基于混料设计的混凝土胶凝材料体系对氯离子渗透性能影响的配比优化
2018-11-23陈裕佳
陈裕佳
（1. 厦门天润锦龙建材有限公司，福建 厦门 361027；2. 厦门市建筑科学研究院集团股份有限公司，福建 厦门 361004）
0 前言
进入新世纪以来，混凝土作为使用最广的建筑工程材料，在不同的环境条件下对混凝土提出了不同的性能要求[1]。在沿海地区，许多的混凝土建设工程向海洋环境进行延伸，因此氯离子的渗透问题成为了当前海洋环境下混凝土的耐久性研究的重点之一[2-3]。
氯离子在混凝土中的输运过程实质上是带电粒子在多孔介质的孔隙液中传质的过程。对应于粒子传质过程中所发生的基础物理化学过程包括：扩散、对流、绑定和电迁移等[4]。矿物掺合料在混凝土中对改善氯离子渗透性能的作用显著，矿物掺合料可以有效地细化混凝土孔隙结构、改善界面区和增加混凝土密实度，大幅度地改善混凝土的抗氯离子渗透性能[5]。水化产物填充在空隙中，将水泥浆体中的连通孔堵住可降低水泥中的孔隙率，可阻止离子进入，进一步改变氯离子渗透性以及耐久性[6]。
本文在矿物掺合料能有效改善氯离子渗透性能的基础上，运用混料设计方法，设计水泥—粉煤灰—矿粉三元胶凝体系试验配比。借助混料设计软件 Minitab，实现最优配合比的确定。
1 试验
1.1 原材料
1.1.1 水泥
试验所用水泥为福建红狮水泥厂生产的 P·O42.5 级散装水泥，其技术指标见表1。
1.1.2 减水剂
试验所用减水剂为来自科之杰的聚羧酸减水剂，其性能指标见表2。
1.1.3 其他
试验所用其他原材料均来自公司搅拌站的生产用料，粉煤灰为 F 类Ⅱ级粉煤灰，矿粉等级为 S95，砂的细度模数为 2.6，石子是粒径为 5～20mm 的反击破石子。所用水为普通城市自来水，水质符合 JGJ 63—2006《混凝土用水标准》中的规定。
表1 试验所用水泥的性能指标
表2 试验所用减水剂性能
1.2 试验配比
本试验设计 C30 强度等级的配合比进行试验，如表3 所示，是本试验的基准配合比，其中始终保持胶凝材料总量不变，同时保持水胶比砂率不变。试验根据混料设计改变水泥—粉煤灰—矿粉三元胶凝材料体系的分量比例，测试其氯离子电通量。
表3 C30 试验基准配合比 kg/m3
1.3 试验方法
1.3.1 氯离子渗透性
根据 GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》，抗氯离子渗透试验有两种方法，即快速氯离子迁移系数法（RCM 法）和电通量法。本文试验使用电通量法，使用仪器为北京耐久伟业科技有限公司生产的 NJ-DTL 系列混凝土氯离子电通量测定仪，其给出的氯离子渗透性判定如表4 所示。
表4 基于通过的电量的氯离子渗透性
1.3.2 混料设计
本文使用 Minitab 17 软件中的 DOE 混料设计模块设计试验并分析数据。试验以水泥、粉煤灰和矿粉在总胶凝材料中的比例为分量（用 x水泥、x粉煤灰、x矿粉表示），以混凝土的电通量为指标。根据实际生产和试验中各成分的比例有其范围限制，因此，混料设计将对其分量进行约束，其约束条件为：
2 结果与讨论
2.1 试验设计与测试结果
在 Minitab 17 软件“混料设计”模块中进入创建混料设计，混料设计总共有三种类型，分别是单纯形格点设计、单纯形质心设计和极端顶点设计。因本试验对混料分量加入了上下界的约束条件，所以适用极端顶点设计。本试验有 3 个分量，设计阶数为 1 阶，然后设置分量的上下界，软件自动生成试验配比，与测试结果合并于表5。
表5 混料设计分量与 28d 电通量测试结果
2.2 最优配比分析
通过分析混料设计入口，混料设计可提供多种模型来拟合试验数据，本试验有三个分量适合用特殊立方模型对试验数据进行统计分析。三元体系可以建立三角分量体系图，如图1 所示为各试验组分量设计图，于此形成对比的是，基于模型方程设置电通量为相应变量绘制等值线图。如图2 所示，三角图中显示模拟值的等值线形成了同心圆形状，证明有最优解，设计配合比时可以根据图中的优选区域设计较优的配比。最后用响应优化器工具，设置电通量的目标为最小，Minitab 将计算最优解并绘图，最优解作为图的起始点，调整各分量的比例将会自动计算新的最优解。如图3 所示，本试验的最优解为水泥 : 粉煤灰 : 矿粉的比例为 0.5451:0.1606:0.2943，最优解的电通量为最小值1882C，达到低级别的氯离子渗透性。用解得的配合比进行验证试验，测得的电通量为 1875C，与计算值的误差仅为 0.37%，因此该最优解是有效的。
4 结论
本试验用混料设计的方法，设计三元胶凝材料体系对混凝土氯离子渗透性能的影响。根据真实的电通量试验数据，用 Minitab 软件绘制等值线图，并用响应优化得到最优解。试验证明加入粉煤灰和矿粉能够有效地改善混凝土氯离子渗透性，在本试验中最优的胶凝材料比例是水泥 : 粉煤灰 : 矿粉=0.5451:0.1606:0.2943。
图1 试验组分量设计图
图2 电通量的混合等值线图
图3 最优解的电通量与配比
