基于正交试验的水工混凝土抗冻性研究

赵 杰

（新民市水利事务服务中心，辽宁 新民 110300）

近年来，中国东北部高寒地区水利水电工程建设日趋增多，太阳辐射、冻融循环剧烈、日温差大和高海拔等因素均在不同程度上影响着该地区建筑材料的使用寿命。其中，高寒区水工混凝土耐久性受较大温差产生的冻融循环破坏影响最为显著，为此广大学者开展了深入研究[1]。一般地，拌合物流变参数、搅拌方式、水灰比、掺合料类型及水泥品种等诸多因素均会影响水工混凝土抗冻性，如何智海等[2]认为混凝土抗冻性随矿渣掺量的增大而降低，而合适的掺合比例有利于明显改善混凝土抗冻性；姚军等[3]试验表明掺15%硅粉条件下，无论水灰比多少混凝土的抗冻性能均较高；李阳等[4]研究发现增大粉煤灰掺量范围会降低混凝土抗冻性，强度等级相同情况下掺粉煤灰混凝土28d龄期抗冻耐久性偏低；Yazici等[5]认为掺磨细矿渣、稻壳灰、硅灰及大掺量粉煤灰等掺合料均能够在一定程度上增强混凝土抗腐蚀性、抗氯离子渗透和抗渗性，掺矿物掺合料是最经济、最有效的耐久性改善措施。然而，对水工混凝土耐久性同时受粉煤灰、聚丙烯纤维和轻烧氧化镁等掺合料影响的研究还鲜有报道。

1 材料与方法

1.1 试验材料

水泥为葛洲坝石门P·HM42.5级中热水泥，经检测其主要性能指标符合现行规范要求，水泥主要性能指标，见表1。粉煤灰为大连华能电厂提供的II级粉煤灰，经检测其氯离子含量0.003%，含水量0.5%，SO3含量1.2%，需水量比98%，细度20.5%，碱含量1.5%，28d活性指数82%。

表1 水泥主要性能指标

减水剂为青岛虹夏高分子材料有限公司生产的HSN高效引气减水剂，黄褐色粉剂，高效引气减水剂主要性能指标，见表2。砂为浑河中砂，含泥量0.2%，吸水率1.0%，细度模数3.02，表观密度2 650kg/m3；碎石为粒径5~20mm、20~40mm两种规格的花岗岩碎石，压碎指标7.2%，吸水率0.81%，针片状含量6.8%，表观密度2 670kg/m3。

表2 高效引气减水剂主要性能指标

1.2 测试方法

抗冻性能是指经受多次冻融循环混凝土能够维持外观完整性和强度的能力，一般用抗冻等级衡量，即按照规定的冻融循环温度变化规律测定的混凝土相关性能或强度指标下降不超过规定值，且无明显剥落和损坏所经受的冻融次数。快动法是利用质量损失率和相对动弹模量来判定混凝土内部损伤情况的方法，其试验效率较高且能够准确评价混凝土抗冻性，可以开展重复性试验且对试件无损伤[5-6]。

文章依据《水工混凝土试验规程》利用快冻法测定各组试件的抗冻性，相对动弹模量和质量损失率计算、试验过程严格按照规程执行。定义未掺粉煤灰、聚丙烯纤维和轻烧氧化镁组速混凝土，等级标号C30W6F200，经试配调整确定其含气量4.8%、坍落度60mm、砂率32%、水胶比0.38，基准配合比为水:水泥:砂:小石(5~20mm) :中石(20~40mm):减水剂=160 : 420 : 584 : 491 : 750 : 5.04。根据基准配合比以内掺的方式用粉煤灰等量替代水泥，以外掺的方式掺入轻烧氧化镁和聚丙烯纤维，前者按胶材总量(粉煤灰+水泥)一定百分比，后者按单位体积的掺入量。

为了探究水工混凝土抗冻性受粉煤灰、聚丙烯纤维和轻烧氧化镁掺量的影响，依据三个正交因素的5个水平设计25组试验配合比，外掺0%、2%、4%、6%、8%轻烧氧化镁和0、0.5、1.0、1.5、2.0kg/m3的聚丙烯纤维，内掺0%、10%、20%、30%和40%的粉煤灰，试验设计 25 组正交配合比。

2 试验结果与分析

2.1 相对动弹模量

随冻融循环次数的增加各组试件的相对动弹模量变化规律，相对动弹模量测试数据，见表3。结果表明不同配合比试件的相对动弹模量均随着冻融循环次数的增加逐渐下降。冻融循环200次条件下各因素相对动弹模量变化趋势，各因素相对动弹模量变化趋势，见图1，结果发现试件相对动弹模量随轻烧氧化镁掺量的增大呈现出先上升后下降的变化特征，结合试验数据确定最优轻烧氧化镁掺量为2%~6%；试件相对动弹模量随聚丙烯纤维掺量的增大也呈现出先上升后下降的变化特征，结合试验数据确定最优聚丙烯纤维掺量为0.5%~1.0kg/m3；试件相对动弹模量随粉煤灰掺量的增大整体呈下降趋势，表明掺入粉煤灰会使得抗冻性能降低。

图1 各因素相对动弹模量变化趋势

表3 相对动弹模量测试数据

随冻融循环次数的增加各因素相对动弹模量极差变化规律，各因素相对动弹模量极差经时变化，见图2。结果表明冻融循环次数越大各因素相对动弹模量极差越高。冻融循环次数相同情况下，掺轻烧氧化镁相比于聚丙烯纤维的相对动弹模量极差值更高，说明水工混凝土相对动弹模量受轻烧氧化镁掺量的影响程度高于聚丙烯纤维[7]。冻融循环100次之前粉煤灰掺量所对应的极差值最小，冻融循环达到100次后粉煤灰掺量所对应的极差值快速上升达到最大值。因此，结合冻融循环200次试验数据，从低到高确定各因素对相对动弹模量的影响程度排序为聚丙烯纤维＜轻烧氧化镁＜粉煤灰掺量。

图2 各因素相对动弹模量极差经时变化

2.2 质量损失率

不同冻融次数的水工混凝土质量损失率变化规律，质量损失率测试数据，见表4，结果表明增大冻融次数会使得各组质量损失率提高。一般相对动弹模量和质量损失率是衡量抗冻性能的重要参数，冻融循环过程中这两个指标的变化规律相反[8]。

表4 质量损失率测试数据

冻融循环200次条件下各因素质量损失率变化趋势，各因素质量损失率变化趋势，见图3，结果显示试件质量损失率随轻烧氧化镁掺量的增大呈现出“V”型变化特征，结合试验数据确定最优轻烧氧化镁掺量为2%~6%；试件质量损失率随着聚丙烯纤维掺量的增大呈现出“M”型变化特征，结合试验数据确定最优聚丙烯纤维掺量为0.5%~1.0kg/m3；试件质量损失率随粉煤灰掺量的增大整体呈上升趋势，说明粉煤灰会降低混凝土抗冻性能。

图3 各因素质量损失率变化趋势

随冻融次数的增加各因素质量损失率极差变化规律，各因素质量损失率经时变化，见图4，结果表明冻融次数越大各因素的质量损失率极差越高。冻融循环次数相同情况下，掺粉煤灰相比于其它两种材料的质量损失率极差值更高，说明水工混凝土相对动弹模量受粉煤灰掺量的影响程度更好[9-11]。冻融循环50次之前粉煤灰掺量所对应的极差值最小，冻融循环达到50次后粉煤灰掺量所对应的极差值快速上升达到最大值。因此，从低到高确定各因素对质量损失率的影响程度排序为聚丙烯纤维＜轻烧氧化镁＜粉煤灰掺量。

图4 各因素质量损失率经时变化

3 结 论

1）水工混凝土抗冻性能随轻烧氧化镁掺量的增大呈现出先上升后下降的变化趋势，结合试验数据确定最优轻烧氧化镁掺量和聚丙烯纤维掺量分别为2%~6%、0.5~1.0kg/m3，掺入粉煤灰会在一定程度上降低混凝土抗冻性。

2）经试验分析，从低到高确定各因素对水工混凝土抗冻性能的影响程度排序为聚丙烯纤维＜轻烧氧化镁＜粉煤灰掺量，在冻融循环过程中质量损失率和相对动弹模量的变化规律相反。