利用正交设计方法分析矿物掺合料对混凝土渗透性的影响.pdf

2 0 1 2年 第 3期 ( 总 第 2 6 9期 ) Nu mb e r 3 i n 2 0 1 2 ( T o t a l N o 2 6 9 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 原材料及辅助物料 M ATERI AI ， AND ADM I NI CLE 利用正交设计方法分析矿物掺合料对混凝土 渗透性的影响 徐长伟 ，高杰。张阳，杨梦卉 ( 沈 阳建筑大学 材料科 学与工程学 院，辽宁 沈阳 1 1 0 1 6 8 ) 摘要： 通过 ( 3 ) 正交设计， 以电通量为考核指标， 分析胶凝材料总量、 矿物掺合料( 粉煤灰和矿渣粉) 总掺比和掺合料双掺比例( 粉煤 灰占掺合料的比例) 三个因素对混凝土电通量的影响程度。 研究结果表明： 矿物掺合料总掺比是影响混凝土电通量最显著的因素， 其次为 胶凝材料总量和掺合料双掺比例。 关键词： 正交设计；渗透性； 掺合料；混凝土 中图分类号： T U 5 2 8 0 6 2 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 2 ) 0 3 0 1 0 1 0 2 I n f l u en c e o f mi ne r al bl en di n g m a t e r i a l s on t he c on c r e t e pen e t r a bi l i t y wi t h or t hogo nal e xpe r i men t XU C h a n g- we i ， GAO J i e ， Z HANG Ya n g， Y ANG M e n g- h u i ( S c h o o l o f Me ri a l S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ， S h e n y ang J i a n z h u U n i v e r s i t y ， S h e n y ang 1 1 0 1 6 8 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e o h o g o n a l e x p e ri me n t s ( 3 ) a r e d e s i g n e d ， wh i c h t h r e e f a c t o r s a n dt hre ef a c t o r s l e v e l s i n c lu d e d o s a g e o f c e me n t i t i o u s ma t e r i a l s ， t he r a t i o o f mi n e r a l b l e n d i n g ma t e ria l s and a d mi x t u r e d o u b l e d o p e d r a t i o a r e s t u d i e d o n the e l e c t ric fl u xTh e r e s u l t s d e no t e d t h a t t h e r a t i o o f mine r a l bl e n d i n g ma t e r i a l s i s d o mi n an t f a c t o r ， s e c o n d l y i s t h e d o s a g e o fc e me n t i t i o u s ma t e r i a l s and a d mi x t u r e d o u b l e d o pe d r a t i o Ke y w o r d s ： o r t h o g o n a l e x p e rime n t s ； p e n e t r a b i l i t y； bl e nd i n g ma t e ria l s ； c o n c r e t e 0 引言 随着混凝土技术的发展， 现代混凝土的设计理念也在更新， 尽可能减少硅酸盐水泥的用量而掺入一定量具有活性的粉煤灰、 粒化高炉矿渣粉、 硅灰等矿物掺合料， 使混凝土在获得所需抗压强 度的同时， 能获得良好的抗渗性、 抗化学侵蚀性、 抗裂性等性能成 为了当今混凝土设计的基本理 q 。 但由于掺合料的使用又会对混 凝土碳化陛能， 早期强度等方面造成影响口 ， 又制约了矿物掺合料 的有效使用， 所以混凝土必须综合考虑强度和其他性能的兼顾l生， 结合工程的特点在满足强度性能要求的同时， 具备耐久性。 本试验 ，针对其水下灌注桩混凝土的技术要 求【3 】 ， 寻找降低混凝土电通量的有效途径， 以提高混凝土的耐久陛。 1 试验 ( 设计 ) 方案 1 1 混凝土技术要求 某跨海特大桥的设计使用年限为 1 0 0年， 其水下灌注桩的混 凝土强度等级为 C 3 0 ， 强度评定龄期为 5 6 d ， 工程处于氯盐环境， 按照 铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定 铁建设 2 0 0 5 1 5 7号 的要求 ， 该 C 3 0水下桩混凝土的水胶比O 4 5 ； 胶凝材料最小 3 5 0 k g m3 ， 不宜超出 4 0 0 k g m3 ； 电通量 1 0 0 0 C。 为了保证施工 性能， 混凝土的坍落度要求控制在( 2 0 0 + 3 0 ) mm。 1 2 原材料 水泥： 海螺牌 P 0 4 2 5 级水泥。 收稿 日期 ：2 0 1 1 o 9 - o 9 基金项目：国家“ 十一五” 科技支撑计划课题( 2 0 0 6 B A J 0 4 A 0 4 ) 粉煤灰： F类 I I 级品。 矿渣粉 ： $ 9 5 级矿渣粉 。 细骨料河砂 ， 细度模数为 2 5 ， 中砂 ， I I 区级配， 堆积密度为 1 3 8 0 k g m ， 紧密密度为 1 5 3 0 k g m。 。 粗骨料 ： 花岗岩碎石， 5 - 4 0 n l m连续粒级 ， 压碎指标值为 9 7 ， 堆积密度为 1 5 1 0 k g m3 。 减水剂： 聚羧酸， 减水率大于 2 5 。 拌和水： 自来水。 表 1 原材料物理性质与化 学组成 S 03 Lo s s M g O c 他 f - Ca O 1 3 配合 比设 计 1 3 1 配合比正交设计 使用正交试验设计， 本次试验决定考察的因素有 3个： 胶凝 材料总量 A， 掺合料总掺比B， 掺合料双掺比例 C， 配合比的固 定参数确定如下 ： 用水量 1 6 0 k g ， 密度 2 3 6 0 k g m ， 砂率 4 5 ， 调整外加剂掺量使混凝土拌合物的坍落度达到 2 3 0 , - 2 5 0 ra n 1 。 每个因素各取 3 个水平， 使用 L 9 ( 3 ) 正交表因素 A( 胶凝材料总 量) ： A1 = 3 7 0 k g ， A 2 = 4 1 0 k g ， A 3 = 4 5 0 k g 。 因素 B( 掺合料总掺比 【 ( 粉煤灰+矿渣粉) 胶凝材料总量) ： B 1 = 3 0 ， B 2 = 4 5 ， B 3 = 6 0 。 1 01 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 因素 c 掺合料双掺比例 粉煤灰 ( 粉煤灰 +矿渣粉) ： C 1 = 3 0 C2 = 4 0 ， C3 = 5 0 。 1 3 2 配合 比正交试验方案 配合比正交试验方案， 如表 2所示。 表2 配合比 正交试验方案 1 3 4 试验过程控制 试拌时， 混凝土配合比套用上述的正交试验方案( 表 3 ) ， 通过 调整减水剂掺量 ， 直至混凝土拌合物坍落度满足 2 0 0 2 3 0 mm， 扩展度在 5 0 0 m l l l 以上， 混凝土采用强制式搅拌机拌和， 搅拌时 间为 2 mi n 。 混凝土的坍落度( 扩展度) 和强度试验均按照GB T 5 o 0 8 O 一 2 0 0 2 ( 普通混凝土拌合物性能试验方法标准 和 GB T 5 o 0 8 1 2 0 0 2 ( 普通混凝土力学性能试验方法标准 中的试验规程进行。 混凝土的电 通量试验按照 T Z 2 1 0 - - 2 0 0 5 ( 铁路混凝土工程施 工技术指南 ， 满足 A S T MC 1 2 0 2 ( 混凝土抗氯离子渗透陛电 测法 和 J T J 2 7 5 -2 0 0 0 ( 海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范 试验规 范要求。 电通量试验在试件达到养护龄期后钻芯取样进行测试。 2 试验 结果分析与评价 2 1 所 测试 的试 验 结果 所测试的试验结果， 如表4所赤。 2 2直观 分析 由直观分析计算表 4 分析得知， 因子A的一水平最好， 其电 通量值最小。 同理， 因子 B的三水平和因子 C的二水平最好。 由 此得知， 使电通量指标达到最小的条件为 A1 B 3 C 3 ， 即胶凝材料 量为 3 5 0 k g ， 掺合料掺比达 6 0 ， 粉煤灰占掺合料掺比为 5 0 表 4 试验结果 时， 混凝土的电通量值达到最优。 而从表 1 则可看到， 即使采用 了大量的水泥， 尤其是没有或少量掺合料的配合比， 其电通量 值也是很大的。 粉煤灰和矿渣粉的掺人能有效降低混凝土的电 通量值， 提高混凝土的耐久性 ， 这是由于粉煤灰与矿渣粉的火 山灰效应及微集料充填效应得以发挥， 使得混凝土更密实【 。 2 3方差分析 通过方差分析计算， 得出表 5的方差分析结果表， 由此得 知， 3 个因子在显著性水平 O 1 0和 0 0 5上都是不显著的， 但是因 子 B的影响程度最大。 为了进一步证实因子对指标的影响， 我 们再次通过对因子贡献率的计算进行分析。 表 5 方差分析结果表 表 6为因子与误差的贡献率结果表， 从中可以得知， 因子 B对指标的影响程度最大， 它的水平变化引起的数据波动在总 的离差平方和中占了4 2 1 4 o, o ， 因子 A的水平变化引起的数据波 动与误差引起的数据波动的相当， 而因子 C的水平变化引起的 数据波动远不及误差引起的数据波动的贡献大， 所以因子 C可 以认 为不重要 。 表 6 因子与误差 的贡献率结果表 通过上述多种方法的综合分析， 不难看出对混凝土电通量 的影响显著程度依次为掺合料总掺比、 胶凝材料总量和掺合料 之间的掺比。 由于胶凝材料中水泥用量低于 4 0 时， 将影响混凝 土的抗碳化性能4 1 。 结合本次试验结果， 表明 6 0 的掺合料总掺 比和5 0 的粉煤灰占掺合料的掺比将是配制低电通量的高性能 混凝土的最佳选择。 为了确保该工程的混凝土质量， 重新按照试 表 7优化配合 比及混凝土指标测试 结果 1 0 2 下转第 1 1 0页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 掺量 图 5改性前后减水剂不同掺量时的泌水率 普通氨基磺酸系高效减水剂与棉籽粕黑液物理复配( AS H Y) 的混凝土性 能对 比见表 1 。 由表 1 可见 ， 氨基磺酸系减水剂在掺量为 O 5 时， 减水率 即可达到 2 4 以上， 基本与 F D N在 0 7 5 掺量时相当， 改性后 的 A S M减水率略低于改l生 前； 在强度方面， 掺 A S AS M、 与 F DN 的混凝土较为接近， 而AS H Y的强度则低于前三者， AS M与 A S 相比则同掺量下强度略有下降， 这可能与掺 A S M后混凝土的 含气量略有增大有关。 A S M 的混凝土性能均远优于 AS H Y， 这也说明甲醛与棉籽粕黑液中的某些组分确实进行了共聚反 应 ， 形成 了新的分子结构 。 表 1 对混凝士性能 的影响 3 结 论 物棉籽粕黑液， 在性能、 价格、 环保以及发展前景方面存在优势。 ( 1 ) 使用棉籽粕黑液对传统氨基磺酸系高效减水剂进行了 改性， 反应中棉籽粕黑液用量 、 甲醛用量及反应时间等工艺参 数对改性减水剂分散性能有影响。 改性氨基磺酸系高效减水剂 的较佳的改性工艺条件为： n ( 对氨基苯磺酸钠) ： n ( 苯酚) ： n ( 甲 醛) = 1 ： 2 ：5 5 ， 棉籽粕黑液质量占对氨基苯磺酸钠与苯酚总质量百 分数的 1 0 ， 反应时间 5 h ， 反应p H值 9 ， 反应温度 9 0左右。 ( 2 ) 通过流动度性能测试比较， 在相同掺量下 ， 棉籽粕黑液 改性氨基磺酸系减水剂的分散性能与传统氨基磺酸系高效减水 剂的分散性能比较接近， 但流动度损失增大。 但前者大大改善了 氨基磺酸系高效减水剂容易泌水的固有缺陷， 且应用了工业废弃 上接第 1 O 2页 验结论进行了配合比的调整，调整后的配合比及配制的混凝土 各顼生能见表 7 。 从表 7 可以看出，该配合比的混凝土拌合物性 能完全满足水下灌注桩的要求， 设计强度超过水下桩 1 5倍的要 求， 其电通量为 6 4 2 C， 符合该工程高性能混凝土的技术要求。 3结 论 通过正交设计试验分析表明： 降低混凝土电通量的有效途 径就是在混凝土中掺人大量的掺合料， 试验结果趋势显示掺合 料越多，其混凝土电通量值越小。 当掺合料掺加比例不超过 6 0 时， 不会影响混凝土的抗碳化性能 ， 对混凝土的耐久性有极大 的改善 。 上接第 1 O 7页 时含泥量为 0 、 6 、 1 2 、 1 8 g的流动度分别为 2 6 0 、 2 3 0 、 2 0 0 、 l 8 0 、 3 0 mi n后的流动度分别为 2 2 0 、 1 9 0 、 1 7 0 、 1 0 0 r n I n 。 ( 2 ) 脂肪族减水剂与萘系减水剂复配 ， 随着含泥量的增加， 水泥净浆流动度逐渐减小 ， 随着泥浆解析剂掺量的增加， 水泥 净浆流动度逐渐降低， 保塑性逐渐降低。 参考文献 ： 1 】王玲， 田培 ， 白杰， 等 我国混凝土减水剂的现状及未来【 J J 混凝土与 水泥制品， 2 0 0 8 ( 5 ) ： 2 - 6 2 】 房满满， 西晓林， 林东 ， 等 聚羧酸系高效减水剂的研究现状和应用 l1 0 参考文献 ： 1 】杨健 ， 王士芬 棉浆粕稀黑液处理试验研究【 J 】 l 环境工程 ， 1 9 9 9 ， 1 7 ( 6 ) ： 6 1 6 4 2 陈国新， 祝烨然， 黄国泓， 等不同方法改性氨基磺酸系高效减水剂 的研究 J 新型建筑材料 ， 2 0 0 7 ( 5 ) ： 3 1 3 3 3 1 陈国新， 祝烨然， 黄国泓， 等氨基磺酸系高效减水剂的合成及微观 分析f J 1 混凝土 ， 2 o o 7 ( 1 1 ) ： 8 5 8 8 作者简介 联系地址 联系电话 陈国新( 1 9 7 2 一 ) ， 男， 博士生， 高级工程师， 主要从事水工混 凝土及外加剂的研究开发。 江苏省南京市虎踞关 3 4 号( 2 1 0 0 2 4 ) 1 3 8 51 7 9 2 5 0 9 参考文献 ： 1 H 索默离曲 的耐 性 M 冯乃谦， 等泽北京： 科学 撕 ， 1 9 9 8 2 迟培云， 何朋祥高性能海工混凝土的氯离子渗透性研究【 J 1 _ 混凝土， 2 01 1 ( 4) ： 1 7 -1 9 3 L I J Y， T I A N P E fi e e t o f s l a g a n d s i l i c a f u m e o n m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e J C e m C o n c r R e s ， 1 9 9 7 ( 6 ) ： 8 3 3 8 3 7 4 1 Y AN G J i n b o ， YA N P e i y u Mo d i f i c a t i o n o f t e s t p r o c e s s o f P E R MI T o n mi g r a t i o n t e s t a n d i t s a p p l i c a t i o n t o d e t e r mi n a t e e f f e c t o f me t ho d t o m p r o v e c h l o r i d e p e n e t r a t i o n r e s i s t a n c e o f c o v e r c o n c r e t e 硼 J o u r n a l c l a d v a n c e d C o n c r e t e T e c h n o l o g y ， 2 0 0 9 ( 3 ) ： 3 8 5 3 9 1 作者简介： 徐长伟( 1 9 7 2 一 ) ， 男， 副教授， 研究方向： 生态建筑材料。 联系地址： 沈阳市浑南新区浑南东路 9 号 材料学院( 1 1 0 1 6 8 ) 联 系电话 ： 1 3 8 4 0 2 9 6 6 0 2 前景 J 1 材料导报， 2 0 0 8 ， 2 2 ( 3 ) ： 7 6 7 9 3 O U Y AN G Xi n p i n g ， Q I U X u e - q i n ， e t a 1 P h y s i c 0 c h e m i c a l c h a r a c t e r i z a t i o n o f c a l e i u ml i g n o s u l f o n a t e A p o t e n t i a l l y u s e f u l w a t e r r e d u c e r J C o l l o i d s a n d S u r f a c e s A： P h y s i c o e h e mE n g 2 0 0 6 ( 2 8 2 2 8 3 ) ： 4 8 9 4 9 7 4 张长松 ， 路有昌， 牛永生， 等萘磺酸系减水剂的改JJ生 研究【 J I 江苏化 工 。 2 0 0 8 ， 3 6 ( 1 ) ： 3 2 3 8 作者简介： 王志林( 1 9 6 2 一 ) ， 男。 联系地址： 河北省唐山市河北路副 1 3 号 唐山学院东校区( 0 6 3 0 2 0 ) 联 系电话 ： 1 8 6 3 2 5 5 2 3 3 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m