复合混凝土最优配合比设计及其抗冻性能研究

复合混凝土最优配合比及其抗冻性能研究 复合混凝土最优配合比设计及其抗冻性能 研究 第6卷第4期 2007年12月 宁夏工程技术 NingxiaEngineeringTechnology Vo1.6No.4 Dee.2007 文章编号:1671—7244(2007)04—0385—04 复合混凝土最优配合比设计及其抗冻性能研究 杜天玲,孙庆合,牛宇涛 (1.交通部公路科学研究院,北京100088;2.宁夏大学土木与水利工程学院,宁夏银川750021) 摘要:为了探讨在混凝土中掺入钢渣,粉煤灰,矿渣等材料对混凝土冻融破坏的作用机理,采用宁夏地区工业 废料作为混凝土的掺合料,通过正交试验及混凝土抗冻性能试验,确定出了混凝土最优配合比为AC3D,.由 宏观和微观试验结果表明:优化钢渣,粉煤灰,矿渣掺量后制备的复合混凝土强度增长显着;经100次的冻融试 验,抗冻效果比基准混凝土显着. 关键词:混凝土;钢渣;粉煤灰;矿渣;复合;强度;抗冻性 中图分类号:TU502.6文献标志码:A 宁夏属于冰冻自然灾害多发区,水工混凝土建 筑,排水渠道等农田水利设施遭受冻融灾害的侵袭, 引起混凝土材质劣化,建筑物破坏甚至崩塌事故已 屡见不鲜,而且破坏的主要因素是冻融循环,干湿交 替.据混凝土耐久性及病害处理调查,不少建筑物 运行不到10a就需大修,几乎100%的工程局部或 大面积地遭受不同程度的冻融破坏f11.因此,对寒冷 地区的混凝土结构物在多元因素影响作用下的抗冻 融的研究具有广泛的工程应用价值.为了研究混凝 土建筑物的冻融破坏规律,本文利用本地工业废渣 (钢渣,粉煤灰和矿渣)资源,将3种材料掺入混凝土 中进行优化,确定其最佳配比,并对强度和抗冻指标 进行综合评价,找出影响抗冻指标的因素,研究复合 叠加效应对混凝土的强度及抗冻融性能的影响.通 过调整混凝土材料的内部结构,提高其密实性,降低 空隙率,使材料孔隙中结冰水趋于零状态.通过优 化设计,实现实用耐久和经济合理的目标,确定出适 合干旱寒冷地区抗冻性能良好的,强度较高的混凝 土. 1试验原材料 (1)水泥:宁夏青铜峡水泥厂生产的P.052.5硅 酸盐水泥,其3d抗压强度为40.2MPa,抗折强度为 5.7MPa;28d抗压强度为60.4MPa,28d抗折强度 8-3MPa;符合《硅酸盐水泥,普通硅酸盐水泥》(GB 175—92). (2)粗骨料:采用宁夏贺兰山开采并经破碎加 工的碎石,其最大粒径D=40mm,二级连续级配, 含泥量0.12%. (3)细骨料:采用宁夏青铜峡河沙,级配合格, 位于?区,细度模数为2.51,含泥量为1.20. (4)粉煤灰:宁夏青铜峡大坝电厂干排灰 (表1),其级别为I级,密度为2.20g/cm.,比表面积 为2893cm2/g.' (5)钢渣:宁夏石嘴山钢厂的钢渣(表1),该钢 渣中MgO的质量分数<5%,低于国家规定标准; SO.的质量分数<4%,在国家规定的标准范 围之内. 表1粉煤灰,钢渣,矿渣的化学成分 Tab.1chemistrycompositionofflyash, slagandsteelsco~a% (6)矿渣:宁夏石嘴山钢厂的矿渣(表1),该矿 渣中MgO质量分数<1%,低于国家规定标准;SO. 的质量分数<1%,符合国家规范规定的标准. (7)外加剂:引气剂选择河北景县化工建筑材料 厂生产的DH粉状引气剂;减水剂由江西外加剂厂 生产的WG—FND萘系高效减水剂,减水率为10%, 15%;早强剂由宁夏平罗恒通化工外加剂厂生产的 AN4产品.试验用配合比及试验方法按照《混凝土外 加剂质量标准》(GB8076--1997)的规定. 收稿日期:2007—09—03 作者简介:杜天玲(1974一),女,助理研究员,主要从事公路工程材料研究 386宁夏工程技术第6卷 2试验方案3试验结果分析与讨论 2.1正交试验设计 本研究选择正交试验设计,以水胶比,粉煤灰掺 量,矿渣掺量,钢渣掺量及外加剂为主要影响因素, 其因素和水平安排如表2所示.将混凝土28d抗压 强度和经过100次冻融循环后的抗压强度损失率 作为考核指标,分析各因素对抗压强度及其损失 率的影响规律,确定最优配合比.粉煤灰和矿渣等 量取代部分水泥,掺量取0%,5%,10%;钢渣外掺, 其掺量为0%,2%,5%.采用(3)正交表进行最 优配合比选择(表3),极差和方差分析如表5,表6 所示.减水剂与引气剂混合掺量为0.5%一0.8%,早 强剂掺量为1%一2%. 表2正交试验因素水平 Tab.2orthogonalexperimentformoffactorandlevel 水平外加剂 1O.451000引气剂(Y) 2O.50552减水剂+引气剂(J+Y) 30.550105早强剂(z) 2.2抗冻性能试验 混凝土的冻融循环试验按照GBJ82—85《普通 混凝土长期性能和耐久性试验方法》,在各组混凝土 养护28d后,对其进行100次冻融循环,以基准混 凝土为基础计算冻融循环后的混凝土强度损失率和 质量损失率,以此来评定混凝土抗冻性能. 3.1抗冻试验结果 试验结果如表4所示.由表4可知,冻融后的 混凝土抗压强度损失率?25%,质量损失?5%,抗 压强度较高的混凝土经冻融后其强度损失较小,质 量损失几乎为0.这意味着混凝土结构毛细孔中含 水率低于临界值(91.7%),可结冰的水数量减少,发 生冰冻的趋势降低.混凝土结构越密实,强度越大, 孔隙越小,水分难以渗透.在负温结冰的条件下,混 凝土毛细孔中结冰的水体积膨胀,过冷的水发生位 移,并经过多次反复冻融循环,其过程相当于对混凝 土材料的孔壁反复加,卸荷,因此,孔壁结构会受损而 开裂.复掺混合料能产生多级配微集料效应,钢渣,粉 煤灰和矿渣等不同形态的材料优势互补,改善了孔特 征,提高了混凝土的密实性,水分渗透能力减弱,减轻 了冰冻作用,消弱了冻胀应力,所以抗冻性能提高. 在试验过程中,试样均完好,无缺损,无裂缝. 3.2极差和方差分析 f1)由表5可知,影响混凝土28d抗压强度因 素的影响顺序为:水胶比叶外加剂叶矿渣c叶 粉煤灰一钢渣D叶误差G.由表6可知,对于混凝 土28d抗压强度而言,水胶比,矿渣,外加剂的影响 高度显着,粉煤灰有一定影响,钢渣影响不显着.考 核指标为混凝土28d抗压强度时的最优配合比为 A,B善3. f2)对经过100次冻融后影响抗压强度损失率 表3L7)正交试验方案和试验结果 Tab.3testingresultsandprojectotorthogonalexperimentin7) ———————— cDEF考核指标 号水胶比/%粉煤灰/%矿渣/%钢渣/%外加剂/%空列f~(28d抗压强度)/NPa抗压强度损失率/% 10.451(1o)1(o11(o)1(14O.569.8O 2O.452(5)2(5)2(2)20+Y)250.446.70 30.453(o)3(1o)3(5)3350.577.40 4O.501(1o11(o)2(2)20+338.4113.30 5O.5O2(5)2(5)3(5)3(Z)143.7812.5O 6O.503(o)3(1O)1(o)1(Y)238.98l1.8O 7O.551(1O)2(5)1(o)3(z)239.4113.30 8O.552(5)3(1O)2(2)1(Y)336.7413.90 9O.553(o)1(o)3(5)2((J+136.7414.50 1OO.451(1O)3(1O)3(5)20+243.4214.70 l1O.452(5)1(o)1(o)3340.389.10 12O.453(o12(5)2(2)1(139.749.4O 13O.5O1(1o12(5)3(5)1(338.96l1.8O 14O.502(15)3(1O)1(o)20+144.43l1.1O 15O.503(o)1(o)2(2)3(Z)240.5812.30 16O.551(1O)3(1o)2(2)3(z)134.6716.7O 17O.552(5)1(o)3(5)1(Y)232.2212.50 18O.553fo12(5)1(o120+335.8715.30 第4期杜天玲等:复合混凝土最优配合比设计及其抗冻性能研究387 表4抗冻试验结果 Tab.4resultsoffreezing?thawingexperiment 编号强度/MPa抗压强度/MPa压强度/MPa损失率/%失率/% 的因素顺序为:水胶比A一粉煤灰一外加剂E一 矿渣c_?钢渣一误差G.由表6可知,对于抗压强 度损失率,水胶比影响高度显着,粉煤灰有一定影 响,矿渣,钢渣,外加剂影响不显着.考核指标为抗压 强度损失率时的最优配合比为4BC2DE. (3)无论是以28d抗压强度还是以抗压强度损 失率作为考核指标,水胶比,粉煤灰均为比较重要的 影响因素.因素A对于两个指标来说均以A为最佳 水平.因素对于两个指标来说均以为最佳水平. 因素c为影响28d抗压强度高度显着的因素;对于 冻融后抗压强度损失率来说,因素c则无显着影 响,因此取C3.因素D对两指标均无显着影响,但 考虑到节约水泥熟料以降低生产成本及利用工业废 料有利于环保等因素可取D,.因素E对28d抗压 强度的影响高度显着,对抗压强度损失率则无显着 影响,故取.由上述综合分析,得到最优方案为 AlB2C3. (4)在方差分析中,粉煤灰对混凝土的冻融有 一 定影响,这是由于粉煤灰的玻璃球体形态和微粉 填充效应,改善了混凝土的孔特征.钢渣对混凝土 抗冻性影响不显着,与钢渣的掺量较小(掺入2%, 5%),混凝土龄期短以及水化作用不够有关. 4微观测试分析 (1)微观测试图如图1所示.由图1(a)和(b)对 比可知,基准混凝土中水化生成的大量絮状水化硅 酸钙凝胶,Ca(OH)晶体及钙矾石晶体,其水化产物 之间存在较大的孔隙;由图1(b)中可以明显看见粉 煤灰球体颗粒表面开始水化,水化产物不断填充到 孔隙中,减少了氢氧化钙晶体的数量,提高了水泥石 的密实度. (2)由图1(c)和(d)可知,在经过100次的冻融循 环,随着龄期的增长,水化过程仍然在缓慢地进行, 混凝土中的孔隙在减少.复合混凝土经过100次冻 融循环后,复合材料中的活性SiO,AIO,,Fe20,与水 泥的水化产物Ca(OH)发生"二次水化"反应生成更 多的水化硅酸钙,水化铝酸钙和水化铁铝酸钙凝胶, 使水泥石的密实度进一步提高,抗冻性也随之提高. 5结论 (1)试验结果表明:水胶比和粉煤灰均为影响 28d抗压强度及抗压强度损失率比较重要的因素, 对于混凝土28d抗压强度而言,水胶比,矿渣,外加 剂的影响高度显着,粉煤灰有一定影响,钢渣影响不 显着;对于抗压强度损失率,水胶比影响高度显着, 粉煤灰有一定影响,矿渣,钢渣,外加剂影响不显着. (2)经正交试验极差及方差分析,综合考虑混 凝土28d抗压强度及经冻融循环后的抗压强度损 失率指标,确定出最优配合比为ABc,,即水胶 比0.45,粉煤灰5%,矿渣1O%,钢渣5%,外加剂为 早强剂. (3)由不同掺量,品种的矿物掺合料复合使用 对混凝土防冻胀性能有显着地改善,冻融试验结果 表5极差分析结果 Tab.5resultsofrangeanalysis 388宁夏工程技术第6卷 表6方差分析结果 Tab.6resultofvarianceanalysis 注:"",影响高度显着;"一影响显着;"()"一有一定影响 (a)28d基准混凝土(b)28d复合基准混凝土(e)100次冻融基准混凝土(d)同期冻融复合混凝土 图1SEM微观测试结果 Fig.1SEMofmicrocosmictesting 得到:抗压强度损失率?25%,质量损失?5%. (4)在本试验范围内,选择水胶比为0.45,0.5,0.55 时,掺混合材混凝土强度比同期基准混凝土的强度 分别提高16.26%,16.17%,33%. (5)复掺混合材,充分发挥了多级配微集料效 应,大大地改善了孔特征,提高了混凝土的密实性, 消弱了冻胀应力,提高了混凝土的抗冻耐久性. 参考文献: 【1]亢景富,冯乃谦.水工混凝土耐久性问与水工高性能 混凝土[J].混凝土与水泥制品,1997,8(4):4一lO. Astudyonoptimummixtureratiodesignandfrostresistance ofcompoundconcrete DU死帆一lingj,SUNQing-he,NIUYu—too (1.ResearchInstituteofHighwayMinistryofCommunications,Beijing100088,China; 2.SchoolofCivilandHydraulicEngineering,NingxiaUniversity,Yinchuan750021,China) Abstract:Inthispaper,makinguseofwastematerials(fly— ash,slag,steeldregs)ofindustryinNinxia,thefrost—resistance performanceofcompoundconcretewasstudiedbymeansoforthogonalexperimentaldesign .Throughvarianceanalysis,the theoreticaloptimumprojectofconcreteproportionhadbeendetermined:AIB2CsDsE3.Res ultsofresearchbymacrostructures andmicrostructuresshowedthatstrengthofconcretewithsteelslag,andfly— ashcontentsofoptimizationhasincreasedin evidence.Bytestingof100timesfreezing-thawingexperiments,thefrost— resistantcapabilityofcompoundconcreteisbetter thanthatofcommonconcrete. Keywords:concrete;steelscoria;flyash;slag;compound;strength;frost—resistance (责任编辑,校对王德平)