礦物摻合料對海水海砂水泥砂漿性能影響的分析及優(yōu)化

摘 要：【目的】研究礦物摻合料對海水海砂水泥砂漿抗壓性能與游離氯離子固化性能的影響?！痉椒ā客ㄟ^四水平三因素正交試驗(yàn)，研究水膠比、粉煤灰相對摻量、礦粉相對摻量對海水海砂砂漿立方體抗壓強(qiáng)度、游離氯離子固化率的影響。通過方差分析研究3因素對立方體抗壓強(qiáng)度、游離氯離子固化率的顯著程度，通過極差分析得到3因素的影響規(guī)律?！窘Y(jié)果】相較于基準(zhǔn)砂漿，F(xiàn)A-GGBS/海水海砂砂漿立方體的抗壓強(qiáng)度最大提升幅度為14.4%。通過客觀賦權(quán)法獲得最佳配合比方案為SSM5試驗(yàn)組?！窘Y(jié)論】合理摻入礦物摻合料能優(yōu)化海水海砂水泥砂漿的性能。

關(guān)鍵詞：海水海砂砂漿；抗壓強(qiáng)度；氯離子固化能力；正交分析

中圖分類號：TQ117.62；TU528? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ?文章編號：1003-5168（2024）07-0046-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.07.010

Analysis and Optimization of the Influence of Mineral Admixtures on the Performance of Seawater Sea Sand Cement Mortar

XU Xingcun

（ School of Urban Planning and Municipal Engineering， Xi 'an Polytechnic University， Xi'an 710600，China ）

Abstract：[Purposes] This paper aims to study the effect of mineral admixtures on the compressive properties and free chloride ion curing properties of seawater sea sand cement mortar. [Methods] Through the orthogonal experiment of 4 levels and 3 factors， the effects of water-binder ratio， relative content of fly ash and relative content of mineral powder on the cube compressive strength and free chloride ion curing rate of seawater sea sand mortar were studied. The significance of the three factors on the cube compressive strength and free chloride ion curing rate was studied by variance analysis， and the influence law of the three factors was obtained by range analysis. [Findings] Compared with the reference mortar， the cube compressive strength of FA-GGBS / seawater sea sand mortar increased by 14.4 %. Through the objective weighting method， the best mix ratio scheme is obtained， and it is found that this scheme is the SSM5 experimental group. [Conclusions] Reasonable incorporation of mineral admixtures can optimize the performance of seawater sea sand cement mortar.

Keywords： seawater sea sand mortar; compressive strength; chloride binding capacity; orthogonal analysis

0 引言

隨著近年來淡水和河砂的消耗量大幅增加，河砂資源短缺，價格不斷上漲，并且河砂采集對河流生態(tài)系統(tǒng)和環(huán)境也造成了一定的影響。我國擁有遼闊的海岸線和1.1萬余個海島礁，海砂與海水資源豐富，合理利用海水海砂有望解決河砂淡水的缺乏問題。研究發(fā)現(xiàn)，海水海砂中的鹽含量豐富，可以加速水泥的水化進(jìn)程，提高水泥基材料的早期抗壓強(qiáng)度［1］。此外，海砂的物理性質(zhì)對海水海砂水泥基材料的強(qiáng)度發(fā)展有不利影響，而海水中豐富的鹽可顯著促進(jìn)水化，彌補(bǔ)海砂對水泥基材料的副作用，28 d 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后海水海砂砂漿與普通水泥砂漿的強(qiáng)度差值不明顯［2-3］。

但是，海水海砂中含有的大量氯離子會使混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性降低，其中最為嚴(yán)重的是鋼筋銹蝕問題。相關(guān)研究指出氯離子在混凝土中有化學(xué)結(jié)合、物理吸附、游離等三種狀態(tài)，但只有游離態(tài)氯離子會引起鋼筋銹蝕［4］。在膠凝材料中摻入礦物摻合料能夠有效地對水泥基材料中游離氯離子進(jìn)行固化，梅軍帥［5］研究發(fā)現(xiàn)摻入粉煤灰和礦粉能使海砂漿固化氯離子的能力提高； 金祖權(quán)等［6］研究發(fā)現(xiàn)，摻入粉煤灰能夠提高海水水泥凈漿的氯離子結(jié)合能力，進(jìn)而降低鋼筋銹蝕機(jī)率且提升材料耐久性。摻入礦物摻合料所得的海水海砂水泥基材料的力學(xué)性能也會有明顯改變。

為了研究礦物摻合料對海水海砂水泥基材料力學(xué)性能和游離氯離子固化能力的影響，本研究采用正交試驗(yàn)設(shè)計方法對不同水灰比、粉煤灰替代率、礦粉替代率的海水海砂砂漿（SSM）試塊進(jìn)行了抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，并通過滴定法對游離態(tài)氯離子固化率進(jìn)行測量，以期為礦物摻合料海水海砂水泥基材料的工程應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)所用的水泥為陜西西安P·O42.5級水泥；粉煤灰（FA）采用滿足國家標(biāo)準(zhǔn)［7］的Ⅰ級粉煤灰；礦粉（GGBS）采用滿足國家標(biāo)準(zhǔn)［8］的S95級粒化高爐礦渣粉，各膠凝材料的化學(xué)成分見表1。試驗(yàn)用水為人工配置海水，海鹽為天然海鹽，水中海鹽含量為35‰；細(xì)骨料采用山東省日照市的黃海天然海砂，砂的粒徑分布如圖1所示，顆粒級配為滿足國家標(biāo)準(zhǔn)［9］的Ⅱ區(qū)，級配良好，細(xì)度模數(shù)為2.70，屬于中砂；海砂與拌合海水中Cl-含量見表2。

1.2 配合比設(shè)計

正交試驗(yàn)設(shè)計是研究多因素多水平的一種設(shè)計方法，其根據(jù)正交性從全部試驗(yàn)中挑選出部分有代表性的點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，這些有代表性的點(diǎn)具備了“均勻分散，齊整可比”的特點(diǎn)，大大減少了工作量［10］。試驗(yàn)因素為粉煤灰和礦粉，相較于膠凝材料的相對質(zhì)量摻量[RF]和[RG]，以及水膠比[w]，每個因素設(shè)計4個水平，采用L16（43）四水平三因素的正交表，正交設(shè)計見表3。

該試驗(yàn)以對應(yīng)的水膠比（0.4、0.44、0.5、0.54）制作4組基準(zhǔn)水泥砂漿作為對照組，基準(zhǔn)水泥砂漿原材料為普通河砂、自來水、水泥，其中普通河砂通過篩分使其粒徑分布與海砂相同，以排除粒徑對試驗(yàn)結(jié)果的影響，基準(zhǔn)砂漿配合比見表4。

1.3 試件制備

根據(jù)配合比設(shè)計制備海水海砂試樣16組，基準(zhǔn)試樣4組，試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，水中加入海鹽配置成人工海水，采用機(jī)械攪拌將海砂、水泥、粉煤灰、礦粉干拌1 min后，加入人工海水?dāng)嚢?～5 min，攪拌均勻后，裝模放置于震動臺振動，用保鮮膜覆蓋表面，成型24 h后拆模，放入養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行水養(yǎng)護(hù)至28 d齡期。

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。該試驗(yàn)使用YNS-Y2000電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)作為加載裝置，試驗(yàn)加載方式為等荷載加載，加荷速率為[11.25 kN/s]。

1.4.2 游離氯離子固化率試驗(yàn)。游離氯離子固化能力由式（1）來描述。

[γ=β'β?100%] （1）

式中：[γ]為游離氯離子固化率；[β']為養(yǎng)護(hù)后水泥砂漿中游離氯離子含量；[β]為攪拌前水泥砂漿中游離氯離子含量。

養(yǎng)護(hù)后水泥砂漿中游離氯離子含量按國家標(biāo)準(zhǔn)［9］進(jìn)行測試：試樣粉末干燥稱重后，用蒸餾水將游離氯離子析出，在樣品溶液中以鉻酸鉀為指示劑、硝酸銀為滴定液滴定游離氯離子含量，計算公式見式（2）。

[β'=cAgNO3（V1?V2）×0.0355×10）m×100%] （2）

式中：β'為樣品中氯離子含量，%；cAgNO3為硝酸銀標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度，mol·L-1；V1為樣品滴定消耗硝酸銀標(biāo)準(zhǔn)溶液體積，mL；V2為空白試驗(yàn)消耗硝酸銀標(biāo)準(zhǔn)溶液體積，mL；[m]為樣品質(zhì)量，g。

不考慮膠凝材料中的氯離子，計算攪拌前水泥砂漿中游離氯離子含量見式（3）。

[δ=βw?ζw+βs?ζs] （3）

式中：[βw]、[βs]分別為拌合海水、海砂中游離氯離子的含量；[ζw]、[ζs]為拌合海水、海砂在水泥砂漿中的質(zhì)量占比。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果見表5。 各因素對試驗(yàn)指標(biāo)的敏感性評價采用極差分析法和方差分析法。極差分析法通過計算極差R的大小來確定因素對試驗(yàn)指標(biāo)的影響程度。R的值反映了在因素水平變化時試驗(yàn)指標(biāo)的變化情況，R越大意味著該因素對試驗(yàn)指標(biāo)的影響越顯著［10］。方差分析法的檢驗(yàn)水平置信度選取[α=0.05]和[α=0.01]，并在F分布表中查找相應(yīng)數(shù)值：[F0.053，6=4.76]，[F0.013，6=9.78]。當(dāng)[F>F0.013，6]時，該因素的影響非常顯著，用“***”表示；當(dāng)[F0.013，6≥F>F0.053，6]時，該因素的影響顯著，用“**”表示；當(dāng)[F≤F0.053，6]時，該因素的影響不顯著，用“*”表示。

2.2 立方體抗壓強(qiáng)度分析

在相同水膠比的情況下，根據(jù)粉煤灰與礦粉相對摻量的不同，F(xiàn)A-GGBS海水海砂水泥砂漿的力學(xué)性能也有所不同。取最優(yōu)摻量的強(qiáng)度值與基準(zhǔn)組進(jìn)行比較，如圖2所示。最優(yōu)摻量組的立方體抗壓強(qiáng)度大于普通砂漿，說明合理摻入粉煤灰與礦粉的海水海砂水泥砂漿抗壓力學(xué)性能優(yōu)于普通砂漿。立方體抗壓強(qiáng)度的最大增幅在ssm5組：水灰比為0.44，粉煤灰相對摻量為15%，礦粉相對摻量為3%，相較于基準(zhǔn)組提升幅度為14.4%。

立方體抗壓強(qiáng)度的極差分析和方差分析見表6、表7，各因素影響趨勢如圖3所示。

由表6、表7和圖3可知，各因素對立方體抗壓強(qiáng)度的影響主次順序?yàn)椋悍勖夯蚁鄬搅浚?2.25 MPa）>水膠比（11.03 MPa）>礦粉相對摻量（3.48 MPa）。水膠比、粉煤灰相對摻量是高顯著性因素，礦粉相對摻量影響不顯著。隨著水膠比的上升，F(xiàn)A- GGBS海水海砂水泥砂漿的立方體抗壓強(qiáng)度呈下降趨勢，當(dāng)水膠比摻量從0.44提升至0.50和0.54時，曲線斜率放緩，抗壓強(qiáng)度降低趨勢變??；隨著粉煤灰相對摻量的增加，抗壓強(qiáng)度先增大后減小，最佳摻量為15%；礦粉相對摻量的增加使立方體抗壓強(qiáng)度遞減，但影響效應(yīng)不明顯。

2.3 游離氯離子固化率

游離氯離子固化率的極差分析和方差分析見表8、表9，各因素影響趨勢如圖4所示。各因素對游離氯離子固化率的影響主次順序?yàn)椋悍勖夯蚁鄬搅浚?4.28%）>礦粉相對摻量（6.81%）> 水膠比（6.81%）。粉煤灰相對摻量是顯著性因素，礦粉相對摻量、水灰比影響效應(yīng)不顯著。由圖4可知，隨著粉煤灰相對摻量的增加，游離氯離子固化率先增大后減小，最佳摻量為30%；水膠比、相對礦粉摻量的影響趨勢不明顯，最佳水平分別在水膠比0.44、礦粉相對摻量3%時取到。

2.4 配合比優(yōu)化

本研究根據(jù)FA-GGBS/海水海砂水泥砂漿的三個因素設(shè)計了四水平共16組正交試驗(yàn)，完整試驗(yàn)為64組，剩余的試驗(yàn)結(jié)果未知。本試驗(yàn)的性能指標(biāo)有立方體抗壓強(qiáng)度、游離氯離子固化率等兩種，各性能指標(biāo)的權(quán)重未知?？陀^賦權(quán)法認(rèn)為，當(dāng)各項(xiàng)性能指標(biāo)之間的差異比較大時，則認(rèn)為該項(xiàng)性能指標(biāo)對綜合性能的影響比較大，熵權(quán)法是客觀賦權(quán)法的一種，信息熵與指標(biāo)的離散程度成反比，即信息熵對權(quán)重呈負(fù)相關(guān)性［11］。 定義海水海砂砂漿的綜合評價指標(biāo)“D值”，采用式（4）的綜合評價公式進(jìn)行計算。

[D=j=12ωjkij] （4）

式中：[ωj]為第[j]個指標(biāo)的權(quán)重；[kij]為第[j]個指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后的樣本值；[kj=xji=1mxj]。

通過式（5）計算各指標(biāo)的信息熵。

[ej=?1lnmi=1mkijlnkij] （5）

式中，若[kij=0]，定義[ej=0]；m為試驗(yàn)組數(shù)。

通過式（6）計算各指標(biāo)的信息冗余度。

[dj=1?ej] （6）

通過式（7）計算各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)。

[ωj=djj=1ndj] （7）

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)及式（4）至式（7）得出各指標(biāo)的權(quán)重見表10。

按式（4）計算出綜合評價指標(biāo)D值，各組結(jié)果見表11。

由表11可知，ssm-5是16組試驗(yàn)中綜合性能最好的方案，ssm-6次之。計算16組中各因素的D值均值，見表12。由表12可知，當(dāng)水灰比為0.40、粉煤灰摻量為15%、礦粉摻量為3%時，各因素的平均D值最大，此時FA-GGBS/海水海砂水泥砂漿的理論綜合性能最優(yōu)。此組配合比正是ssm-5的摻量，與上述分析相符。

3 結(jié)論

①在相同水膠比條件下，F(xiàn)A-GGBS/海水海砂水泥砂漿立方體的抗壓最優(yōu)強(qiáng)度高于基準(zhǔn)組水泥砂漿，說明合理摻入粉煤灰與礦粉時，F(xiàn)A-GGBS/海水海砂水泥砂漿的力學(xué)性能優(yōu)于普通砂漿?？箟簭?qiáng)度的最大提升幅度為14.4%。

②根據(jù)極差分析，影響FA-GGBS/海水海砂水泥砂漿的立方體抗壓強(qiáng)度的各因素順序?yàn)榉勖夯覔搅浚舅z比＞礦粉摻量；各因素對游離氯離子固化率的影響順序?yàn)樗z比（9.6%）>粉煤灰相對摻量（7.6%）> 礦粉相對摻量（6.81%）。

③根據(jù)熵權(quán)法分析，最優(yōu)配合比方案是水灰比為0.40、粉煤灰摻量為15%、礦粉摻量為3%，此配合比正是ssm5組。

參考文獻(xiàn)：

［1］于星星，薛善彬，張鵬，等.海水海砂砂漿力學(xué)與毛細(xì)吸水性能及微觀結(jié)構(gòu)研究［J］.硅酸鹽通報，2022，41（10）：3377-3385，3402.

［2］TAN Y S，YU H F，MI R J，et al.Compressive strength evaluation of coral aggregate seawater concrete （CAC） by non-destructive techniques［J］.Engineering Structures，2018，176：293-302.

［3］YANG S T， ZANG C H， XU J J，et al.Determination of fracture parameters of seawater sea sand concrete based on maximum fracture Load［J］.Journal of Materials in Civil Engineering， 2020， 32（1）：04019315.

［4］王曉敏.海砂混凝土中氯離子的作用機(jī)理及其固化研究［J］.山西建筑，2019，45（7）：136-137.

［5］梅軍帥.海砂海水對水泥砂漿性能的影響及微觀機(jī)理分析［D］.武漢：武漢紡織大學(xué)，2020.

［6］金祖權(quán)，孫偉，李秋義，等.礦物摻合料對海水中氯離子的結(jié)合能力［J］.腐蝕與防護(hù)，2009，30（12）：869-873.

［7］全國水泥標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.用于水泥、砂漿和混凝土中的粒化高爐礦渣粉：GB/T 18046—2017［S/OL］.（2017-11-29）［2023-12-28］.https：//std.samr.gov.cn/gb/search/gbDetailed？id=71F772D82301D3A7E05397BE0A0AB82A.

［8］全國水泥標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.用于水泥和混凝土中的粉煤灰：GB/T 1596—2017［S/OL］.（2017-07-12）［2023-12-28］.https：//std.samr.gov.cn/gb/search/gbDetailed？id=71F772D819B2D3A7E05397BE0A0AB82A.

［9］中華人民共和國建設(shè)部.普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)：JGJ 52—2006［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006.

［10］上海市科學(xué)技術(shù)交流站組織編寫.正交試驗(yàn)設(shè)計法：多因素的試驗(yàn)方法［M］.北京：人民出版社，1975.

［11］覃源，呂杲，關(guān)科，等.基于熵權(quán)法的混凝土耐久性評價及壽命預(yù)測［J］.硅酸鹽學(xué)報，2023，51（5）：1344-1354.

收稿日期：2024-01-04

作者簡介：徐星存（1999—），男，碩士生，研究方向：海水海砂建筑材料。