基于正交試驗的水工混凝土抗凍性研究

趙 杰

（新民市水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 新民 110300）

近年來，中國東北部高寒地區(qū)水利水電工程建設(shè)日趨增多，太陽輻射、凍融循環(huán)劇烈、日溫差大和高海拔等因素均在不同程度上影響著該地區(qū)建筑材料的使用壽命。其中，高寒區(qū)水工混凝土耐久性受較大溫差產(chǎn)生的凍融循環(huán)破壞影響最為顯著，為此廣大學(xué)者開展了深入研究[1]。一般地，拌合物流變參數(shù)、攪拌方式、水灰比、摻合料類型及水泥品種等諸多因素均會影響水工混凝土抗凍性，如何智海等[2]認(rèn)為混凝土抗凍性隨礦渣摻量的增大而降低，而合適的摻合比例有利于明顯改善混凝土抗凍性；姚軍等[3]試驗表明摻15%硅粉條件下，無論水灰比多少混凝土的抗凍性能均較高；李陽等[4]研究發(fā)現(xiàn)增大粉煤灰摻量范圍會降低混凝土抗凍性，強度等級相同情況下?lián)椒勖夯一炷?8d齡期抗凍耐久性偏低；Yazici等[5]認(rèn)為摻磨細(xì)礦渣、稻殼灰、硅灰及大摻量粉煤灰等摻合料均能夠在一定程度上增強混凝土抗腐蝕性、抗氯離子滲透和抗?jié)B性，摻礦物摻合料是最經(jīng)濟、最有效的耐久性改善措施。然而，對水工混凝土耐久性同時受粉煤灰、聚丙烯纖維和輕燒氧化鎂等摻合料影響的研究還鮮有報道。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

水泥為葛洲壩石門P·HM42.5級中熱水泥，經(jīng)檢測其主要性能指標(biāo)符合現(xiàn)行規(guī)范要求，水泥主要性能指標(biāo)，見表1。粉煤灰為大連華能電廠提供的II級粉煤灰，經(jīng)檢測其氯離子含量0.003%，含水量0.5%，SO3含量1.2%，需水量比98%，細(xì)度20.5%，堿含量1.5%，28d活性指數(shù)82%。

表1 水泥主要性能指標(biāo)

減水劑為青島虹夏高分子材料有限公司生產(chǎn)的HSN高效引氣減水劑，黃褐色粉劑，高效引氣減水劑主要性能指標(biāo)，見表2。砂為渾河中砂，含泥量0.2%，吸水率1.0%，細(xì)度模數(shù)3.02，表觀密度2 650kg/m3；碎石為粒徑5~20mm、20~40mm兩種規(guī)格的花崗巖碎石，壓碎指標(biāo)7.2%，吸水率0.81%，針片狀含量6.8%，表觀密度2 670kg/m3。

表2 高效引氣減水劑主要性能指標(biāo)

1.2 測試方法

抗凍性能是指經(jīng)受多次凍融循環(huán)混凝土能夠維持外觀完整性和強度的能力，一般用抗凍等級衡量，即按照規(guī)定的凍融循環(huán)溫度變化規(guī)律測定的混凝土相關(guān)性能或強度指標(biāo)下降不超過規(guī)定值，且無明顯剝落和損壞所經(jīng)受的凍融次數(shù)?？靹臃ㄊ抢觅|(zhì)量損失率和相對動彈模量來判定混凝土內(nèi)部損傷情況的方法，其試驗效率較高且能夠準(zhǔn)確評價混凝土抗凍性，可以開展重復(fù)性試驗且對試件無損傷[5-6]。

文章依據(jù)《水工混凝土試驗規(guī)程》利用快凍法測定各組試件的抗凍性，相對動彈模量和質(zhì)量損失率計算、試驗過程嚴(yán)格按照規(guī)程執(zhí)行。定義未摻粉煤灰、聚丙烯纖維和輕燒氧化鎂組速混凝土，等級標(biāo)號C30W6F200，經(jīng)試配調(diào)整確定其含氣量4.8%、坍落度60mm、砂率32%、水膠比0.38，基準(zhǔn)配合比為水:水泥:砂:小石(5~20mm) :中石(20~40mm):減水劑=160 : 420 : 584 : 491 : 750 : 5.04。根據(jù)基準(zhǔn)配合比以內(nèi)摻的方式用粉煤灰等量替代水泥，以外摻的方式摻入輕燒氧化鎂和聚丙烯纖維，前者按膠材總量(粉煤灰+水泥)一定百分比，后者按單位體積的摻入量。

為了探究水工混凝土抗凍性受粉煤灰、聚丙烯纖維和輕燒氧化鎂摻量的影響，依據(jù)三個正交因素的5個水平設(shè)計25組試驗配合比，外摻0%、2%、4%、6%、8%輕燒氧化鎂和0、0.5、1.0、1.5、2.0kg/m3的聚丙烯纖維，內(nèi)摻0%、10%、20%、30%和40%的粉煤灰，試驗設(shè)計 25 組正交配合比。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 相對動彈模量

隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加各組試件的相對動彈模量變化規(guī)律，相對動彈模量測試數(shù)據(jù)，見表3。結(jié)果表明不同配合比試件的相對動彈模量均隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加逐漸下降。凍融循環(huán)200次條件下各因素相對動彈模量變化趨勢，各因素相對動彈模量變化趨勢，見圖1，結(jié)果發(fā)現(xiàn)試件相對動彈模量隨輕燒氧化鎂摻量的增大呈現(xiàn)出先上升后下降的變化特征，結(jié)合試驗數(shù)據(jù)確定最優(yōu)輕燒氧化鎂摻量為2%~6%；試件相對動彈模量隨聚丙烯纖維摻量的增大也呈現(xiàn)出先上升后下降的變化特征，結(jié)合試驗數(shù)據(jù)確定最優(yōu)聚丙烯纖維摻量為0.5%~1.0kg/m3；試件相對動彈模量隨粉煤灰摻量的增大整體呈下降趨勢，表明摻入粉煤灰會使得抗凍性能降低。

圖1 各因素相對動彈模量變化趨勢

表3 相對動彈模量測試數(shù)據(jù)

隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加各因素相對動彈模量極差變化規(guī)律，各因素相對動彈模量極差經(jīng)時變化，見圖2。結(jié)果表明凍融循環(huán)次數(shù)越大各因素相對動彈模量極差越高。凍融循環(huán)次數(shù)相同情況下，摻輕燒氧化鎂相比于聚丙烯纖維的相對動彈模量極差值更高，說明水工混凝土相對動彈模量受輕燒氧化鎂摻量的影響程度高于聚丙烯纖維[7]。凍融循環(huán)100次之前粉煤灰摻量所對應(yīng)的極差值最小，凍融循環(huán)達(dá)到100次后粉煤灰摻量所對應(yīng)的極差值快速上升達(dá)到最大值。因此，結(jié)合凍融循環(huán)200次試驗數(shù)據(jù)，從低到高確定各因素對相對動彈模量的影響程度排序為聚丙烯纖維＜輕燒氧化鎂＜粉煤灰摻量。

圖2 各因素相對動彈模量極差經(jīng)時變化

2.2 質(zhì)量損失率

不同凍融次數(shù)的水工混凝土質(zhì)量損失率變化規(guī)律，質(zhì)量損失率測試數(shù)據(jù)，見表4，結(jié)果表明增大凍融次數(shù)會使得各組質(zhì)量損失率提高。一般相對動彈模量和質(zhì)量損失率是衡量抗凍性能的重要參數(shù)，凍融循環(huán)過程中這兩個指標(biāo)的變化規(guī)律相反[8]。

表4 質(zhì)量損失率測試數(shù)據(jù)

凍融循環(huán)200次條件下各因素質(zhì)量損失率變化趨勢，各因素質(zhì)量損失率變化趨勢，見圖3，結(jié)果顯示試件質(zhì)量損失率隨輕燒氧化鎂摻量的增大呈現(xiàn)出“V”型變化特征，結(jié)合試驗數(shù)據(jù)確定最優(yōu)輕燒氧化鎂摻量為2%~6%；試件質(zhì)量損失率隨著聚丙烯纖維摻量的增大呈現(xiàn)出“M”型變化特征，結(jié)合試驗數(shù)據(jù)確定最優(yōu)聚丙烯纖維摻量為0.5%~1.0kg/m3；試件質(zhì)量損失率隨粉煤灰摻量的增大整體呈上升趨勢，說明粉煤灰會降低混凝土抗凍性能。

圖3 各因素質(zhì)量損失率變化趨勢

隨凍融次數(shù)的增加各因素質(zhì)量損失率極差變化規(guī)律，各因素質(zhì)量損失率經(jīng)時變化，見圖4，結(jié)果表明凍融次數(shù)越大各因素的質(zhì)量損失率極差越高。凍融循環(huán)次數(shù)相同情況下，摻粉煤灰相比于其它兩種材料的質(zhì)量損失率極差值更高，說明水工混凝土相對動彈模量受粉煤灰摻量的影響程度更好[9-11]。凍融循環(huán)50次之前粉煤灰摻量所對應(yīng)的極差值最小，凍融循環(huán)達(dá)到50次后粉煤灰摻量所對應(yīng)的極差值快速上升達(dá)到最大值。因此，從低到高確定各因素對質(zhì)量損失率的影響程度排序為聚丙烯纖維＜輕燒氧化鎂＜粉煤灰摻量。

圖4 各因素質(zhì)量損失率經(jīng)時變化

3 結(jié) 論

1）水工混凝土抗凍性能隨輕燒氧化鎂摻量的增大呈現(xiàn)出先上升后下降的變化趨勢，結(jié)合試驗數(shù)據(jù)確定最優(yōu)輕燒氧化鎂摻量和聚丙烯纖維摻量分別為2%~6%、0.5~1.0kg/m3，摻入粉煤灰會在一定程度上降低混凝土抗凍性。

2）經(jīng)試驗分析，從低到高確定各因素對水工混凝土抗凍性能的影響程度排序為聚丙烯纖維＜輕燒氧化鎂＜粉煤灰摻量，在凍融循環(huán)過程中質(zhì)量損失率和相對動彈模量的變化規(guī)律相反。