严寒地区明渠混凝土的性能研究.pdf

2 0 1 2年第 8期 8月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA CONCRETE AND CEMENT P RODUC 2 01 2 No 8 Au g u s t 严寒地区明渠混凝土的性能研究 田金 亮 ， 牛建刚 ， 徐燕 ( 1 内蒙古科技大学 ， 包头 0 1 4 0 1 0 ； 2 包头市水文勘测局 ， 0 1 4 0 3 0 ) 摘 要 ： 针 对 内蒙古地 区气候特 点 ， 用复合水 泥取代普通 硅酸盐 水泥 ， 并在混凝 土 中掺入 复合 纤维、 级 粉煤 灰 、 萘 系高效减水 剂， 采用正交设计的方法优化 了明渠混凝 土的配合 比， 定性分析 了试 验 中几种 因素对混凝土 强度 的 影响 程 度 和 作 用 机 理 。 关键词 ： 明渠抗冻防渗； 混凝土强度 ； 复合纤维 ； 掺合料 ； 配合比设计 Ab s t r a c t ：Ac c o r d i n g t o t h e r e g i o n c l i ma t e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e I n n e r Mo n g o l ，t h e c o mp o u n d c e me n t i s u s e d t o r e p l a c e t h e o r d i n a r y s i l i c a t e c e me n t ，a n d t h e c o mp o u n d fi b e r ，g r a d e fl y a s h ，h i g h- e f fi c i e n t wa t e r r e d u c i n g a g e n t o f n a p h t h a l e n e s e r i e s a r e mi x e d i n t o t h e c o n c r e t e ，a n d t h e o r t h o g o n a l d e s i g n me t h o d i s a d o p t e d t o o p t i mi z e t h e mi x r a t i o o f t h e o p e n c h a n n e l c o n c r e t e T h e i n fl u e n c e d e g r e e a n d f u n c t i o n me c h a n i s m o f s e v e r a l f a c t 0 r s i n t h e t e s t o n t h e c o n c r e t e s t r e n gth a r e q u a l i t a t i v e l y a n a l y z e d Ke y wo r d s ：An t i f r e e z i n g a n d s e e p a g e o f o p e n c h a n n e l ； C o n c r e t e s t r e n g t h ； C o mp o u n d fi b e r ；Ad mi x t u r e s ；Mi x p r o p o r t i o n d e s i g n 中图分类号 ： T U 5 2 8 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 2 ) 0 8 - 4 0 - 0 3 0前言 可持续发展是各行各业发展的主导方 向， 农业 发展亦不例外 。在我 国西部干旱和半干旱地区 ， 修 建农村节水灌溉工程非常必要 ， 大量的渠道水利工 程需要修建口 】 ， 而渠道抗冻防渗工程技术是节水灌 溉各个环节 中的重要一环。此外 ， 在我国已建的渠 道工程中 8 0 以上没有防渗要求 ， 这不仅降低 了工 程 的效益 ， 而且还使混凝土 的耐久性降低 ， 从而影 响了工程的使用寿命 ， 急需进行维修 。因此， 研究农 村水利工程 中渠道 的抗 冻防渗性能有着非常重要 的意 义 。 混 凝 土 的裂 缝 问题 是 影 响混 凝 土 耐 久 性 的最 直接因素 ， 有资料 表明2 - 3 ， 在混凝土 中掺适量的聚 丙烯 纤维 ， 可 以减 少 混凝 土 的塑 性 收 缩 裂 缝 ， 显著 改善混凝土的抗裂性能 ， 但这种合成纤维在我国的 应用 的时间还较短 ， 尤其在农村灌溉渠道上 的应用 还远不够成熟 ， 且没有一定的规 范作 为依据 ， 具体 应用 问题尚待进一步研究 。同时 ， 混凝土的强度和 混凝土的耐久性虽有直接的联系 ， 但单纯通过提高 混凝土的强度来提高混凝土的耐久性也是不科学 、 不经济的。在混凝土强度不变或稍有提 高的前题 下 ， 优化混凝土 的耐久性指标才是更经济合理的研 究 目标 。 基金项 目： 国家 自然科学基金 项 目( 5 0 9 0 8 1 1 2 ) 。 4 0 粉煤灰是绿色高性 能混凝土的重要组成材料 ， 内蒙古 自治区的煤碳资源非常丰富 ， 大型火力发电 厂和重工业集 团非常之多 ， 这些企业为粉煤灰的产 量和质量提供了可靠 的保障。内蒙古 自治区既属于 西部严寒地区 ， 又属 于干旱半干旱地 区， 研究 该地 区农业灌溉明渠混凝土的性能和应用极其必要 ， 对 该 地 区的农业 发展 有很 重要 的意 义 。 1 试 验与数 据 分析 影响? 昆 凝土强度和耐久性的因素很多 ， 其中水 灰 比的影响很大 ， 由于明渠混凝 土的坍落度不能太 大， 故本文试验用水灰 比取值均 比较小 。此外 ， 结合 内蒙古地区特点 ， 用蒙西复合水泥取代普通硅酸盐 水泥 ， 并在混凝土中掺加了聚丙烯纤维 、 级粉煤 灰 和萘 系高效减水剂 ， 同时 ， 采用 正交设计方 法 ， 优化混凝土的配合 比。 1 1 正交试验极差分析 正交试验数据见表 1 ，其 中每组试件 的强度值 均由三组试件的平均值计算而得。从极差表中可以 看 出， 四因素在选定水平 范围内均能满足混凝土配 制强度 3 0 MP a的要求 。比较 9组试件 的强度值可 见， 第 7组最高 ， 强度可达 4 6 1 MP a ； 第 9组最低 ， 强 度 为 3 3 3 MP a 。强度最高的第 7组和强度次高的第 4组以及随后 的第 1 组 ， 它们 的水灰比最小( 0 3 7 ) ， 强度最低的第 9组 和强度次低 的第 3组 以及倒数 田金亮 ， 牛建刚， 徐燕 严寒地区明渠混凝土的性能研究 第三的第 6组 ， 水灰 比最大( 0 4 5 ) 。由此可见 ， 水灰 比是影响混凝土强度的关键因素。 此外 ， 表 1分别 给出了 4个 因素在 3个水平下 的强 度 之 和 I、 、 与极 差 R。 从 中可 知 ， 试 验 中影 响混凝土强度 的四个 因素 中极差 由大 到小的顺序 为 ： 水灰 比 粉煤灰 减水剂 纤维含量。水灰比 的极差最大 ， 粉煤灰量和减水剂量次之 ， 纤维含量 的极差最小 ， 相 比其它影 响因素不到 1 1 0 。在正交 设计中 ， 极差的大小可反映因素作用的大小 ， 因此 ， 罨 b 越 骥 4 0 3 5 3 O 2 5 2 0 1 5 1 0 0 5 0 0 水灰 比和粉煤灰掺量是影响 明渠混凝土强度 的主 要 因素 。 1 2 正交试验趋势图分析 在正交设计 中， 混凝土强度随着影 响因素 与位 级大小的不 同而不同， 其变化趋势见图 1 。 各影响因 素 中 ， 水灰 比取 0 3 7 ， 纤 维含 量取 0 9 k g m ， 粉煤灰 掺量为 1 5 ， 减水剂掺量为 0 2 时混凝土强度达到 最佳 。此外还可以看出 ， 纤维含量的大小对混凝土 强度的影响非常小 ， 水平的取舍完全可根据混凝土 O3 7 O4 0 0 45 水灰 比 皿 水 平1 之 和 06 09 1 2 1 0 l 5 2 0 0 1 5 0 2 O 0 2 5 纤维掺量 ( k g m ) 粉煤灰掺量 减水 剂掺量 水平2 之和 目 水 平3 之 和 图 1 因素一 强度趋 势图 抗冻耐久性 的好坏来确定。另外 ， 水灰 比越小 ， 越有 利于混凝 土强度的提高 ， 但水 灰 比不 能太 小 ， 否则 会影响施工进度和质量 ， 水灰 比的选取应与施工条 件相结合 。这样优化后的配合 比为 A = 随机 ， B = 随 机 ， C =1 5 ， D= 0 2 。 1 3 正交试验方差分析 因素 1 3 1 方差检验计算公式 检验值及离差平方和的计算见以下公式I 5 _ ： F一 生 埘一Q E I ( i x j - j x 2 一 1 ) 3 2 。 一 ( i 。 ) 一 41 2 0 1 2年第 8期 混凝土与水泥制品 总第 1 9 6期 Q = Q - Q A - Q z - Q c - - Q D Q = 毫 (撕) 1 3 2 显著性 的判 别 F n 0 5 F F n m ， 称因素影响显著 ， 标记为“ ； F o 。 F O 0 1 ， 称因素影响极显著 ， 标记为“ 木 ； 方差检验结果见表 2 。 表 2 方差检验 表【 分析表 2可知 ， 水灰 比对混凝土强度的影 响特 别显著 ， 粉煤灰的掺量和减水剂的掺量对混凝土强 度的影响也是显著 的， 而纤维 的掺量对混凝土强度 的影响不显著 。因此 ， 在选择 以混凝土强度设计为 主的配合 比方案时 ， 应重点考虑水灰比的大小以及 粉煤灰和减水剂的掺量 ， 至于纤维掺量 的多少可视 具体情况而定 ，这也和前面极差分析 的结果相 吻 合 。 表 3给出了几组优化后的混凝土配合 比。由表 3可以看出， 当水灰 比从 0 4增大到 0 4 5时 ， 混凝土 的强度值差别不是很大 ， 强度只下降了 6 8 ， 依然 超过设计值的 5 2 8 。 若从经济性和施工性来考虑 ， 可取水灰 比 0 4 5 。纤维掺量的变化对混凝土强度的 影响非常小 ， 当水灰比为 0 4时 ， 强度值仅下降 l ， 水灰 比为 0 4 5时 ， 下降 2 1 。综合考虑施工 、 混凝 土耐久性 、 经济性 等指标 ， 以耐久性为主要考虑因 素、 强度为辅助考虑 因素的优化后混凝土配合 比确 定 为 A 2 B 3 C 2 D 2 。 表 3 优化后的几组混凝土配合比 2 结语 在影 响混凝土强度 的四个 因素当中 ， 水灰比是 最为重要 的因素 ， 水灰 比的取值要综合施工情况和 经济条件来确定 。针对 内蒙古地 区的特点 ， 综合考 虑施工技术 、 经济性等指标 ， 明渠混凝土配合 比中 的三种外掺料中聚丙烯纤维和粉煤灰是提高混凝 土耐久性的理想选择 ， 但聚丙烯纤维对混凝土强度 的影响极小 ， 其掺量完全可由其对耐久性的影响程 度来确定 ； 粉煤灰和减水剂对混凝土强度的影响很 显著 ， 其掺量的大小应择 中考虑 。用于以耐久性设 计 为 主 的 明 渠 混 凝 土 的 优 化 配 合 比 方 案 为 A2 B3 C2 D2 参考文献 ： 1 】 田金亮 杜拉纤维混凝 土主要性能 的试验 研究 D 内蒙 一 42一 古农业大学硕 士学 位论 文， 2 0 0 6 2 刘卫东 ， 王依 民 聚丙烯纤维混凝土 的水工特性试 验研 究 【 J 】 混凝土与水泥制品 ， 2 0 0 4 ( I ) 【 3 】 姜景 ， 钱玉林 聚丙烯纤维混凝土阻裂机理探讨 J 】 吉林 水 利 ， 2 0 0 4 ( 3 ) ： 2 0 2 3 4 】牛建 刚 一般大 气环境多 因素作用混 凝土 中性化性能 研 究 D 西安建筑科技 大字博 士学位论文 ， 2 0 0 8 【 5 】 中国现场统计研究会 三次设计组 正交法和三次设 计【 M 北京： 科学 出版社， 1 9 8 5 收 稿 日期 ： 2 01 2 - 0 6 2 7 作者简介 ： 田金亮( 1 9 8 0 一 ) ， 男 ， 讲师 、 博士。 通讯地址 ： 内蒙古包头市昆区阿尔丁大街 7号 联系电话 ： 1 3 9 4 8 7 2 4 5 6 9 E - ma i l ： t j l4 3 4 9 4 8 1 2 6 c o rn