基于灰熵理論的超長(zhǎng)池體混凝土強(qiáng)度影響因素研究

何江紅，薛翠真，劉玉果，羅丹

（1.中國建筑股份有限公司，北京 100020；2.蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

0 引言

污水處理廠池體混凝土長(zhǎng)度及寬度較大，屬于大體積混凝土。大體積混凝土經(jīng)常出現(xiàn)溫度收縮及干燥收縮開裂問題，導(dǎo)致池體環(huán)境中Cl-、SO42-等侵蝕性介質(zhì)更易通過裂縫進(jìn)入池體內(nèi)部，進(jìn)而加劇了池體混凝土結(jié)構(gòu)的破壞，產(chǎn)生更多裂縫，形成惡性循環(huán)，是導(dǎo)致混凝土耐久性變差的重要因素，縮短了池體混凝土的服役壽命[1-2]。為緩解池體混凝土的溫度收縮和干燥收縮、降低結(jié)構(gòu)的開裂，經(jīng)濟(jì)有效的方法是在混凝土內(nèi)部摻入一定量的膨脹劑。氧化鈣類膨脹劑、硫鋁酸鈣類膨脹劑和氧化鈣-硫鋁酸鈣類膨脹劑是常用的膨脹劑，以AFm或Ca（OH）2為膨脹源，但實(shí)際工程應(yīng)用中存在膨脹不穩(wěn)定、需水量大、水化速度快等缺點(diǎn)[3]。MgO膨脹劑與其他膨脹劑相比水化需水量較少、膨脹源較為穩(wěn)定、可調(diào)控其膨脹過程，綜合性能較優(yōu)，工程效益顯著，越來越多地應(yīng)用于實(shí)際工程中[4-5]。研究表明，MgO膨脹劑可補(bǔ)償混凝土的體積收縮，但膨脹劑摻量過多時(shí)，會(huì)降低混凝土強(qiáng)度，影響混凝土的安全性[6]。曹豐澤等[7]研究了MgO膨脹劑對(duì)混凝土強(qiáng)度、體積變形和溫度收縮的影響，結(jié)果表明，摻MgO膨脹劑的C35混凝土強(qiáng)度符合要求，且可補(bǔ)償混凝土結(jié)構(gòu)的溫度收縮，降低混凝土收縮裂縫。相關(guān)研究表明[8-9]，合適摻量和種類的礦物摻合料可較快地發(fā)揮混凝土的膨脹效能，并提高試件膨脹的穩(wěn)定性。但是，MgO膨脹劑在不同養(yǎng)護(hù)條件下如干燥狀態(tài)、環(huán)境因素變化等環(huán)境作用下綜合性能的演化規(guī)律及其機(jī)理需進(jìn)一步開展研究。灰關(guān)聯(lián)分析作為一種解決不確定、多輸入和離散數(shù)據(jù)問題的有效方法，在土木材料領(lǐng)域已有較多應(yīng)用[10]，而熵權(quán)法作為一種客觀權(quán)重分配方法，也可對(duì)材料的性能做出評(píng)價(jià)[11]，但將灰關(guān)聯(lián)分析與熵權(quán)法結(jié)合對(duì)材料進(jìn)行研究卻并不多見。

鑒于此，針對(duì)超長(zhǎng)池體混凝土出現(xiàn)的溫升及收縮開裂問題，首先開展西北寒旱區(qū)環(huán)境作用下鎂質(zhì)高性能膨脹劑摻量、鎂質(zhì)高性能膨脹劑與粉煤灰及礦粉的配伍性、養(yǎng)護(hù)方式等因素對(duì)超長(zhǎng)池體混凝土強(qiáng)度的影響研究，借助灰熵理論分析影響超長(zhǎng)池體混凝土強(qiáng)度的顯著因素；采用微觀測(cè)試方法揭示抗裂劑對(duì)超長(zhǎng)池體混凝土的強(qiáng)度影響機(jī)理。研究結(jié)論為下一步超長(zhǎng)池體大體積混凝土設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供一定的理論與數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，為同類工程大體積混凝土的裂縫病害防治提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：P·O42.5水泥，符合GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》的要求，比表面積349 m2/kg，主要技術(shù)性能見表1：粉煤灰：Ⅱ級(jí)，符合GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》的要求，主要技術(shù)性能見表2；礦粉：S95級(jí)，符合GB/T 18046—2017《用于水泥、砂漿和混凝土中的粒化高爐礦渣粉》的要求，主要技術(shù)性能見表3；膨脹劑：鎂質(zhì)高性能抗裂劑，符合GB/T 23439—2017《混凝土膨脹劑》的要求，MgO含量88.6%，燒失量2.9%，比表面積206m2/kg，主要技術(shù)性能見表4；砂：河砂，細(xì)度模數(shù)2.46；水：自來水。

表1 水泥的主要技術(shù)性能

表2 粉煤灰的主要技術(shù)性能

表3 礦粉的主要技術(shù)性能

表4 鎂質(zhì)高性能抗裂劑的主要技術(shù)性能

水泥、粉煤灰、礦粉及鎂質(zhì)高性能抗裂劑的微觀形貌如圖1所示。

圖1 水泥、粉煤灰、礦粉及鎂質(zhì)高性能抗裂劑的微觀形貌

由圖1可知，水泥的顆粒級(jí)配不連續(xù)，顆粒形貌較為粗糙，主要以不規(guī)則的顆粒為主，棱角分明，表面附著少量較細(xì)的顆粒。與水泥相比，粉煤灰具有較好的顆粒形貌，顆粒以圓球狀為主，理論上具有較好的顆粒填充效應(yīng)。礦粉與抗裂劑的顆粒形貌基本相似，顆粒棱角性較強(qiáng)，但具有較好的顆粒級(jí)配，粗細(xì)顆粒均勻分布。級(jí)配較好的粉體顆?？梢院退囝w粒互相填充形成更優(yōu)的級(jí)配。良好的顆粒形貌與級(jí)配可填充膠凝材料體系孔隙，進(jìn)一步提高膠凝材料體系的密實(shí)度，提高混凝土的抗?jié)B及收縮性能。

1.2 試驗(yàn)方案

研究涉及的鎂質(zhì)高性能抗裂劑、粉煤灰、礦粉摻量、養(yǎng)護(hù)齡期以及養(yǎng)護(hù)環(huán)境等主要影響混凝土中膠凝材料性能的發(fā)揮，水泥砂漿試驗(yàn)結(jié)果在一定程度上可指導(dǎo)混凝土的配合比設(shè)計(jì)，且可降低試驗(yàn)誤差。鑒于此，以砂漿為研究對(duì)象開展后續(xù)研究。水泥膠砂強(qiáng)度參照GB17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》進(jìn)行測(cè)試，基準(zhǔn)砂漿配合比為：水泥用量450 g，砂用量1350 g，水225 g。鎂質(zhì)高性能抗裂劑外摻，粉煤灰和礦粉等質(zhì)量取代水泥。同時(shí)，設(shè)計(jì)了標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)[溫度（20±2）℃，相對(duì)濕度大于95%，1 d脫模后養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡]、覆膜養(yǎng)護(hù)（1 d脫模后將試塊用保鮮膜覆蓋后，置于西北蘭州地區(qū)7月份實(shí)際氣候環(huán)境下養(yǎng)護(hù)7 d；然后拆掉保鮮膜養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期）和自然養(yǎng)護(hù)（1 d脫模后置于西北蘭州地區(qū)7月份實(shí)際氣候環(huán)境下養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期，日均最高溫度31℃，日均最低氣溫19℃；平均相對(duì)濕度約為50%）3種方式，研究不同養(yǎng)護(hù)方式對(duì)砂漿強(qiáng)度的影響規(guī)律。砂漿強(qiáng)度試驗(yàn)方案見表5。

表5 砂漿強(qiáng)度試驗(yàn)方案

2 強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析

粉體材料摻量對(duì)砂漿28 d抗壓強(qiáng)度的影響如表6所示，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)不同齡期對(duì)砂漿抗壓強(qiáng)度的影響如表7所示。

表6 粉體材料摻量對(duì)砂漿28 d抗壓強(qiáng)度的影響

表7 養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)砂漿抗壓強(qiáng)度的影響

由表6、表7可知，各方案試件的抗壓強(qiáng)度均隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)而逐漸提高，前期提高速度較快，后期提高速度較慢。以K-2試件為例，當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期從7 d延長(zhǎng)到28 d時(shí)，試件抗壓強(qiáng)度提高了114.3%；當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期從28 d延長(zhǎng)到90 d時(shí)，試件的抗壓強(qiáng)度提高了21.4%。K-2、D-2及S-2試件早期抗壓強(qiáng)度均低于基準(zhǔn)試件，這是由于粉煤灰、礦粉等粉體材料早期活性較小，生成的水化產(chǎn)物較少，宏觀上表現(xiàn)為試件早期抗壓強(qiáng)度的降低。合適摻量的鎂質(zhì)高性能抗裂劑可提高砂漿試件的抗壓強(qiáng)度，但隨著鎂質(zhì)高性能抗裂劑摻量的增加，砂漿的抗壓強(qiáng)度逐漸降低。當(dāng)摻量≤6%時(shí)，摻鎂質(zhì)高性能抗裂劑試件抗壓強(qiáng)度與基準(zhǔn)試件抗壓強(qiáng)度相差不大，甚至有所提高；當(dāng)摻量為8%時(shí)，與基準(zhǔn)試件相比，摻鎂質(zhì)高性能抗裂劑試件抗壓強(qiáng)度降低了7.7%。D-1及S-1試件的28 d抗壓強(qiáng)度與基準(zhǔn)試件抗壓強(qiáng)度相差不大，甚至有所提高，隨著鎂質(zhì)高性能抗裂劑的摻入，試件的28 d抗壓強(qiáng)度有所降低，但降幅不大，以雙摻粉煤灰-礦粉為例，與S-1相比，S-2試件的28 d抗壓強(qiáng)度降低了4.4%。

綜上，鎂質(zhì)高性能抗裂劑的摻入不同程度地降低了試件的早期強(qiáng)度，對(duì)試件后期強(qiáng)度影響不大，甚至有所提高。這可能是由于鎂質(zhì)高性能抗裂劑早期活性較小，但是其具有一定的吸水性，摻入后降低了水泥、粉煤灰、礦粉等水化所需水分，進(jìn)而降低了膠凝材料的水化程度，導(dǎo)致體系內(nèi)部水化產(chǎn)物數(shù)量減少，內(nèi)部結(jié)構(gòu)不夠密實(shí)，宏觀上表現(xiàn)為砂漿早期強(qiáng)度降低；水化后期鎂質(zhì)高性能抗裂劑可產(chǎn)生一定數(shù)量的Mg（OH）2，提高體系內(nèi)部密實(shí)度，進(jìn)而提高試件后期強(qiáng)度。

表8為養(yǎng)護(hù)條件對(duì)砂漿試件28 d抗壓強(qiáng)度的影響。

表8 養(yǎng)護(hù)條件對(duì)砂漿試件28 d抗壓強(qiáng)度的影響

由表8可知，養(yǎng)護(hù)條件對(duì)砂漿試件抗壓強(qiáng)度有一定的影響。與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)相比，覆膜養(yǎng)護(hù)對(duì)試件抗壓強(qiáng)度的影響不大；而自然養(yǎng)護(hù)狀態(tài)下試件的抗壓強(qiáng)度降低幅度較大。以S-2為例，與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)相比，覆膜養(yǎng)護(hù)與自然養(yǎng)護(hù)狀態(tài)下，試件抗壓強(qiáng)度分別降低了2.9%、10.0%。這是由于覆膜養(yǎng)護(hù)可以減少試件內(nèi)部水分的散失，進(jìn)而對(duì)試件強(qiáng)度影響不大；而自然養(yǎng)護(hù)狀態(tài)下，西北地區(qū)自然環(huán)境中濕度較小，水分蒸發(fā)較快，導(dǎo)致參與膠凝材料水化的水分不足，進(jìn)而降低了試件的強(qiáng)度。綜上，實(shí)際工程中，超長(zhǎng)池體澆筑完成后，應(yīng)立即進(jìn)行覆膜養(yǎng)護(hù)以保證其強(qiáng)度的發(fā)展。

3 不同因素與砂漿強(qiáng)度灰關(guān)聯(lián)分析

灰熵理論可有效區(qū)分系統(tǒng)中的主要因素和次要因素，灰關(guān)聯(lián)度和灰熵值可在一定程度上表征子序列對(duì)母序列的影響程度，灰熵關(guān)聯(lián)度與灰熵值越大，影響越顯著，灰關(guān)聯(lián)度與灰熵計(jì)算方法具體計(jì)算步驟見文獻(xiàn)[12]。以標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下28d抗壓強(qiáng)度為母序列，以粉煤灰、礦粉、鎂質(zhì)高性能抗裂劑摻量為子序列進(jìn)行灰熵分析，分析結(jié)果可為超長(zhǎng)池體混凝土的配合比設(shè)計(jì)提供一定的理論指導(dǎo)，表9為砂漿28 d抗壓強(qiáng)度與粉體材料灰關(guān)聯(lián)度與灰熵值分析結(jié)果。

表9 砂漿28 d抗壓強(qiáng)度與粉體材料灰關(guān)聯(lián)度與灰熵值

由表9可知，粉體材料種類對(duì)砂漿28 d抗壓強(qiáng)度存在顯著影響。灰關(guān)聯(lián)度分析結(jié)果表明各因素對(duì)砂漿強(qiáng)度影響的顯著性次序?yàn)椋悍勖夯遥炬V質(zhì)高性能抗裂劑＞礦粉；而基于灰熵分析結(jié)果，各因素顯著性影響次序?yàn)椋烘V質(zhì)高性能抗裂劑＞粉煤灰＞礦粉?；异厥窃诨谊P(guān)聯(lián)分析的基礎(chǔ)上提出的，其克服了灰關(guān)聯(lián)分析方法中存在的局部點(diǎn)關(guān)聯(lián)傾向和造成信息損失的不足，可更加有效地區(qū)分系統(tǒng)中的主要因素和次要因素，分析結(jié)果更為可信。因此，基于灰熵分析結(jié)果可知，鎂質(zhì)高性能抗裂劑對(duì)砂漿抗壓強(qiáng)度的影響最為顯著，且與試件抗壓強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)，即隨著其摻量的增加試件28 d抗壓強(qiáng)度逐漸降低。因此，后續(xù)在對(duì)超長(zhǎng)池體混凝土配合比設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)綜合考慮試件抗裂性能和抗壓強(qiáng)度，選擇合適的鎂質(zhì)高性能抗裂劑摻量，以防試件抗壓強(qiáng)度降幅過大。

4 微觀形貌

圖2為不同砂漿試件28d齡期內(nèi)部微觀形貌。

圖2 不同砂漿試件的微觀形貌

由圖2可知，各砂漿試件內(nèi)部微觀形貌具有一定的相似性，即各砂漿試件內(nèi)部均有一定數(shù)量的水化產(chǎn)物生成，且內(nèi)部含有一定數(shù)量的微裂紋；但是各試件的水化產(chǎn)物數(shù)量及裂縫寬度與長(zhǎng)度有所不同，宏觀上表現(xiàn)為試件抗壓強(qiáng)度的不同。由圖2（a）可知，基準(zhǔn)試件內(nèi)部水化產(chǎn)物顆粒較小，水化產(chǎn)物主要為針棒狀A(yù)Ft、片狀Ca（OH）2和部分絮狀C-S-H凝膠。由圖2（b）、（c）可知，試件內(nèi)部含有一定數(shù)量的水化產(chǎn)物，內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為致密，片狀Ca（OH）2數(shù)量有所減少，這是由于粉煤灰、礦粉二次水化反應(yīng)可消耗一定數(shù)量的Ca（OH）2，宏觀上表現(xiàn)為單摻粉煤灰試件和雙摻粉煤灰-礦粉試件強(qiáng)度與基準(zhǔn)試件相當(dāng)，或有小幅度提升。由圖2（d）可知，摻鎂質(zhì)高性能抗裂劑試件28 d內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)不夠致密，內(nèi)部含有一定數(shù)量的孔洞和裂縫，水化產(chǎn)物數(shù)量與種類和基準(zhǔn)試件相差不大，宏觀上表現(xiàn)為試件抗壓強(qiáng)度有所降低。

5 結(jié)論

（1）隨養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，摻鎂質(zhì)高性能抗裂劑試件抗壓強(qiáng)度逐漸提高，前期提高幅度較大，后期提高幅度較小。

（2）合適摻量的鎂質(zhì)高性能抗裂劑對(duì)試件抗壓強(qiáng)度的影響不大，甚至有所提高；若摻量過多，則試件抗壓強(qiáng)度有所降低。

（3）養(yǎng)護(hù)條件對(duì)摻鎂質(zhì)高性能抗裂劑試件抗壓強(qiáng)度存在一定的影響。覆膜養(yǎng)護(hù)與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試件抗壓強(qiáng)度相差不大；自然養(yǎng)護(hù)條件下，試件抗壓強(qiáng)度有所降低。

（4）鎂質(zhì)高性能抗裂劑、粉煤灰、礦粉等主要通過影響試件內(nèi)部水化產(chǎn)物數(shù)量、裂縫寬度與長(zhǎng)度，進(jìn)而影響試件的宏觀抗壓強(qiáng)度。