不同因素对长龄期混凝土抗压强度的影响*

2020-12-30张亚涛陈吉春朱田生张成银安徽省水利部淮河水利委员会水利科学研究院安徽蚌埠33000安徽元鼎建设工程有限责任公司安徽蚌埠33000

水泥工程 2020年5期

张亚涛，汪宇，陈吉春，朱田生，张成银[.安徽省（水利部淮河水利委员会）水利科学研究院安徽蚌埠33000;.安徽元鼎建设工程有限责任公司安徽蚌埠33000]

0 前言

抗压强度是混凝土的重要力学性能指标之一[1]，而混凝土作为一种多相复合材料，其力学性能主要取决于三方面因素：水泥石强度、粗集料强度和粗集料与水泥石间的界面过渡区强度[2]。郭晓燕等[3]通过不超过90 d混凝土抗压强度试验认为：粉煤灰掺量30%～40%时，分选灰比原状灰对提高混凝土强度更有效；施养杭[4]、李刚等[5]认为：水泥强度、水胶比和粉煤灰掺量是决定不超过60d粉煤灰高性能混凝土抗压强度的重要因素；段付珍等[6]对龄期不大于180d混凝土抗压强度的研究表明：粉煤灰和矿粉对混凝土早期强度不利，但后期强度增长很快；何盛东[7]、金巧兰[8]和陈国强[9]等认为：部分机制砂替代天然砂未对龄期不大于120d混凝土抗压强度造成不利影响，部分替代率会利于混凝土抗压强度的提高。张旭贤等[10]通过不超过56d混凝土抗压强度试验，认为不同类型的减水剂适用于不同粉煤灰掺量的混凝土。

在前人工作的基础上，根据有交互作用的正交试验原理，进行四因素（水泥强度、活性掺合料种类、减水剂种类和细骨料种类）二水平的试验设计，讨论四因素和他们之间交互作用对长龄期（90～360 d）混凝土抗压强度的影响。

1 试验部分

1.1 试验原材料

水泥为蚌埠海螺水泥有限公司产的P·O 42.5和P·O 52.5水泥，3 d抗压强度分别为24.7 MPa和30.5 MPa，28 d抗压强度分别为47.5 MPa和53.2 MPa，安定性均合格；粉煤灰为淮南市珍珠粉煤灰开发利用有限责任公司产F类Ⅱ级粉煤灰，细度（0.045 mm方孔筛筛余）24.3%，需水量比93%，强度活性指数71%；矿粉为江苏淮龙新型建材有限公司产S95矿粉，比表面积413m2/kg，流动度比100%，28 d活性指数96%；天然砂为安徽明光产中砂，细度模数2.84，含泥量1.2%，泥块含量0；混合砂为凤阳武店产，细度模数2.43，石粉含量5.1%，亚甲蓝试验合格，泥块含量0；5～25（mm）碎石和5～10（mm）瓜子片均为淮南上窑产，瓜子片含泥量和泥块含量分别为1.0%和0，碎石的含泥量和泥块含量分别为0.9%和0；聚羧酸高性能减水剂产地为蚌埠，减水率29%，含固量17.15%，pH值4.56；奈系减水剂产地为合肥，减水率20%，含固量31.30%，pH值7.38；水为当地生活用自来水。

1.2 试验设计与试样成型

试验中的因素水平如表1所示，各因素对试验结果会产生一定影响，因素间也可能存在交互作用，假定各因素、交互作用是相互独立的，即可把交互作用安排到一个专门的列上，与其他因素一起讨论[11]。这里用L8（27）正交表（含交互作用）安排试验，A因素和B因素分别放在正交表的第1列和第2列，A因素和B因素的交互作用放于第3列，C因素放在第4列，A因素和C因素的交互作用放于第5列，D因素放于第7列，第6列为误差列。

表1 因素水平表

利用HJS-60型双卧轴混凝土试验用搅拌机（生产厂家：北京耐久伟业科技有限公司）成型原材料比例如表2所示的混凝土试样，每种配比成型5组（每组3块），分别进行90d，120d，180d，270d，360d的标准养护。试样尺寸为100mm×100mm×100mm。

成型过程：加料后（水泥、砂、石、活性掺合料）干拌3 min，加水（有减水剂的需要把减水剂事先混匀在水中），机械搅拌4min，装模成型、养护（成型与养护方法参照GB/T50081—2002相关规定）。

1.3 混凝土试块抗压强度试验

分别对标准养护90 d、120 d、180 d、270 d和360 d的混凝土试块在YA-2000C型电液式压力试验机上进行抗压强度测试，试验方法和数据处理方法参照标准《普通混凝土力学性能试验方法标准》GB/T 50081—2002，结果见表3。

表2 混凝土配合比 kg/m3

表3 混凝土抗压强度 MPa

2 结果分析

2.1 90 d抗压强度结果分析

表4中可以得出对90d抗压强度较优的水平组合为A2B2C1D2。

由于：QA×C＜QC＜Q6＜QA，即A和C间无交互作用，所以第5列也是误差列，又由于QC＜QD=Q6，所以C和D因素无影响。因此：

再把计算出的F值，分别与F0.01,（1,4）、F0.05,（1,4）和F0.10,（1,4）比较，得出各个因素对指标值影响显著性的结果：活性掺合料种类对混凝土90d抗压强度的影响显著，水泥强度对90d抗压强度有影响，减水剂种类和细骨料种类对90d抗压强度无影响，见表5。

表4 90 d抗压强度结果初步分析表

2.2 其他龄期抗压强度结果分析

按照2.1中方法，分别对标准养护120 d、180 d、270 d和360 d混凝土试件抗压强度值进行分析，结果见图2，3和表6，7。

表5 90 d抗压强度结果方差分析表

图2 四因素在不同龄期对混凝土抗压强度的影响

图3 不同交互作用在不同龄期对混凝土抗压强度的影响

从图2中可以看出活性掺合料种类在不同龄期对混凝土抗压强度的影响程度均大于水泥强度、减水剂种类和细骨料种类，且基本是随龄期的延长而增大。主要是由于活性掺合料的活性效应、微集料效应和形态效应造成的。普通水泥28d时水化程度可达80%～90%，之后的水化十分缓慢[12-13]，而活性掺合料的二次水化在28d后开始成为主要反应形式。最初的二次水化主要是矿渣在水泥水化产物Ca（OH）2和水泥组分石膏的激发下进行的，后期的二次水化则主要是粉煤灰在水泥水化产物Ca（OH）2的诱发下进行的[14]。

图2和图3比较可以得出：活性掺合料与水泥的交互作用（A×B）对混凝土强度的影响随着龄期的延长而增大，且影响程度一直大于活性掺合料与减水剂的交互作用（A×C）。原因是，混凝土龄期达到90d后，活性掺合料的二次水化反应开始增多[15]，而二次水化反应需要的Ca（OH）2正是水泥水化产物之一，这在一定程度上使得活性掺合料的二次水化与水泥水化具有相互促进作用[6]，并且标准养护到180d时，该环境下的相互促进作用达到最强，对混凝土抗压强度影响最大，因此A×B对混凝土抗压强度影响一直强于A×C。

表6 较优因素组合

从表6中可以看出：相较于只含粉煤灰的活性掺合料（A1）,粉煤灰和矿粉混合后的活性掺合料（A2）更有利于混凝土抗压强度的提高，原因是：相较于粉煤灰，矿粉粒度更细、活性更高，尤其是界面活性更高，更能明显改善水泥石与骨料的界面结构[16]，因此，胶凝材料总量不变的情况下，用部分矿粉代替粉煤灰后，能够同时发挥出粉煤灰和矿粉的优点，对抗压强度影响变大；水泥强度等级52.5对90～120 d混凝土抗压强度更有利，而水泥强度等级42.5对180～360 d混凝土抗压强度更有利，因此，强度等级高的水泥不一定适合配置高标号混凝土；萘系减水剂在120d后更有利于混凝土强度的增长，原因是，萘系减水剂pH值更高，含有的OH-更多，更能够激发粉煤灰的二次水化反应[17]；混合砂对270～360 d混凝土抗压强度更有利，但从图2中可以看出，该有利形势对混凝土抗压强度影响不大。

表7 各因素对不同龄期混凝土抗压强度显著性影响分析表

从表7中可以看出：标准养护90～360 d，活性掺合料种类（因素A）对混凝土抗压强度的影响程度一直大于其他三个因素（因素B、因素C和因素D），因标准养护90d龄期后，活性掺合料二次水化反应开始增多[11]，此时，活性掺合料种类对抗压强度的影响变大，因此，对于90～120d龄期混凝土抗压强度，活性掺合料种类的影响表现为显著时，水泥的影响表现为有影响；标准养护到180d以后，混凝土中活性掺合料的二次水化反应达到高潮。

细骨料种类（因素D）对混凝土抗压强度的影响在表7中表现为无影响，即不同种类的中砂对90～360 d混凝土抗压强度的影响程度可以忽略不计，再加上生产混合砂可以减小对生态环境的破坏，因此，混合砂替代天然砂潜力巨大。