低温养护活性粉末混凝土力学性能试验研究

王欣周蕴文祝健杨立华

(1.山东建筑大学土木工程学院，山东 济南 250101；2.山东建筑大学建筑结构加固改造与地下空间工程教育部重点实验室，山东 济南 250101；3.山东建筑大学 资产管理处，山东 济南 250101)

0 引言

20世纪90年代，法国的布依格(Bouygues)公司[1]在纤维增强混凝土、细料致密法等一系列研究基础上，研发了一种强度高、韧性优良、耐久性好的超高强增韧混凝土，即活性粉末混凝土。目前，活性粉末混凝土已在日本、法国、加拿大等国家推广应用到实际工程中，吕平等[2]针对钢箱梁人行天桥耐腐蚀性差、稳定性一般的缺点，提出了将活性粉末混凝土应用于人行天桥作为桥面板，研究表明钢-活性粉末混凝土组合箱梁结构可在其他人行天桥工程改造和新建工程中推广使用。

目前，众多科研人员对活性粉末混凝土的配合比设计原则及配制技术做出了改善，深入地研究了活性粉末混凝土的轴心抗压强度、应力—应变曲线、弹性模量等主要的力学性能[3-5]，并探究了活性粉末混凝土的抗氯离子渗透、抗碳化、抗冻融、抗腐蚀等耐久性及耐高温性能[6-10]。吴炎海等[11]对比研究了不同养护方式和龄期对活性粉末混凝土强度发展规律的影响，确定了获得高强活性粉末混凝土的最佳养护方式。郑文忠等[12]分析了水胶比、石英砂、硅灰、矿渣粉、钢纤维品种与掺量对活性粉末混凝土强度和流动度的影响，并初步提出了活性粉末混凝土配合比计算方法。安明喆等[13]提出了钢纤维体积率对活性粉末混凝土劈裂抗拉强度、轴心抗拉强度的影响规律，得到了随着钢纤维掺量的增加，活性粉末混凝土抗拉强度呈线性增大的规律。寇佳亮等[14]通过极差法确定了常温养护条件下既定因素对活性粉末混凝土抗压强度的影响程度，并得到了最佳配合比。为探究预应力活性粉末混凝土梁的火灾安全性，闫凯等[15]通过对8个预应力活性粉末混凝土简支梁开展恒定荷载ISO 834标准升温条件下的受火试验，研究了预应力活性粉末混凝土简支梁的火灾高温损伤演化和破坏模式，结果表明干热养护可有效抑制活性粉末混凝土高温爆裂，有利于保证受火构件的完整性。

采用标准养护、高温养护或者蒸汽养护的养护制度配制出超高强活性粉末混凝土，其成本高且不利于工程实际推广应用。文章根据北方地区冬期(气温变化为-10～10℃)建筑工程现场低温施工的特点，基于五因素四水平正交试验，研究了活性粉末混凝土的基本力学性能(流动度、立方体抗压强度与轴心抗拉强度)，分析了水胶比、胶砂比、钢纤维掺量、减水剂掺量及硅灰与粉煤灰质量比5种既定因素对活性粉末混凝土力学性能的影响，基于极差分析和方差分析，选出了低温养护制度下活性粉末混凝土的最优化因素水平组合，为今后实际工程的应用推广提供参考。

1 试验概况

1.1 试验原料

水泥选用P·O52.5级普通硅酸盐水泥，其氧化镁含量≤3.5%、三氧化硫含量为2.0%～3.0%、比表面积≥381 m2/kg、初凝时间为115 min、终凝时间为184 min、3 d抗压强度≥33.8 MPa、28 d抗压强度≥58 MPa、3 d抗折强度≥6.2 MPa、28 d抗折强度≥10 MPa；钢纤维选用长度为13 mm的超细超短高强平直钢纤维，直径为200μm、密度为7.85 g/cm3、抗拉强度为2 850 MPa；聚丙烯纤维选用单丝状聚丙烯纤维，长度为18～20 mm、直径为48μm、密度为0.9 g/cm3、抗拉强度＞400 MPa；硅灰采用S90级微硅粉，比表面积为26 400 m2/kg，烧失量为1.60%、含水量为0.40%、二氧化硅含量为91.7%；粉煤灰采用一级粉煤灰，细度为16%、烧失量为2.80%、含水量为0.85%、密度为2.55 g/cm3；矿渣粉采用S95级粒化高炉矿渣粉，烧失量为0.98%、含水量为0.35%、密度为3.10 g/cm3、流动比为98%、7 d活性指数为84.2%、28 d活性指数为98.5%；高效减水剂选取固含量为98%的粉状聚羧酸型高效减水剂；骨料选用最大粒径2.5 mm、细度模数约为2.5的普通河砂；水选用的是济南自来水。

1.2 制备与养护

活性粉末混凝土的制备根据GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土》[16]进行，采用的是SJ-15型砂浆搅拌机。为了防止钢纤维与聚丙烯纤维在搅拌过程中结团，搅拌采用湿拌与撒纤维同步进行的方式。搅拌初期先放入硅酸盐水泥、河沙、粉煤灰、矿粉、聚羧酸系高效减水剂粉剂及硅灰等干料，搅拌4 min之后将水与钢纤维、聚丙烯纤维同时加入搅拌机，搅拌时间≥4 min。搅拌结束后先取部分拌合物做流动度测试，然后将其余拌合物装入模具并在振动台振动2 min之后覆膜静置养护。

为了与北方地区实际工程冬期现场施工的状况更相符，试块均在没有暖气条件的实验室内浇筑，试块成型后覆盖薄膜与棉毡静置，在低温养护条件下静待3～4个昼夜后拆模，将拆模后的试块放到室外，并覆盖薄膜与棉毡，养护时间段选取的是北方的初冬至早春，气温变化范围在-10～10℃，根据GB 50204—2015《混凝土结构工程施工质量验收规范》[17]的规定将试块养护至日平均温度，逐日累积达到600℃且≥14 d。

1.3 试验方法

活性粉末混凝土试块的立方体抗压强度测试是根据GB/T 31387—2015[16]进行，采用100 mm×100 mm×100 mm的标准立方体试块，如图1(a)所示，试验机选用最大负荷为3 000 kN的YAW-4306微机控制全自动压力试验机；其轴向抗拉强度试验测试根据GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》[18]进行，采用中间截面尺寸为150 mm×300 mm的轴向拉伸试件，如图1(b)所示，试验机选用最大负荷为600 kN的SHT-4605微机控制电液伺服万能试验机；其流动度采用跳桌法进行测试，具体试验方法是根据GB/T 2419—2005《水泥胶砂流动度测定方法》[19]进行的，仪器选用自控水泥胶砂流动度测定仪。

图1 抗压、抗拉试件图

1.4 正交试验设计

为全面探究既定因素对低温养护制度下活性粉末混凝土流动度、抗压强度与抗拉强度的影响，试验选用五因素四水平正交试验表L16(45)。其中各影响因素分别为水胶比(A)、胶砂比(B)、钢纤维掺量(C)、减水剂掺量(D)和硅灰与粉煤灰质量比(E)，正交试验因素水平见表1，单位体积活性粉末混凝土各材料组分质量与试验结果见表2。其中，钢纤维掺量与聚丙烯纤维掺量均为体积掺量，且聚丙烯纤维掺量固定为0.5%；减水剂为外掺量，其掺量为占胶凝材料质量的百分比；胶凝材料和水泥固定掺量分别为1 153和576.5 kg/m3，矿渣粉、硅灰与粉煤灰为取代水泥掺量，矿渣粉取代水泥掺量为173 kg/m3，硅灰与粉煤灰共取代水泥掺量403.5 kg/m3。

表1 正交试验因素水平表

表2 单位体积活性粉末混凝土各材料组分质量与正交试验结果表

续表2

2 试验结果与分析

2.1 极差分析与因素指标分析

2.1.1 流动度极差分析与因素指标分析

作为正交试验设计中常用的分析方法之一，极差分析法优点明显，其简明形象，直观易懂，通过较为简单的计算和直观分析就能够得到试验优化结果，可以快速达到试验分析目的。不同因素下活性粉末混凝土流动度、抗压强度与抗拉强度的平均值及其极差由式(1)和(2)表示为

式中Kij为各因素第i水平、第j试验指标结果值，i、j=1，2，3，4；Kimax、Kimin分别为各因素第i水平平均值中的最大值与最小值。计算流动度时，Ki为各因素第i水平的流动度平均值，mm；R为流动度极差，mm；计算抗压强度或抗拉强度时，Ki为各因素第i水平的抗压强度或抗拉强度平均值，MPa；R为抗压强度或抗拉强度极差，MPa。

低温养护活性粉末混凝土流动度平均值及其极差分析结果见表3。根据表3可以判断各影响因素的主次顺序:水胶比(A)＞胶砂比(B)＞减水剂掺量(D)＞钢纤维掺量(C)＞硅灰与粉煤灰质量比(E)。如图2所示。

表3 不同因素下流动度平均值及其极差分析结果表/mm

图2 既定因素水平与流动度关系图

根据既定各因素水平与流动度关系可得:流动度随水胶比的增加而增加，其增幅高达15.7%，这是因为当水胶比增加时，游离水含量增多，材料拌和充分，较大的水胶比也降低了胶凝材料与骨料之间的粘结力，流动度随之增大；流动度随胶砂比的增大而增大，其增幅为7.7%，当胶砂比增加时，活性粉末混凝土中浆体的含量增加，骨料的相对含量降低，其表面包裹的浆量增多，活性粉末混凝土结构体系严密，粘聚性好，润滑作用发挥完全，流动度随之增大；流动度随减水剂的增加而减小，其降幅为3.9%，这是由于减水剂掺量过多导致活性粉末混凝土发生离析现象，流动度随之减小；钢纤维掺量、硅灰与粉煤灰质量比对流动度影响较小，在既定因素内最高水平流动度较最低水平分别相差2.7%、2.3%。考虑到活性粉末混凝土在实际工程中多数应用于现场浇筑，因此期望获得较大流动度。通过极差分析得到流动度最优化因素水平组合为A4B4C1D1E1，其具体参数为:0.22的水胶比(A)、1.25的胶砂比(B)、1.6%的钢纤维掺量(C)、0.6%的高效减水剂掺量(D)和0.67的硅灰与粉煤灰的质量比(E)。

2.1.2 抗压强度极差分析与因素指标分析

低温养护活性粉末混凝土抗压强度平均值及其极差分析结果见表4。根据表4可以得到既定试验因素的主次顺序为:水胶比(A)＞硅灰与粉煤灰质量比(E)＞减水剂掺量(D)＞胶砂比(B)＞钢纤维掺量(C)。如图3所示，根据各因素水平与抗压强度关系可得:抗压强度随水胶比的增加而降低，其降幅为18%，这是由于水胶比较大时，水泥的水化反应完全，试块虽更易捣实，但试块凝胶孔因游离水的蒸发而增多，孔隙率大幅度增加，基体结构密实度减小，抗压强度随之下降；当硅灰与粉煤灰质量比为1.5时强度曲线出现拐点，抗压强度最大值较最小值高11.3%；抗压强度随减水剂掺量的增加呈现先增加后降低趋势，其峰值较最小值高了9.3%，这是因为当减水剂掺量增加时，流动度随之增加，使试块内气体量减少，试块密实度增大，强度随之增大，若超过适宜掺量易发生离析现象。随胶砂比的增加，强度曲线出现饱和点，其较抗压强度最小值高了3.7%；当胶砂比增大时，活性粉末混凝土中浆体的含量增加，骨料的相对含量减少，浆体既能完全包裹骨料又能较好的填充拌合物的空隙，从而形成密实的基体体系，流动性增强，随着龄期的增长，试块的抗压强度随之增加，但是如果胶砂比过大，骨料与浆体之间的粘结力过强，浆体相对体积过大，试块的抗压强度必然降低；由于本试验钢纤维掺量水平之间差距较小，故钢纤维掺量对抗压强度影响较小，最高水平抗压强度较最低水平高出3.2%。考虑到活性粉末混凝土在实际工程中的应用，期望获得高强活性粉末混凝土。因此，最优化因素水平组合为A1B3C1D3E1，其具体参数为:0.19的水胶比(A)、1.15的胶砂比(B)、1.6%的钢纤维掺量(C)、0.9%的减水剂掺量(D)，0.67的硅灰与粉煤灰质量比(E)。

表4 不同因素下立方体抗压试件的抗压强度平均值及其极差分析结果表/MPa

图3 既定因素水平与抗压强度关系图

2.1.3 抗拉强度极差分析与因素指标分析

低温养护活性粉末混凝土抗拉强度平均值及其极差分析结果见表5。根据表5可以判断各影响因素的主次顺序:水胶比(A)＞胶砂比(B)＞钢纤维掺量(C)＞减水剂掺量(D)＞硅灰与粉煤灰质量比(E)。如图4所示，根据各因素水平与抗拉强度关系与极差分析结果可得:水胶比与胶砂比均为重要影响因素，在既定因素水平内，抗拉强度最大值较最小值分别高16.4%和14.9%；其次是钢纤维掺量，抗拉强度随钢纤维掺量的增加而增加，增幅为10.4%，高弹性模量钢纤维通过与活性粉末混凝土基体的粘结力抵抗试件微裂缝的发展，与聚丙烯纤维混掺共同形成桥接作用和锚固加强作用，两种纤维作为锚固粘结材料连接填充活性粉末混凝土内不连续的空隙和裂痕处，不断锚固加强更多的活性粉末混凝土基体，其得以形成致密的结构体系，因此试件的抗拉强度随钢纤维掺量的增加而增加；减水剂掺量、硅灰与粉煤灰质量比影响较小，在既定试验因素水平内，抗拉强度最大值较最小值分别相差9.4%与5.2%。考虑到在实际应用中期望得到高抗拉强度活性粉末混凝土。因此，最优化因素水平组合A2B1C4D3E1，其具体参数为0.2的水胶比(A)、0.95的胶砂比(B)、2.2%的钢纤维掺量(C)、0.9%的减水剂掺量(D)，0.67的硅灰与粉煤灰质量比(E)。

图4 既定因素水平与抗拉强度关系图

表5 不同因素下抗拉试件的抗拉强度平均值及其极差分析结果表/MPa

2.2 方差分析

极差分析法计算简单、直观形象，但是其无法区分试验过程中试验条件改变与试验误差导致的数据波动，不能确定优化成果的可信度。因此，利用统计分析软件SPSS通过方差分析法定量估计既定因素对各指标的主效应，置信区间设置为95%。活性粉末混凝土流动度、抗压强度、抗拉强度的方差分析结果见表6。根据方差分析结果，既定试验因素对流动度的影响顺序为水胶比(A)＞胶砂比(B)＞减水剂掺量(D)＞钢纤维掺量(C)＞硅灰与粉煤灰质量比(E)，与极差法分析结果相同，水胶比对流动度具有高度显著性影响，胶砂比有显著性影响，钢纤维掺量、减水剂掺量、硅灰与粉煤灰质量比均为具有一定影响；各因素对抗压强度的影响主次顺序为水胶比(A)＞硅灰与粉煤灰质量比(E)＞减水剂掺量(D)＞胶砂比(B)＞钢纤维掺量(C)，等同于极差法分析结果，水胶比对抗压强度的影响为高度显著，其次硅灰与粉煤灰质量比的影响为显著，减水剂掺量、钢纤维掺量与胶砂比均为有影响因素；各因素对抗拉强度的影响大小为胶砂比(B)＞水胶比(A)＞钢纤维掺量(C)＞减水剂掺量(D)＞硅灰与粉煤灰质量比(E)，与极差分析结果大体一致，均为有影响因素。

表6 正交试验各指标方差分析结果表

2.3 最优化因素水平组合

结合上述两种分析方法，综合平衡流动度、抗压强度、抗拉强度3种指标与考虑到实际工程现场浇筑的需求，得到了最优化因素水平组合A2B1C4D3E1，即0.2的水胶比(A)、0.95的胶砂比(B)、2.2%的钢纤维掺量(C)、0.9%的减水剂掺量(D)、1.5的硅灰与粉煤灰质量比(E)，水泥∶河沙∶矿渣粉∶硅灰∶粉煤灰∶减水剂∶水为1∶2.08∶0.3∶0.42∶0.28∶0.018∶0.4。

3 结论

基于极差分析与方差分析，在北方冬期低温养护条件下，通过对活性粉末混凝土开展正交试验，可得以下结论:

(1)既定试验因素对活性粉末混凝土流动度的影响程度大小依次为水胶比(A)＞胶砂比(B)＞减水剂掺量(D)＞钢纤维掺量(C)＞硅灰与粉煤灰质量比(E)；对抗压强度的影响程度大小依次为水胶比(A)＞硅灰与粉煤灰质量比(E)＞减水剂掺量(D)＞胶砂比(B)＞钢纤维掺量(C)；对抗拉强度的影响大小依次为水胶比(A)＞胶砂比(B)＞钢纤维掺量(C)＞减水剂掺量(D)＞硅灰与粉煤灰质量比(E)。

(2)对流动度的最优因素水平组合为A4B4C1D1E1，对抗压强度的最优因素水平组合为A1B3C1D3E1，对抗拉强度的最优因素水平组合为A2B1C4D3E1，综合考虑极差、方差分析结果与现场施工需要浇筑流动度较大的活性粉末混凝土等实际情况后，得到的最优化因素水平组合为A2B1C4D3E1，水泥∶河沙∶矿渣粉∶硅灰∶粉煤灰∶减水剂∶水为1∶2.08∶0.3∶0.42∶0.28∶0.018∶0.4。

(3)在北方冬季-10～10℃低温养护条件下仍能得到高抗压强度、高抗拉强度且流动性良好的活性粉末混凝土，为今后北方地区实际工程冬期低温现场施工提供了一定参考。