基于正交分析的铁尾矿砂混凝土冻融试验★

李瑞敏 牛宝云

(唐山学院土木工程学院,河北 唐山 063000)

0 引言

唐山地区矿产资源丰富，为经济建设提供了充足的矿产资源，同时也产生大量尾矿废石。铁尾矿砂是选矿提纯产生的工业废料，其材料性能与天然砂类似。用铁尾矿砂部分或完全取代天然砂配制铁尾矿砂混凝土，不仅能缓解混凝土行业天然砂资源短缺的压力，又能大宗消纳铁尾矿砂，具有显著的经济效益和环保效益。

冻融循环破坏是混凝土耐久性能中非常重要的一种病害。混凝土只要处于内部含有较多水分的正负温交替的环境中都会发生冻融破坏，冻融破坏严重影响混凝土建筑物的安全运行和长期使用[1]。现阶段铁尾矿砂混凝土的研究成果主要集中在混凝土的材料性能、工作性能及力学性能等方面，对耐久性的研究较少，特别是抗冻性能的研究更少[2-5]。试验研究基于正交分析理论，对冻融后质量损失率和相对动弹性模量进行分析，得出不同影响因素对铁尾矿砂混凝土抗冻性的影响规律。

1 材料及试验方法

1.1 试验材料

1)水泥：唐山市冀东P.O42.5级水泥，28 d抗压强度49.6 MPa。

2)天然砂：天然河砂，中砂，细度模数2.69～3.00，表观密度为2 726 kg/m3。

3)铁尾矿砂：产自唐山，细度模数2.21～2.83，表观密度为2 785 kg/m3。铁尾矿砂的化学成分见表1。

4)碎石：5 mm～20 mm连续级配碎石，表观密度为2 837 kg/m3。

5)减水剂：聚羧酸高效减水剂。

表1 铁尾矿砂主要化学成分 %

1.2 快速冻融试验方法

试验按照GB/T 50082—2009普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准[6]，采用快冻法进行试验研究。本试验共制备9组100 mm×100 mm×400 mm的棱柱体试件，每组试件为3块。由于铁尾矿砂与天然砂的材料性能有所不同，试件制作时依据JGJ 55—2011普通混凝土配合比设计规程[7]和GB 50119—2003混凝土外加剂应用技术规范[8]，掺加了适当的粉煤灰和减水剂进行配合比设计调整。试件制作完成后先标准养护24 d，然后在(20±2)℃的水中浸泡4 d，水面高出试件顶面20 mm～30 mm。冻融试验时，将试件放入试件盒，再将试件盒放入冻融试验箱内的试件架上，并向试件盒中注入清水。整个试验过程中，盒内的水位高度应保持高出试件顶面5 mm左右。根据规范要求，每次冻融循环应在2 h～4 h内完成，并且用于融化的时间不得少于整个冻融循环时间的1/4。在冷冻和融化过程中，试件中心最低和最高温度应分别控制在(-18±2)℃和(5±2)℃内。在任意时刻，试件中心温度不得高于7 ℃且不得低于-20 ℃。在冻融循环作用后，分别测试件的质量损失和相对动弹性模量。9组试件全部进行200次冻融循环，试验测得了初始时刻和每间隔50次冻融循环后质量损失率和相对动弹性模量。

2 正交试验设计

试验时选取混凝土强度等级、粉煤灰掺量、铁尾矿砂取代率三个影响因素，每个因素设计三个水平，正交试验因素及水平,见表2。试验共制作9组试件，每组3块，合计27个试件。每组3个试件冻融循环后分别测定质量损失和相对动弹性模量，取平均值作为每组试验的结果进行分析。9组试验的正交设计方案,见表3。

表2 正交试验因素及水平

表3 正交试验方案设计

3 试验结果分析

3.1 试验指标与冻融循环次数的趋势图分析

9组试验质量损失率随冻融循环次数增加的变化规律见图1，9组试验相对动弹性模量随冻融循环次数增加的变化规律见图2。

从图1中可以看出，随着冻融循环次数的增加，9组试件的质量损失率基本都呈增长趋势。质量损失率是反映混凝土在冻融循环破坏过程中的剥落状况，随着冻融循环次数增加，试件表面不断出现新的破损剥落，因此图1中质量损失率随冻融循环次数的试验曲线呈现出持续增长趋势。从图2中可以看出，随着冻融循环次数的增加，9组试件的相对动弹性模量呈下降趋势。动弹性模量损失是在无损测试状态下反映混凝土内部的总体缺陷发展[9]，随着冻融循环次数增加，试件内部缺陷持续增加，试件逐渐趋于破坏，因此，图2中相对动弹性模量随冻融循环次数的9组试验曲线呈现出不断下降趋势。

3.2 正交试验的极差分析

表4 200次冻融循环后质量损失率及相对动弹性模量

试验组数混凝土强度等级A粉煤灰掺量B铁尾矿砂取代率C质量损失率相对动弹性模量Z1C30003.3174.0Z2C400501.3640.0Z3C5001000.8936.8Z4C3010502.4246.7Z5C40101004.8639.1Z6C501000.0390.2Z7C30201001.3173.9Z8C402001.8281.3Z9C5020501.9567.8K1因素A,B,C第1个水平所考核的指标和K2因素A,B,C第2个水平所考核的指标和K3因素A,B,C第3个水平所考核的指标和K1K1的平均值K2K2的平均值K3K3的平均值极差RK1,K2,K3中最大值与最小值之差

图3为各因素对铁尾矿砂混凝土质量损失率极差的影响，图4为各因素对铁尾矿砂混凝土相对动弹性模量极差的影响。极差越大，说明该因素对试验指标的影响越大，从而可以判断因素的主次。由图3可知，3个影响因素对质量损失的影响程度为混凝土强度等级>粉煤灰掺量>铁尾矿砂取代率。混凝土强度等级对200次冻融后的质量损失率影响最大，远远高出其他两个因素产生的影响，对质量损失率的贡献率占55%。粉煤灰掺量次之，对质量损失率的贡献率占25%，铁尾矿砂取代率对质量损失率的影响最小，只占20%。由图4可知，3个影响因素对相对动弹性模量的影响程度为铁尾矿砂取代率>粉煤灰掺量>混凝土强度等级。铁尾矿砂取代率对动弹性模量损失影响最大，占总贡献率的47%，其次是粉煤灰掺量，占总贡献率的36%，混凝土强度等级影响最小，占总贡献率的17%。

4 结语

通过对9组正交试验分析，可以得到以下结论：

1)9组试验经过冻融循环200次，随着冻融循环次数的增加，混凝土表面不断出现新的剥落破损，质量损失率呈现出增长趋势；随着冻融循环次数的增加，混凝土内部结构逐渐趋于破坏，相对动弹性模量呈现出下降趋势。

2)3个影响因素对质量损失的影响程度为混凝土强度等级>粉煤灰掺量>铁尾矿砂取代率，而3个影响因素对相对动弹性模量的影响程度为铁尾矿砂取代率>粉煤灰掺量>混凝土强度等级。