(duì)標(biāo)養(yǎng)90～360 d齡期混凝土抗壓強(qiáng)度的影響隨著齡期的延長先增大后減小，在180 d時(shí)，其影響程度最大；

（3）細(xì)骨料種類對(duì)90～360 d混凝土抗壓強(qiáng)度的影響可以忽略不計(jì)，因此，針對(duì)天然砂比較緊張的現(xiàn)實(shí)，混合砂是一個(gè)較好的替代品。