海工混凝土配合比设计的试验研究及其影响因素分析

李 雁，吕恒林，殷惠光，刘瑞雪，李 兵

(1.中国矿业大学力学与建筑工程学院，江苏 徐州 221008； 2.徐州工程学院土木工程学院，江苏 徐州 221008)

海洋环境中的混凝土结构受到多种因素的影响，如海水侵蚀、冻融循环、碳化作用、干湿交替以及外加荷载等，从而导致其劣化现象非常严重，因此需要对海工混凝土的配合比进行优化设计，以使其具有良好的工作性能、合适的力学强度以及符合环境要求的耐久性能[1-2]。此外，随着沿海地区基础设施建设的快速兴起，包括港口、码头以及跨海大桥在内的大规模的海洋工程需要大量的建筑材料，通常作为混凝土细骨料的河砂部分沿海城市已经逐渐显露出匮乏的现象，而当地的海砂资源丰富，因此合理利用海砂配置海工混凝土具有重要的现实意义[3-4]。

本文将采用正交试验的方法，综合考虑砂的种类、水胶比、养护时间、单方用水量等因素，对沿海地区使用海砂的海工混凝土工作及力学性能进行试验研究，并分析各因素对性能指标的影响程度，从而指导海工混凝土配合比设计。

1 配合比设计的正交试验设计方法

1.1 试验原材料

42.5R级普通硅酸盐水泥(密度3.18 g/cm3，比表面积350 m2/kg，细度0.8%，标准稠度用水量30.2%，安定性胶砂强度合格)；粗骨料(粒级5～31.5 mm，针片状含量6.7%，含泥量0.63%)；细骨料(海砂：中砂偏细，Mx=2.25，含泥量1.93%；淡化海砂：中砂，Mx=2.46，含泥量0.48%；河砂：中砂，Mx=2.77，含泥量2.84%)。

1.2 正交试验表[5-6]

高性能化海砂混凝土正交试验见表1。

表1 试验因素和水平

1.3 试验程序和结果

试验采用100 mm×100 mm×100 mm的立方体试块。由于所配制混凝土的组分很多，而每份用量较少，为保证拌和物质量，本试验采用人工搅拌、机械振捣的方法。首先将水泥、矿物掺合料、细骨料搅拌均匀，然后加入70%的水，拌和均匀后同时加入粗骨料和剩下的水，搅拌均匀后取出装入试模，放在振动台上振捣，成形后拆模标养待用。结果见表2。

2 试验结果和分析

2.1 试验结果及直观分析

试验结果分析见表2。

表2 海工混凝土工作与力学性能试验结果

续表：

试件编号因素砂的种类A水灰比B养护时间C/d用水量D/(kg·m-3)立方体抗压强度/MPa坍落度/mmD32淡化海砂0.553019537.740D41淡化海砂0.608018539.410P12普通河砂0.4518019554.15P21普通河砂0.5013018547.230P34普通河砂0.558021549.5100P43普通河砂0.603020532.260

对于掺海砂混凝土的工作性能，由表2可知，H44的混凝土拌合物工作性最优，其相应的因素水平组合为A1、B4、D4，即砂的种类为海砂，水灰比为0.60，单方用水量为215 kg。对于掺海砂混凝土的力学性能，由表2可知， D14的混凝土立方体抗压强度最高，其相应的因素水平组合为A3、B1、 C3、 D4，即砂的种类为淡化海砂，水灰比为0.45，养护时间为130 d，单方用水量为215 kg。通过直观判断尚不能确定其就是最佳的方案，要得到更为可靠的结论还需进行进一步的分析。

将因素水平作为横坐标，以试验指标的平均值ki为纵坐标，画出因素与指标的趋势图，见图1、图2。

图1 混凝土拌合物工作性能指标与因素水平趋势Fig.1 The trend of the workability and factor level of the concrete admixture

图2 混凝土力学性能指标与因素水平趋势Fig.2 The trend of the mechanical performance and factor level of the concrete

对于掺海砂混凝土的工作性能，由图1可知，当砂的种类A1=海砂，水胶比B4=0.6，单方用水量为215 kg时混凝土拌合物的工作性能最好，即优方案为A1、B4、D4。此外还可知，使用海砂以及淡化海砂的混凝土拌合物工作性能优于使用普通河砂，且海砂的工作性能更优，这是由于海砂中含有大量贝壳等微物质，其表面织构比河砂更加光滑所致，且该因素对工作性的改善效果较为显著。

对图1进一步分析可知，水灰比并不是越大工作性能就越好，当水灰比大于0.50时，其坍落度随水灰比的增加速度放缓，由于其增加的幅度较小，还需对此进行进一步的试验验证，但可以肯定的是通过提高水灰比来改善混凝土拌合物工作性能的方式是不可取的。另外，单方用水量对混凝土拌合物工作性能的影响显著，从趋势图中也可见其变化呈现出较为显著的线性关系，即在不加减水剂的情况下水泥浆量的多少对混凝土拌合物工作性能的改善至关重要。有研究表明，水泥浆量对混凝土的耐久性、渗透性有一定的影响，水泥浆量过多即增加了混凝土中的多孔组分，降低了混凝土的抗渗透性。因此，在混凝土拌合物工作性能得到保证的前提下，宜采用较低的水灰比和单方用量。

对于掺海砂混凝土的力学性能，由图2可知，当砂的种类A1=海砂，水胶比B1=0.45，养护时间C4=180 d，单方用水量为215 kg时混凝土的力学性能最好，即最优方案为A1、B1、C4、D4。与直观判断结果相比较，优选方案在B因素(水灰比)、D因素(单方用水量)的水平选择上是一致的。而在A因素(砂的种类)、C因素(养护时间)的水平选择上有所差别。

对图2进一步分析可知，使用海砂以及淡化海砂的混凝土的抗压强度高于普通河砂，这主要是海砂以及淡化海砂的含泥量和泥块含量显著低于河砂所致。此外，随着水灰比的减小，混凝土抗压强度得到了提高，变化基本呈线型关系；值得注意的是随着后期养护时间的增长，混凝土抗压强度的提高幅度较大，且变化呈线性增长，这说明随着时间的推移，混凝土内的二次水化反应不断进行，水化生成物使混凝土内部的微结构得到逐步改善，从而提高了后期的强度，但提高的幅度有逐渐放缓的趋势。单方用水量对于混凝土抗压强度的变化趋势较为平缓，说明水灰比一定的情况下增加水泥浆的量并未提高混凝土的抗压强度，但也不会显著降低混凝土的强度，由此认为，在较大的水灰比(0.45～0.6)且未加任何外加剂的条件下，混凝土中水泥浆量对提高混凝土强度的影响很有限。

2.2 极差分析

对于掺海砂混凝土的工作性能，由表3的级差分析可知，由于RD>RA>RB，所以各因素从主到次的顺序为：D(单方用水量)，A(砂的种类)，B(水灰比)。

表3 混凝土工作性能(坍落度)试验结果极差分析

对于掺海砂混凝土的力学性能，由表4的级差分析可知，RB>RC>RA>RD，所以各因素从主到次的顺序为：B(水灰比)，C(养护时间)，A(砂的种类)，D(单方用水量)。其中B因素的级差值最大，故水灰比是本次试验中决定强度大小的最主要因素； C因素级差值次之，说明养护时间对强度提高的影响也十分明显；A、D因素的级差值相对较小，且相差不大，说明它们对混凝土强度指标的影响力较小，且较为接近。这从一个方面解释了直观判断所得结论与优选方案之间产生差异的原因，即砂的种类、单方用水量两个因素在本试验中对混凝土抗压强度的影响可能被误差所掩盖，如欲得到确切结论还需进一步分析研究。

表4 混凝土力学性能(立方体抗压强度)试验结果极差分析

2.3 方差分析

前面使用直观分析的方法对正交试验的结果进行了讨论，直观分析方法具有简单直观、计算量小等优点，但直观分析不能估计误差的大小，不能精确地估计各因素的试验结果影响的重要程度，如果对试验结果再进行方差分析，就能弥补直观分析法的这些不足。

由表5可知，FD=25.196>F0.025(3，6)=6.60，表明D因素(单方用水量)对试验指标在α=0.025水平上显著，所以该因素影响高度显著；FA=14.872>F0.025(3，6)=6.60，表明A因素(砂的种类)对试验指标在α=0.025水平上显著，所以该因素影响高度显著；FB=5.466>F0.05(3，6)=4.76，说明B因素(水灰比)在α=0.05下显著，所以该因素显著。

表5 混凝土工作性能试验结果方差分析

表6 混凝土力学性能试验结果方差分析

由表6可知，FB=15.118>F0.010(3，6)=9.78，表明B因素(水灰比)对试验指标在α=0.010水平上显著，所以该因素影响高度显著；FC=12.032>F0.010(3，6)=9.78，表明C因素(养护时间)对试验指标在α=0.010水平上显著，所以该因素影响同样高度显著；FA=4.050>F0.10(3，6)=3.29，说明A因素(砂的种类)较为显著；FD=2.832>F0.25(3，6)=1.78，说明该因素(单方用水量)在α=0.25水平显著，所以该因素有一定的影响。

3 结 论

1) 单方用水量和砂的种类是影响海工混凝土拌合物工作性能的主要因素，尤其是单方用水量，影响最为明显。而水灰比对海工混凝土拌合物工作性能的影响略逊于前两因素。

2) 水灰比和养护时间是影响海工混凝土抗压强度的主要因素，尤其是水灰比，影响最为显著，因此在配置海工混凝土的时候，须严格控制水灰比，以保证其具有足够的强度。

3) 要加强对海工混凝土的养护，因为养护时间对混凝土后期强度的增长的影响较为显著。

4) 砂的种类对海工混凝土抗压强度有一定影响，不能忽略。通过前直观分析可知，海砂及淡化海砂对混凝土强度的影响是积极的，故在力学性能方面，含有海砂以及淡化海砂的海工混凝土应用是可行的。

[1] 徐强,俞海勇.大型海工混凝土结构耐久性研究与实践[M].北京：中国建筑工业出版社，2008

[2] 蒋军辉,李书惠,林海,等.大体积海工混凝土配合比的研究与应用[J].公路，2006(6)：221-224

[3] 周庆,许艳红,颜东洲.建筑中合理利用海砂资源的新技术[J].全面腐蚀控制，2006(6)：8-10

[4] 黎鹏平,姜宏,熊建波,等.混合砂对海工混凝土工作性能和耐久性的影响[J].混凝土，2013(7)：92-98

[5] 李进辉,李兆松,刘雨,等.碎石含泥量对海工高性能混凝土性能影响试验研究[J].混凝土，2013(7)：127-130

[6] 李云雁,胡传荣.试验设计与数据处理[M].北京：化学工业出版社，2009