海工混凝土配合比設計的試驗研究及其影響因素分析

李 雁，呂恒林，殷惠光，劉瑞雪，李 兵

(1.中國礦業(yè)大學力學與建筑工程學院，江蘇 徐州 221008； 2.徐州工程學院土木工程學院，江蘇 徐州 221008)

海洋環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)受到多種因素的影響，如海水侵蝕、凍融循環(huán)、碳化作用、干濕交替以及外加荷載等，從而導致其劣化現(xiàn)象非常嚴重，因此需要對海工混凝土的配合比進行優(yōu)化設計，以使其具有良好的工作性能、合適的力學強度以及符合環(huán)境要求的耐久性能[1-2]。此外，隨著沿海地區(qū)基礎設施建設的快速興起，包括港口、碼頭以及跨海大橋在內(nèi)的大規(guī)模的海洋工程需要大量的建筑材料，通常作為混凝土細骨料的河砂部分沿海城市已經(jīng)逐漸顯露出匱乏的現(xiàn)象，而當?shù)氐暮Ｉ百Y源豐富，因此合理利用海砂配置海工混凝土具有重要的現(xiàn)實意義[3-4]。

本文將采用正交試驗的方法，綜合考慮砂的種類、水膠比、養(yǎng)護時間、單方用水量等因素，對沿海地區(qū)使用海砂的海工混凝土工作及力學性能進行試驗研究，并分析各因素對性能指標的影響程度，從而指導海工混凝土配合比設計。

1 配合比設計的正交試驗設計方法

1.1 試驗原材料

42.5R級普通硅酸鹽水泥(密度3.18 g/cm3，比表面積350 m2/kg，細度0.8%，標準稠度用水量30.2%，安定性膠砂強度合格)；粗骨料(粒級5～31.5 mm，針片狀含量6.7%，含泥量0.63%)；細骨料(海砂：中砂偏細，Mx=2.25，含泥量1.93%；淡化海砂：中砂，Mx=2.46，含泥量0.48%；河砂：中砂，Mx=2.77，含泥量2.84%)。

1.2 正交試驗表[5-6]

高性能化海砂混凝土正交試驗見表1。

表1 試驗因素和水平

1.3 試驗程序和結(jié)果

試驗采用100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊。由于所配制混凝土的組分很多，而每份用量較少，為保證拌和物質(zhì)量，本試驗采用人工攪拌、機械振搗的方法。首先將水泥、礦物摻合料、細骨料攪拌均勻，然后加入70%的水，拌和均勻后同時加入粗骨料和剩下的水，攪拌均勻后取出裝入試模，放在振動臺上振搗，成形后拆模標養(yǎng)待用。結(jié)果見表2。

2 試驗結(jié)果和分析

2.1 試驗結(jié)果及直觀分析

試驗結(jié)果分析見表2。

表2 海工混凝土工作與力學性能試驗結(jié)果

續(xù)表：

試件編號因素砂的種類A水灰比B養(yǎng)護時間C/d用水量D/(kg·m-3)立方體抗壓強度/MPa坍落度/mmD32淡化海砂0.553019537.740D41淡化海砂0.608018539.410P12普通河砂0.4518019554.15P21普通河砂0.5013018547.230P34普通河砂0.558021549.5100P43普通河砂0.603020532.260

對于摻海砂混凝土的工作性能，由表2可知，H44的混凝土拌合物工作性最優(yōu)，其相應的因素水平組合為A1、B4、D4，即砂的種類為海砂，水灰比為0.60，單方用水量為215 kg。對于摻海砂混凝土的力學性能，由表2可知， D14的混凝土立方體抗壓強度最高，其相應的因素水平組合為A3、B1、 C3、 D4，即砂的種類為淡化海砂，水灰比為0.45，養(yǎng)護時間為130 d，單方用水量為215 kg。通過直觀判斷尚不能確定其就是最佳的方案，要得到更為可靠的結(jié)論還需進行進一步的分析。

將因素水平作為橫坐標，以試驗指標的平均值ki為縱坐標，畫出因素與指標的趨勢圖，見圖1、圖2。

圖1 混凝土拌合物工作性能指標與因素水平趨勢Fig.1 The trend of the workability and factor level of the concrete admixture

圖2 混凝土力學性能指標與因素水平趨勢Fig.2 The trend of the mechanical performance and factor level of the concrete

對于摻海砂混凝土的工作性能，由圖1可知，當砂的種類A1=海砂，水膠比B4=0.6，單方用水量為215 kg時混凝土拌合物的工作性能最好，即優(yōu)方案為A1、B4、D4。此外還可知，使用海砂以及淡化海砂的混凝土拌合物工作性能優(yōu)于使用普通河砂，且海砂的工作性能更優(yōu)，這是由于海砂中含有大量貝殼等微物質(zhì)，其表面織構(gòu)比河砂更加光滑所致，且該因素對工作性的改善效果較為顯著。

對圖1進一步分析可知，水灰比并不是越大工作性能就越好，當水灰比大于0.50時，其坍落度隨水灰比的增加速度放緩，由于其增加的幅度較小，還需對此進行進一步的試驗驗證，但可以肯定的是通過提高水灰比來改善混凝土拌合物工作性能的方式是不可取的。另外，單方用水量對混凝土拌合物工作性能的影響顯著，從趨勢圖中也可見其變化呈現(xiàn)出較為顯著的線性關系，即在不加減水劑的情況下水泥漿量的多少對混凝土拌合物工作性能的改善至關重要。有研究表明，水泥漿量對混凝土的耐久性、滲透性有一定的影響，水泥漿量過多即增加了混凝土中的多孔組分，降低了混凝土的抗?jié)B透性。因此，在混凝土拌合物工作性能得到保證的前提下，宜采用較低的水灰比和單方用量。

對于摻海砂混凝土的力學性能，由圖2可知，當砂的種類A1=海砂，水膠比B1=0.45，養(yǎng)護時間C4=180 d，單方用水量為215 kg時混凝土的力學性能最好，即最優(yōu)方案為A1、B1、C4、D4。與直觀判斷結(jié)果相比較，優(yōu)選方案在B因素(水灰比)、D因素(單方用水量)的水平選擇上是一致的。而在A因素(砂的種類)、C因素(養(yǎng)護時間)的水平選擇上有所差別。

對圖2進一步分析可知，使用海砂以及淡化海砂的混凝土的抗壓強度高于普通河砂，這主要是海砂以及淡化海砂的含泥量和泥塊含量顯著低于河砂所致。此外，隨著水灰比的減小，混凝土抗壓強度得到了提高，變化基本呈線型關系；值得注意的是隨著后期養(yǎng)護時間的增長，混凝土抗壓強度的提高幅度較大，且變化呈線性增長，這說明隨著時間的推移，混凝土內(nèi)的二次水化反應不斷進行，水化生成物使混凝土內(nèi)部的微結(jié)構(gòu)得到逐步改善，從而提高了后期的強度，但提高的幅度有逐漸放緩的趨勢。單方用水量對于混凝土抗壓強度的變化趨勢較為平緩，說明水灰比一定的情況下增加水泥漿的量并未提高混凝土的抗壓強度，但也不會顯著降低混凝土的強度，由此認為，在較大的水灰比(0.45～0.6)且未加任何外加劑的條件下，混凝土中水泥漿量對提高混凝土強度的影響很有限。

2.2 極差分析

對于摻海砂混凝土的工作性能，由表3的級差分析可知，由于RD>RA>RB，所以各因素從主到次的順序為：D(單方用水量)，A(砂的種類)，B(水灰比)。

表3 混凝土工作性能(坍落度)試驗結(jié)果極差分析

對于摻海砂混凝土的力學性能，由表4的級差分析可知，RB>RC>RA>RD，所以各因素從主到次的順序為：B(水灰比)，C(養(yǎng)護時間)，A(砂的種類)，D(單方用水量)。其中B因素的級差值最大，故水灰比是本次試驗中決定強度大小的最主要因素； C因素級差值次之，說明養(yǎng)護時間對強度提高的影響也十分明顯；A、D因素的級差值相對較小，且相差不大，說明它們對混凝土強度指標的影響力較小，且較為接近。這從一個方面解釋了直觀判斷所得結(jié)論與優(yōu)選方案之間產(chǎn)生差異的原因，即砂的種類、單方用水量兩個因素在本試驗中對混凝土抗壓強度的影響可能被誤差所掩蓋，如欲得到確切結(jié)論還需進一步分析研究。

表4 混凝土力學性能(立方體抗壓強度)試驗結(jié)果極差分析

2.3 方差分析

前面使用直觀分析的方法對正交試驗的結(jié)果進行了討論，直觀分析方法具有簡單直觀、計算量小等優(yōu)點，但直觀分析不能估計誤差的大小，不能精確地估計各因素的試驗結(jié)果影響的重要程度，如果對試驗結(jié)果再進行方差分析，就能彌補直觀分析法的這些不足。

由表5可知，F(xiàn)D=25.196>F0.025(3，6)=6.60，表明D因素(單方用水量)對試驗指標在α=0.025水平上顯著，所以該因素影響高度顯著；FA=14.872>F0.025(3，6)=6.60，表明A因素(砂的種類)對試驗指標在α=0.025水平上顯著，所以該因素影響高度顯著；FB=5.466>F0.05(3，6)=4.76，說明B因素(水灰比)在α=0.05下顯著，所以該因素顯著。

表5 混凝土工作性能試驗結(jié)果方差分析

表6 混凝土力學性能試驗結(jié)果方差分析

由表6可知，F(xiàn)B=15.118>F0.010(3，6)=9.78，表明B因素(水灰比)對試驗指標在α=0.010水平上顯著，所以該因素影響高度顯著；FC=12.032>F0.010(3，6)=9.78，表明C因素(養(yǎng)護時間)對試驗指標在α=0.010水平上顯著，所以該因素影響同樣高度顯著；FA=4.050>F0.10(3，6)=3.29，說明A因素(砂的種類)較為顯著；FD=2.832>F0.25(3，6)=1.78，說明該因素(單方用水量)在α=0.25水平顯著，所以該因素有一定的影響。

3 結(jié) 論

1) 單方用水量和砂的種類是影響海工混凝土拌合物工作性能的主要因素，尤其是單方用水量，影響最為明顯。而水灰比對海工混凝土拌合物工作性能的影響略遜于前兩因素。

2) 水灰比和養(yǎng)護時間是影響海工混凝土抗壓強度的主要因素，尤其是水灰比，影響最為顯著，因此在配置海工混凝土的時候，須嚴格控制水灰比，以保證其具有足夠的強度。

3) 要加強對海工混凝土的養(yǎng)護，因為養(yǎng)護時間對混凝土后期強度的增長的影響較為顯著。

4) 砂的種類對海工混凝土抗壓強度有一定影響，不能忽略。通過前直觀分析可知，海砂及淡化海砂對混凝土強度的影響是積極的，故在力學性能方面，含有海砂以及淡化海砂的海工混凝土應用是可行的。

[1] 徐強,俞海勇.大型海工混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究與實踐[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008

[2] 蔣軍輝,李書惠,林海,等.大體積海工混凝土配合比的研究與應用[J].公路，2006(6)：221-224

[3] 周慶,許艷紅,顏東洲.建筑中合理利用海砂資源的新技術[J].全面腐蝕控制，2006(6)：8-10

[4] 黎鵬平,姜宏,熊建波,等.混合砂對海工混凝土工作性能和耐久性的影響[J].混凝土，2013(7)：92-98

[5] 李進輝,李兆松,劉雨,等.碎石含泥量對海工高性能混凝土性能影響試驗研究[J].混凝土，2013(7)：127-130

[6] 李云雁,胡傳榮.試驗設計與數(shù)據(jù)處理[M].北京：化學工業(yè)出版社，2009