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2 0 1 4 年 1 0 月第 l O 期 城 市道桥 与防洪 科技研究1 7 3 影响混凝土收缩性能因素的正交实验优化设计 黄 小涛 ( 甘肃工业职业技术学院 ， 甘肃天水 7 4 0 2 5 ) 摘 要： 为研究混凝土收缩性能， 以单因素水平筛选实验为参考， 建立L ( 3 4 ) I交正交实验模型， 运用 s P s s 1 8 ． 0 软件对其结果进行差 异显著性分析。结果表明， 影响混凝土收缩性能的因素主次关系为： 水泥用量 > 水灰比>龄期 >含气量 >粉煤灰掺量 >矿渣粉掺量。 混凝土收缩最佳条件为： 水泥用量为4 0 0 k g ／ m 3 、 水灰 比为 0 ． 4 5 、 龄期为 4 5 d 、 含气量为 6 ％、 粉煤灰掺量为 5 ％、 矿渣粉掺量为 3 0 ％， 在 此条件下 。 混凝土的收缩量为 2 8 1 1 0 r 6 。通过实验 ， 为混凝土性能的提升和改进提供一定的参考依据。 关键词： 正交实验 ； 混凝土； 收缩性能； 条件 中图分 类号 ： T U 5 0 2 文献标识码 ： A 文章编号 ：1 o 0 9 — 7 7 1 6 ( 2 0 1 4 ) 1 0 — 0 1 7 3 — 0 5 0 前言 混凝 土做为 当今土木工程 中用量最 大的建筑 材料 ，其各 种性 能也 随着相应 的科学研究得 到了 极大的提高 ，各种外加剂 和矿物掺合料 的广泛应 用， 使得混凝土的性能得到了很大提升fl1。但是， 不 论是普通混凝土， 还是高性能混凝土， 开裂问题始 终 困扰着工程界 ， 成为亟需解决的一大难题 。混凝 土裂缝的形 成原因 ， 主要有收缩 、 冻胀 、 化学侵蚀 、 钢筋锈蚀 、 碱骨料反应及荷载作用等 。随着混凝土 技术的不断提高， 对于由冻胀、 化学侵蚀 、 钢筋锈 蚀 、碱骨料反应及荷载作 用等裂缝 的防治技术 日 渐成熟 ，但对于 由收缩引起 的混凝土裂 缝的防治 仍需要进一步 的深入研究。大量研究表明 ， 8 o ％q ~ 荷载裂缝是 由收缩造成的 ，可见收缩是混凝土开 裂 的最主要 因素【 。 混凝土 收缩主要包括化学收缩 、 塑性收缩 、 自 收缩 、 干燥收缩和温度收缩等 。化学收缩又称水化 收缩 ，是 由水泥水化和凝结硬化而产生 的 自身体 积缩减 引起 的。塑性收缩发生在硬化前 的塑性 阶 段 ， 当混凝土中的水分蒸发速度超过泌水速度时， 就会引起塑性收缩【 。自收缩主要是 由于随着水化 的进 行 ， 毛细孔 中的水逐渐减 少 ， 形成 弯月面 ， 引 起 毛细压力 ， 导致收 缩 。干燥 收缩指 的是混凝土 停止养护后 ， 在不饱和的空气中失去内部毛细孔 水 、 凝胶孔水及吸附水而发生的长度或体积的减 少 】 。温度收缩 主要是指混凝土 内部温度 由于水 泥水化反应而升高 ，最后又冷却到环境温度时产 生的收缩。 收稿 日期 ： 2 0 1 4 一 o 6 一 o 9 基金项目： 2 0 1 3 年甘肃省科技计划资助项 目( 1 3 0 8 ~Z E 3 0 5 ) 作者 简介 ： 黄小涛 ( 1 9 7 6 一) ， 男 ， 甘肃 天水人 ， 副教授 ， 从 事建 筑设 计及建 筑材料 等教 学与研 究工作 。 本研究为考察探究混凝土收缩最佳条件 ， 以混 凝土的收缩量为考察指标 ，首先选择龄期 、水灰 比、 水泥用量 、 含气量 、 粉煤 灰掺量 和矿渣粉掺量 等 6个影 响因素进行单 因素轮换实验 ；在单 因素 筛选实验 的基础上 ， 选 出 4个主要 的影响 因素 ， 进 行正交实验设计 ，用以研究混凝土的最佳收缩条 件。以期为工程工作者提供一定的数据参考。 1 方 法 采用 1 0 0 m m1 0 0 m m5 1 5 m m 的棱柱体 试 件模型， 试件预埋检测头。混凝土试件成型后带模 养护 1 d ， 拆模 后送标 准养护室养 护 ， 至 3 d龄 期 时从标准养护室取 出测量。测量室为恒温恒湿室 ， 温度为 2 02 ℃、 湿度为 6 05 ％， 测定混凝土试件 的初始长度， 此后按 7 d的时间间隔测量试件变形 读数， 计算混凝土试件的收缩率， 混凝土试件收缩 率 的计算公式为 ： 8 = 。 一 ￡ Z b ( 1 ) 式 中： 。 ——混凝土收缩率 ； ￡ 一 试件长度 的初始读数 ； 广一试件在 t 时测得的长度读数 ； 厶 _ 一试件的测量标距 。 1 ． 1 混凝土龄期对收缩性能的影响 为考察混凝 土的龄期对混凝土收缩性能 的影 响， 以及为实验的进行选择最佳的龄期 ， 先将考察 的影响混凝土收缩性能的5个因素固定， 分别是： 水灰 比 0 ． 4 0 、 水泥用量 4 0 0 k g ／ m 、 含气量 7 ． 5 ％、 粉 煤灰掺量 2 0 ％、 矿渣粉掺量 1 5 ％。以收缩率为测定 指标 ， 考察龄期对混凝土收缩性能 的影响 ， 以及为 后面的实验确定龄期。 1 ． 2 单 因素实验 选取水灰比、 水泥用量、 含气量、 粉煤灰掺量、 矿渣粉掺量等 5 个单因素进行测定， 以确定其对混 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 7 4 科技研究 城 市道桥与 防洪 2 0 1 4 年 l 0 月第 1 0 期 凝土收缩性能的影响。 首先水泥用量为 4 0 0 k g ／ m 。 、 含气量 为 7 ． 5 ％、 粉煤灰 掺量为 2 0 ％、 矿 渣粉 掺量 为 1 5 ％， 考察水灰 比为 0 ． 3 0 、 0 ． 3 5 、 0 ． 4 0 、 0 ． 4 5 、 0 ． 5 0 、 0 ． 5 5时对混凝土收缩性能的影响。然后将最佳的 水灰 比固定 ，依 次选取考察水泥用量为 3 2 0 、 3 6 0 、 4 0 0 、 4 4 0 、 4 8 0 k g ／ m 3 ，含 气 量 为 2 ． 5 、 5 ． 0 、 7 ． 5 、 1 0 ． 0 、 1 2 ．5 ％， 粉煤灰掺量为 0 、 1 0 、 2 0 、 3 0 、 4 0 ％， 矿渣粉掺 量为 0 、 1 5 、 1 5 、 3 0 、 4 5 ％时对 混凝 土收缩 性能 的影 响。将每次优选后的最佳条件 固定 ， 再逐次筛选其 余最佳条件， 直至结束 Ⅻ 。 1 ． 3 正 交 实 验 单因素实验只是考察单一变量对混凝土收缩 性能 的影 响 ， 实验数 据分布不 均匀 ， 代表性 不强 ， 并且实验的次数较多， 工作量大， 不经济 ； 如果使 用正交实验设计 ， 可以减少的实验次数 ， 综合考虑 多个 多个 因素 ，达 到较全面地反映各 因素水平 的 效果。因此本研究根据混凝土龄期对收缩性能影 响的考察结果和单因素实验分析结果 ，优选 4 个 因 素 ， 按 照 L ( 3 4 ) 正交 表 进 行 正交 实 验 ， 用 S P S S 1 8 ．0软件对其结果进行统计学比较分析 ，得出影 响混凝土收缩性能 的最佳收缩条件【 l 1 ] 。 2 结果与分析 2 ． 1 混凝土龄期对收缩性能影响的考察结果 为 考 察 混凝 土 龄期 对 收缩 性 能 的影 响 ， 固 定 其 它 因素 的值 ，水灰 比为 0 ． 4 0 、水 泥用 量 为 4 2 0 k g ／ m 、 含气量为 7 ．5 ％、 粉煤灰掺量为 5 ％、 矿 渣粉掺量为 1 5 ％， 实验考察结果见图 1 ， 其中实线 表示测定值的趋势线， 虚线表示模拟值得趋势线。 3 5 0 3 0 0 2 5 0 曼2 0 0 褂 好1 5 0 1 O 0 5 0 0 图 1 混凝土龄期对收缩性能的影响 根据实验结果 ， 结合图 1 可知， 混凝土的收缩 率随着龄期的增大总体上呈现增大趋势 ，但是当 龄期大于 4 5 d 后， 收缩率虽然增大， 但增大的幅度 比较小，这中增大在我们的实验研究中是没有实 际意义的， 但在实际的施工之中存在很大的意义 ， 因此基于实验的需求 ， 在实验研究过程 中 ， 将龄期 确定为 4 5 d ， 以便于实验研究 ， 以及在后续 的实验 中对龄期和其他因素的综合考察。 2 ． 2 单因素实验结果 2 ． 2 ． 1 水灰 比对混凝土收缩性能的影响 根 据混 凝 土龄期 对 收 缩性 能 影 响 的考察 结 果， 在考察水灰比对混凝土收缩性能的影响时， 将 混凝土的龄期确定为 4 5 d ， 考察结果见图 2 ， 其 中 实线表示测定值的趋势线 ，虚线表示模拟值得趋 势线 。 水灰比 图 2 水灰 比对 混凝土收缩 性能的影响 从 图 2可 以看 出 ，对 于 不 同水 灰 比的混 凝 土， 收缩率随着水灰 比的增大而增大， 当水灰 比 小于 0 ． 4 5 时， 混凝土的收缩率随着水灰 比的增大 而呈现单向的增大 ； 当水灰比大于 O ． 4 5时 ， 混凝 土的收缩率随着水灰 比的增大而有所下降， 但收 缩率要 比低水灰 比时 的收缩率大 。水灰 比是影响 混凝 土 收缩 的重要 因素 之一 ，高 水 灰 比的混 凝 土 ， 收缩方 式 主要是 干燥 收缩 和化 学收 缩 ； 低 水 灰比的混凝土 ， 主要的收缩方式是 自收缩 、 干燥 收缩和化学收缩。若 当水泥用量固定时， 化学收 缩 的程度 则相对 比较 固定 ， 而 干燥 收缩会 随着水 灰 比的增 大而 增大 ； 在龄 期 固定 时 ， 混 凝土 的 自 收缩同样比较固定 ， 但仍然是进行的。根据拟合 曲线和实测值 ， 最终确定 ， 龄期为 4 5 d 时水灰比 以 0 ． 4 5为最佳 ， 在此条件下 的混凝 土的收缩性 能 达到最佳 。 2 ． 2 ． 2 水泥用量对混凝 土收缩性能的影响 根据混凝土龄期对收缩性能影响的考察结果 和水 灰 比对混凝 土收缩 性能 的影 响的考察结果 ， 在考 察水泥 用量对混凝 土收缩性能 的影响 时 ， 将 混凝土 的龄期确定为 4 5 d ， 水灰 比为 0 ． 4 5 ， 考察结 果见图 3 ， 其中实线表示测定值的趋势线， 虚线表 示模拟值得趋势线。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4 年 l 0 月第 l 0 期 城 市道桥与 防洪 科技研究 1 7 5 3 2 0 3 0 0 2 8 0 2 6 o b 2 4 0 婪 2 2 0 2 0 0 1 8 0 l 6 0 l 柏 2 8 0 3 2 0 3 6 0 4 0 O 41 0 48 0 5 2 0 水泥用量／ ％ 图 3 水泥用量对 混凝土 收缩性能 的影响 根据图 3的实测值和拟合 曲线不难看出， 混 凝 土 的收缩 率 总体 上 随着水 泥用 量 的增 大 而增 大 。当水泥用量小 于 4 0 0 k g ／ m 时 ， 混凝土 的收缩 率 随水泥用量 的增大而急剧增大 ，但 当水泥用量 大于 4 0 0 k 咖 时 ， 混凝 土 的收缩率随水泥用量 的 增大同样是呈现增大趋势， 但增大幅度很小。混凝 土的水泥用量是影响其收缩的又一重要因素 ， 水 泥用量的增大 ，混凝土的其水化引起的化学收缩 会增大 ，同时由于毛细孔失水而引起 的 自收缩 和 温度收缩也会增大 。在实验 中， 当混凝土的水泥用 量大于 4 0 0 k 咖 时， 收缩量同样在增大， 增大幅 度 比较小 ， 此外考虑到经济性 的因素 ， 认 为水泥用 量 为 4 0 0 k g ， m 是龄期为 4 5 d时的最佳水泥用量 。 2 - 2 ． 3 含气量对混凝 土收缩性能 的影响 根据混凝土龄期对 收缩性能影响的考察结 果 ， 在考察含气量对混凝土 收缩性能 的影 响时 ， 将 混凝土的龄期确定为 4 5 d ；此外根据前面的水灰 比和水泥用 量的考察 实验 ， 将水灰 比定为 0 ． 4 5 ， 水 泥用量 为 4 0 0 k 咖 。关于含气量 的考察结果见 图 4 ， 其 中实线表示 测定值 的趋势线 ， 虚线表示 模拟 值得趋势线。 3 0 0 2 帅 2 6 0 2 4 O 2 懈2 2 0 姆 2 0 0 l 8 0 J 6 O 1 加 00 1 0 2 ． 0 3 0 4 ． 0 5 ． 0 60 7 ． 0 80 90 1 00 1 1 ． 0 1 2 ． 0 1 3 0 含气量 ／％ 图 4 含气量对混凝土收缩性能的影响 从 实验 结果 和对实验 数据 的拟合 可 以看 出 ， 混凝土的收缩率随着含气量的增大呈现先增大后 见效的趋势 。当混凝 土的含气量在 6 ． 0 ％ 以下时 ， 随着混凝土含气量的增大，混凝土的收缩率迅速 增大 ； 但 当混凝 土含气量继续增大时 ， 混凝土的收 缩率 出现下降的趋势。这表明混凝 土的水泥用量 是影响其收缩的又一重要因素， 水泥用量的增大， 混凝土的其水化引起的化学收缩会增大，同时由 于毛细孔失水而引起 的 自收缩和温度收缩也会增 大。根据实验结果可知 ， 混凝 土的含气量宜控制在 小 于 7 ． 0 ％ ， 含气量 为 6 ． 0 ％是龄期 为 4 5 d 、 将水灰 比定 为 0 ． 4 5 、 水 泥用量 为 4 0 0 k 咖 时 的最佳含气 量 。 2 ． 2 ． 4 粉煤灰掺量对混凝土收缩性能的影响 根 据 混凝 土 龄期 对 收 缩性 能 影 响 的考察 结 果， 在考察粉煤灰掺量对混凝土收缩性能的影响 时 ， 将混凝土的龄期确定为 4 5 d ； 此外根据前面 的水 灰 比 、 水 泥用量 和 含气 量 的考察 实验 ， 将水 灰 比定 为 O ． 4 5 ， 水泥 用量 为 4 0 0 k ， ， 含 气量 定 为 6 ． 0 ％。粉煤灰掺量 的考察 结果见 图 5 ， 其 中实 线表示测定值的趋势线 ， 虚线表示模拟值得趋势 线 。 3 0 0 2 8 0 2 6 0 2 4 0 2 2 0 瓣 2 0 0 1 8 0 1 6 O l 4 o 0 5 1 0 1 5 20 2 5 3 0 35 4 O 4 5 粉煤灰掺量 图 5 粉 煤灰掺量 对混凝土 收缩性能 的影响 从 实验 结果 和对实验 数据 的拟合可 以看 出 ， 随着混凝土中粉煤灰掺量的增多 ， 混凝土收缩率 总体呈减小 的趋势 ，混凝 土中掺人粉煤 灰后 ， 一 方面 由于其 水化 非常缓慢 ， 另 一方面 降低 了混凝 土 中的水 泥用量 ，减少 了混凝 土 的化学 收缩 ， 并 进一步降低了混凝土的自收缩， 从而降低了混凝 土的收缩率。考虑到经济因素等其他因素 ， 认为 5 ％是可 以考虑 的混凝土 中粉煤灰 的掺量 。 2 ． 2 ． 5 矿渣粉掺量对混凝土收缩性能的影响 根据混凝土龄期对 收缩性能影响的考察结 果，在考察矿渣粉掺量对混凝土收缩性能的影响 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 7 6 科技研究 城 市道桥 与防洪 2 0 1 4 年 1 0 月第 1 0 期 时， 将混凝土的龄期确定为 4 5 d ； 此外根据前面的 水灰 比、 水泥用量和含气量的考察实验 ， 将水灰 比 定 为 0 ． 4 5 ，水 泥用 量 为 4 0 0 k g ／ m ，含 气量 定 为 6 ．0 ％。粉煤灰掺量为 5 ％， 矿渣粉掺量的考察结果 见图 6 ， 其中实线表示测定值的趋势线， 虚线表示 模拟值得趋势线。 3 0 0 2 8 0 2 6 0 2 4 0 2 2 0 蜚} 2 o o 1 8 0 l 6 0 1 4 0 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 O 3 5 4 0 4 5 5 O 5 5 6 0 矿渣粉掺量／ ％ 图 6 矿渣粉掺量对混凝土收缩性能的影响 从实验结果和对实验数据的拟合可以看出， 随着混凝土中矿渣粉掺量的增多 ，混凝土收缩率 总体呈增大 的趋势 ； 但这种增大 的趋势缓慢 ， 这表 明矿渣粉掺量对混凝土的收缩影响较小 ，可认为 对混凝土的收缩 I生能来说是不显著的影响。 这是 由于矿渣粉颗粒较水 泥更 细 ，掺入水 泥 中 ， 一方 面可消耗水泥水化产物的 C a ( O H ) ， 在碱性 物质激发作用下发挥其潜在的胶凝活性 ，进一步 降低混凝土的孑 L 隙率， 增加混凝土的密实度， 另一 方 面其密实填充效应和水化作用细化 了混凝 土中 的毛细孔径 ， 使得混凝土 自收缩更容易发生 。根据 实 际 的需求 可认 为 3 0 ％龄期 为 4 5 d 、水灰 比为 0 ． 4 5 、 水泥用量为 4 0 0 k g ／ m 、 粉煤灰的掺量为 5 ％ 时的最佳矿渣粉掺量 。 2 ． 3 正交实验结果 根据混凝 土龄期对 收缩性 能影 响的考察 结果 和单因素实验结果 ， 选择龄期 、 水灰比、 水泥用量 和含气量 4 个因素，做为影响混凝土收缩性能的 主要考察因素， 按照 L 9 ( 3 4 ) J E 交表进行正交实验 ， 用 S P S S 1 8 ． 0软件对其结果进行统计学 比较分析， 得 出各 因素综合影响混凝土收缩性 能的最佳收缩条 件。 在此实验中， 选择粉煤灰的掺量为 5 ％， 矿渣粉 掺量为 3 0 ％， 见表 1 、 表 2 。 由表 2可 知 ， 1 2 > 1 3 > I ~ ， 1 2 > X 1 > 1 3 ， I 2 > I 3 > I ~ ， I 2 > 1 3 > 1 1 ， 即表明影响混凝土收缩性能的最佳收缩条件是 ： 表 1 实验 因素水平表 因素 收缩率 实验号 —— ———— —— — ———一 D I 1 ． u - A B C 龄期为 4 5 d 、 水灰 比为 0 ． 4 5 、 水泥用量为4 0 0 k g ／ m 。 、 含气量为 6 ％； 并且龄期、 水灰比、 水泥用量和粉煤 灰的掺量 4 个影响因素对混凝土收缩性能的影响 呈显著作用； 但因素的影响主次有所差异， 结合单 因素实验结果和表 2可知， R > R A > R 。 ，这表明 几个影 响混凝土 收缩 性能 的因素主次关 系为 ： 水 泥用量 >水灰比 > 龄期 >含气量 > 粉煤灰掺量 > 矿渣粉掺量。综合分析可得混凝土收缩最佳条件 为 ： 水泥用 量为 4 0 0 k g ／ m 、 水灰 比为 0 ． 4 5 、 龄期 为 4 5 d 、 含气 量为 6 ％、 粉煤灰 掺量为 5 ％、 矿渣粉掺 量为 3 0 ％， 在此条件 下 ， 混凝 土的收缩量为 2 8 1 1 O _ 6 3 结论 根据实验结果可知 ，水灰 比是影 响混凝 土收 缩的重要因素之一 ， 高水灰比的混凝土， 收缩方式 主要是干燥收缩和化 学收缩 ； 低水灰 比的混凝 土 ， 主要的收缩方式是 自收缩、 干燥收缩和化学收缩。 若当水泥用量固定时，化学收缩的程度则相对 比 较 固定 ， 而干燥 收缩会 随着水灰 比的增大而增 大 ； 在龄期 固定时 ， 混凝土 的 自收缩 同样 比较固定 ， 但 仍然是进行的【l2 ]。 混凝土的水泥用量是影响其收缩 的又一重要因素， 水泥用量的增大 ， 混凝土的其水 化引起的化学收缩会增大，同时由于毛细孔失水 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4 年 1 O月第 1 O 期 城 市道桥 与防洪 科技研究1 7 7 而引起的自收缩和温度收缩也会增大。混凝土的 水 泥用量是影 响其 收缩 的又一重要 因素 ，水泥用 量的增大，混凝土的其水化引起的化学收缩会增 大 ，同时 由于毛细孔失水而引起 的 自收缩 和温度 收缩也会增大[ 13--15 1。混凝土中粉煤灰掺量的增多， 混凝土收缩率总体呈减小的趋势 ，混凝土中掺人 粉煤灰后， 一方面由于其水化非常缓慢， 另一方面 降低 了混凝土 中的水 泥用量 ，减少 了混凝 土的化 学收缩 ， 并进一步 降低 了混凝土 的 自收缩 ， 从 而降 低了混凝土的收缩率 1 。 考虑到经济因素等其他因素， 认为 5 ％是可以 考虑 的混凝土 中粉煤灰的掺量 。矿渣 粉颗粒较水 泥更细 ， 掺人水泥中， 一方面可消耗水泥水化产物 的 C a ( O H ) ， 在碱性物质激发作用下发挥其潜在的 胶凝活性 ， 进一步降低混凝土的孔隙率 ， 增加混凝 土的密实度 ，另一方面其密实填充效应和水化作 用细化了混凝土中的毛细孔径 ，使得混凝土 自收 缩更容易发生 。经综合分析得 出混凝 土收缩最佳 条件 为 ： 水泥用量为 4 0 0 k g ／ m 、 水灰 比为 0 ． 4 5 、 龄 期为 4 5 d 、 含气量为 6 ％、 粉煤灰掺量为 5 ％、 矿渣 粉掺量 为 3 0 ％，在此条件下 ，混凝 土的收缩量为 2 8 1 1 0 。通过实验分析 ， 为今后混凝土工艺的优 化与改进提供 了一定的理论参考 。 参 考文献 【 l 】 王健， 巩玉霞． 水泥混凝土收缩影响因素分析嘲[ J 】 ． 山西建筑 2 0 0 9 ( 5 ) ： 1 5 3 - 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