基于RSM-BBD的高原地区桥墩混凝土性能试验研究

彭勇军,刘娟红,李 华,李 康

(1.中铁十八局集团第二工程有限公司,唐山 063000;2.北京科技大学土木与资源工程学院,北京 100083;3.中国铁道科学研究院,研究生部,北京 100081;4.中国铁道科学研究院集团有限公司,高速铁路轨道技术国家重点实验室,北京 100081)

0 引 言

桥墩主要用来支撑桥跨结构,并将桥梁整体的恒载和活载传递至地基,其对桥梁安全服役的重要性不言而喻。与一般混凝土结构不同,桥墩下部往往位于河流之中,除了面临水流的冲刷,低温环境下的冻融破坏尤为突出。高原地区具有气压低、风速大、温差大、地质结构复杂的特点,势必影响桥墩混凝土的服役安全。据研究,低气压环境会影响引气剂效果,造成引气混凝土含气量降低,塌落度减小[1-2]。低温环境会延缓水泥的水化进程,产生冻胀应力,造成混凝土内部结构疏松,性能劣化[3]。冻融循环将造成混凝土质量和强度损失率增加,相对动弹性模量下降,导致桥墩刚度下降,显著影响桥梁的横向动力响应[4]。由于可能存在的盐冻现象和温度变化的滞后效应,距离混凝土表面越近,冻融损伤程度越严重[5-6]。

混凝土中掺入适量矿物掺合料有利于减少水泥用量,提高耐久性,具有节约资源、保护环境、实现建筑物全生命周期效益最大化的作用,在实际工程中广泛运用[7]。近年来,相关学者针对矿物掺合料做了大量的研究。吴凯等[8]发现,适量矿物掺合料可以改善混凝土的孔结构;王喆等[9]发现,钢渣、矿渣、粉煤灰和石灰石粉复合使用可以提高混凝土的抗氯离子渗透性能和长期力学特性;李玉平等[10]发现,复掺偏高岭土和粉煤灰能显著优化轻骨料混凝土的微观性能,复掺总量达到10%(质量分数)时混凝土抗压强度最大;杭美艳等[11]发现,复合矿物掺合料既能降低混凝土水化热,又能减轻其开裂程度;刘娟红等[12]发现粉煤灰和矿渣等复合矿物掺合料能促进火山灰反应,降低Ca(OH)2含量,提高混凝土的密实性和抗渗性。此外,养护条件[13-14]也会对桥墩混凝土性能产生重要影响。

虽然矿物掺合料在提升混凝土抗冻性能方面的效果得到许多研究人员的证实[15-17],但是更多的是基于单因素试验研究,评价每一种因素对于混凝土抗冻性能的影响,对于各因素交互作用的影响并未有过多阐述。响应面法(response surface method, RSM)通过综合优化数学建模和试验设计,利用局部具有代表性点的试验结果,拟合全局因素和结果之间的函数关系,并可得出各因素的最优水平值[18]。同时,具有比传统正交试验更高的预测精度,RSM已被广泛用于材料配合比设计领域[19]。基于此,本文利用Box-Behnken Design响应面法(RSM-BBD)对混凝土矿物掺合料的种类和掺量进行设计,结合相关学者在高海拔地区桥梁混凝土技术方面的研究基础[20],针对高原地区的环境特点,通过调整粉煤灰、矿渣和硅灰的掺量探求混凝土力学和抗冻融性能的变化规律,对高原地区桥墩混凝土的制备提供参考意见。

1 实 验

1.1 原材料

P·O 42.5普通硅酸盐水泥由嘉华特种水泥股份有限公司生产,其28 d抗压强度为47.9 MPa;矿物掺合料选用Ⅰ级粉煤灰、S95级磨细矿渣和硅灰,粉煤灰的细度(45 μm)筛余为6.5%,需水量比为92%,矿渣和硅灰的比表面积分别为486和2.38×104m2/kg。水泥、粉煤灰、矿渣和硅灰的主要化学成分见表1。粗细骨料为中国水利水电第九工程局有限公司生产的砂石,其中粗骨料碎石表观密度为2 740 kg/m3,松散堆积密度为1 520 kg/m3,针片状含量为4.1%,压碎值为17.4%,含泥量为0.1%;细骨料机制砂堆积孔隙率为41%,细度模数为2.8。减水剂为聚羧酸高性能减水剂,减水率为31%,含固量为26.3%。

表1 水泥和矿物掺合料的主要化学成分Table 1 Main chemical composition of cement and mineral admixtures

1.2 配合比

根据已有的工程经验和研究成果,为了保证混凝土的强度等级不低于C50,试验控制混凝土总胶凝材料用量、砂石掺量和水胶比不变,其中胶凝材料总量为540 kg/m3,砂掺量为645 kg/m3,碎石掺量为1 100 kg/m3,减水剂掺量为7.39 kg/m3,水胶比为0.3。本次试验重点在于探究粉煤灰掺量(X)、矿渣掺量(Y)和硅灰掺量(Z) 3种因素对混凝土抗压强度(R1)、200次冻融循环后的质量损失率(R2)和200次冻融循环后的相对动弹性模量(R3)的影响规律。各因素的水平:粉煤灰的掺量依次为0%、10%和20%(质量分数),矿渣的掺量依次为0%、10%和20%(质量分数),硅灰的掺量依次为0%、5%和10%(质量分数)。自变量因素编码及水平设置如表2所示,利用Design-Export软件进行混凝土配合比设计,结果如表3所示。软件在分析3因素、3水平响应面试验时,需要进行15组试验。为了对比评价矿物掺合料的影响效果,本次试验同时设置纯水泥组作为基准组(S)。

表2 试验自变量因素编码及水平Table 2 Codes and levels of experimental independent variable factors

表3 响应面试验结果Table 3 Actual results of RMS-BBD

1.3 试验方法

本次冻融循环试验主要根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082—2009)进行操作。采用快冻法,试块尺寸为100 mm×100 mm×400 mm,标养24 d后将试块取出,在(20±2) ℃水中浸泡4 d,取出试块擦干表面水分,采用DT-12型动弹性模量监测仪和天平测定试块的初始横向基频f0i和初始质量W0i,之后进行冻融试验。冻融设备为混凝土全自动快速冻融试验机,冻结温度为-18～-14 ℃,融化温度设定为5～8 ℃,一次冻融循环时间为2～4 h。达到200次冻融循环之后,将试块取出,清理干净混凝土表面浮渣并擦干水分,继续测量横向基频f200i和质量W200i。试块的质量损失率ΔW200i和相对动弹性模量P200i分别按照式(1)、(2)计算。

(1)

(2)

2 结果与讨论

2.1 响应面试验及预测结果

响应面试验结果如表3所示,利用Design-Export软件对试验结果进行多元回归拟合,得出响应面函数,如式(3)～(5)所示。

R1=68.57-2.74X+1.87Y+3.71Z+1.03XY-0.90XZ+1.17YZ+1.94X2-1.08Y2+0.99Z2

(3)

R2=1.59-0.66X+0.15Y-0.48Z-0.10XY+0.14XZ+0.05YZ+0.43X2+0.10Y2+0.087Z2

(4)

R3=76.80+2.79X-3.00Y+3.46Z+0.80XY-0.73XZ-0.35YZ+0.84X2-0.24Y2+0.89Z2

(5)

2.2 响应面模型可靠性分析

对响应面函数模型进行方差分析以验证其可靠性,结果如表4所示。混凝土各指标实际值和预测值对比如图1所示。从表4可以看出,所建立的模型P值均小于0.01,说明回归效果显著,失拟项P值大于0.05,这说明混凝土各指标的实测值与预测值具有较好的吻合度。从图1可以看出,各数据点基本都沿着直线y=x均匀分布,模拟的预测值和实际值接近,说明设计的回归方程模型能够有效预测试验结果[21]。

图1 混凝土各指标实际值和预测值对比Fig.1 Comparison of actual and predicted results of concrete indexes

表4 响应面回归模型方差分析Table 4 Variance analysis of RMS-BBD regression model

2.3 试验结果分析

2.3.1 矿物掺合料对混凝土抗压强度的影响

分析表4,在影响混凝土抗压强度(R1)的3个因素中,硅灰掺量(Z)的F值最大,为213.75,其次为粉煤灰掺量(X),矿渣掺量(Y)的F值最小。因此,各因素对混凝土28 d抗压强度的影响效果依次为硅灰掺量(Z)>粉煤灰掺量(X)>矿渣掺量(Y)。从试验拟合结果上看,混凝土28 d抗压强度主要受粉煤灰、矿渣和硅灰的单因素影响,此外,粉煤灰和矿渣掺量(XY)与矿渣和硅灰掺量(YZ)这两组交互项也对混凝土28 d抗压强度存在一定的影响。基准组(S)28 d抗压强度为67.3 MPa,除了个别粉煤掺量较高的试验组,其余试验组混凝土28 d抗压强度均高于基准组。图2给出了各因素对混凝土28 d抗压强度的影响规律。图2(a)和(b)显示,随着粉煤灰掺量增加,粉煤灰-矿渣复掺以及粉煤灰-硅灰复掺混凝土28 d抗压强度均有所降低。这是由于粉煤灰的活性相对较低,提高粉煤灰掺量则会降低混凝土体系水化速率,影响28 d抗压强度。由图2(a)可知,随着粉煤灰掺量增加和矿渣掺量降低,混凝土28 d抗压强度逐渐降低。当粉煤灰掺量为0%时,矿渣掺量由0%增至20%,混凝土抗压强度增加了1.7 MPa,当粉煤灰掺量为20%时,随着矿渣掺量增加,混凝土28 d抗压强度增加了5.8 MPa。可以看出,尽管粉煤灰早期活性较低,矿渣和粉煤灰的交互作用仍可以一定程度上提高混凝土的28 d抗压强度,这主要是由于矿渣的晶核作用及其提高混凝土的碱度,激发粉煤灰的活性,充分发挥产生的“叠加效应”[22]。由图2(b)可知,硅灰掺量的增加有利于混凝土抗压强度的提高,这是由于较高活性的硅灰与Ca(OH)2之间发生反应将进一步降低Ca(OH)2含量,并产生水化硅酸钙(C-S-H)凝胶[8],促进水泥水化反应进程。由图2(c)可知,矿渣掺量越高,硅灰-矿渣复掺混凝土抗压强度的提高越明显,说明硅灰和矿渣共同作用更有利于混凝土抗压强度的发展。分析原因在于硅灰的活性高,既可以在早期与Ca(OH)2短时间内发生反应,后期也可持续与矿渣产生火山灰复合效应、微集料复合效应等交互作用[23]。

图2 各因素对混凝土28 d抗压强度的影响Fig.2 Influences of various factors on 28 d compressive strength of concrete

2.3.2 矿物掺合料对混凝土抗冻融性能的影响

混凝土处于冻融环境中,可能产生表面剥落、内部孔隙增大的现象。质量损失率和相对动弹性模量是表征混凝土冻融损伤特性的两个关键指标。由表4可知,各因素对混凝土冻融质量损失率的影响效果依次为粉煤灰掺量(X)>硅灰掺量(Z)>矿渣掺量(Y)。基准组(S)200次冻融循环后的质量损失率为3.07%。图3给出了各因素对混凝土200次冻融循环后质量损失率的影响。由图3可知,200次冻融循环后,粉煤灰-矿渣、硅灰-矿渣以及部分粉煤灰-硅灰复掺混凝土的质量损失率低于基准组,说明在试验设计的掺量范围内,合适的矿物掺合料有利于降低混凝土的质量损失率。由图3(a)和(b)可以看出,无论是粉煤灰-矿渣复掺还是粉煤灰-硅灰复掺,粉煤灰掺量的增加将有效降低混凝土的质量损失率,说明粉煤灰可以有效降低混凝土质量损失率;由图3(b)和(c)可以看出,硅灰掺量的增加也能有效降低混凝土的质量损失率。

分析表4中相对动弹性模量损失率(R3)的F值,可以看出各因素对于混凝土相对动弹性模量的影响效果依次为硅灰掺量(Z)>矿渣掺量(Y)>粉煤灰掺量(X),混凝土的相对动弹性模量受粉煤灰和矿渣掺量(XY)与粉煤灰和硅灰掺量(XZ)交互作用影响效果同样显著。基准组(S)经历200次冻融循环后相对动弹性模量为74.1%,图4为各因素对混凝土相对动弹性模量的影响。由图4可知,不同矿物掺合料对混凝土相对动弹性模量的影响规律与质量损失率较为一致。混凝土相对动弹性模量随着粉煤灰和硅灰掺量的增加而增加,随矿渣掺量的增加反而有所降低。只有当粉煤灰和硅灰掺量较低且矿渣掺量较高时,混凝土的相对动弹性模量才会低于基准组,其余试验组相对动弹性模量均高于基准组,说明粉煤灰和硅灰的掺入可以一定程度降低矿渣对混凝土相对动弹性模量的不利影响。同时,相较于粉煤灰,硅灰对相对动弹性模量的提升作用更显著。

图4 各因素对混凝土200次冻融循环后相对动弹性模量的影响Fig.4 Influences of various factors on relative dynamic elastic modulus of concrete after 200 times freeze-thaw cycles

混凝土的冻融破坏本质上可以归结为内部孔隙水反复结冰,并伴随着体积膨胀,不断挤压孔隙壁,造成混凝土内部微裂纹的产生和扩展。裂纹扩展到一定程度后逐渐与外界环境连通,造成外界水分和侵蚀性离子更容易进入混凝土内部,进一步加剧混凝土的损伤[24]。混凝土的宏观冻融损伤特征与微观孔隙结构演变密切相关。在混凝土搅拌和养护过程中,由于空气混入以及孔隙水不断参与水化反应等,混凝土内部将随机分布大小不一的孔隙。粉煤灰和硅灰皆通过消耗水泥水化产物发生反应产生新的凝胶,促进混凝土密实性增加,粉煤灰主要与水泥水化产物中的Ca(OH)2发生二次水化反应生成水化硅酸钙凝胶和水化铝酸钙晶体,成为胶凝材料的一部分,起到增强作用,减少冻胀破坏的影响[25]。但粉煤灰活性低,火山灰反应慢[26],硅灰比粉煤灰的增强效果要好,因为硅灰细度更小,活性更高,更小的粒径使硅灰兼具集料效应,可以有效填充混凝土中的孔隙[27]。

2.4 混凝土最优配合比及模型验证

以混凝土28 d抗压强度和200次冻融循环后相对动弹性模量的最大值,以及200次冻融循环后质量损失率最小值作为优化目标,采用Design-Expert软件对混凝土配合比进行优化,得到的最优配合比为粉煤灰掺量20%,矿渣掺量15%,硅灰掺量10%。为检验响应面模型的准确性和有效性,对比模型的预测值和实测值,结果见表5。可以看出各响应的实测值与预测值之间的误差均小于5%,表明模型精度较高且优化方案可信。

表5 优化配合比设计的试验结果及预测结果Table 5 Actual and predicted results of optimized mix proportion design

3 结 论

1)利用RSM-BBD试验设计,建立了粉煤灰掺量、矿渣掺量、硅灰掺量与混凝土28 d抗压强度、200次冻融循环后质量损失率、200次冻融循环后相对动弹性模量的二次回归模型,经方差分析、实际值和预测值对比等检验,模型拟合精度较高。

2)矿渣和硅灰有利于提高混凝土28 d抗压强度,粉煤灰和硅灰则有利于提高混凝土抗冻融性能。方差和响应面分析表明,各响应不仅受到单因素的影响,同时受到各因素交互作用的影响。矿渣和硅灰掺量的交互作用对混凝土28 d抗压强度影响显著,粉煤灰与硅灰掺量的交互作用对混凝土200次冻融循环后质量损失率影响显著,粉煤灰与矿渣掺量的交互作用对混凝土200次冻融循环后相对动弹性模量影响显著。

3)在确保混凝土抗压强度的前提下,抗冻融能力是高原地区桥墩混凝土必须考虑的因素。与基准组混凝土相比,掺入适量矿物掺合料后混凝土的抗压强度和抗冻融性能均有了显著提高。本试验条件下,最终确定粉煤灰掺量20%,矿渣掺量15%,硅灰掺量10%,可有效提高桥墩混凝土的性能。