硅粉混凝土的收縮性能研究

劉 源，馬瑞潔，楊建森，崔 瑩，楊福強(qiáng)

(寧夏大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，寧夏 銀川750021)

0 引 言

混凝土收縮是因物理和化學(xué)作用而導(dǎo)致的混凝土體積縮小的一項(xiàng)重要的力學(xué)性能，它和混凝土的體積穩(wěn)定性密切相關(guān)。普通混凝土的總收縮以干燥收縮為主，其他收縮占的比例較小。因此，在恒溫恒濕條件下測(cè)定的干燥收縮基本上反映了混凝土的整體收縮性能。硅粉是一種微細(xì)高活性摻合料，在混凝土中適當(dāng)?shù)負(fù)饺牍璺圩鳛閾胶狭?，既可以減少水泥用量，又可以改善混凝土性能，尤其是可顯著改善混凝土的抗硫酸鹽侵蝕、抗氯離子滲透以及抑制堿骨料反應(yīng)性能［1-7］。本文將硅粉摻量在5%～15%的混凝土定義為硅粉混凝土。相對(duì)于強(qiáng)度和耐久性，硅粉與混凝土收縮的關(guān)系更為復(fù)雜［8-14］。因此，研究不同水膠比和砂率參數(shù)下硅粉對(duì)混凝土收縮的影響，對(duì)于硅粉混凝土體積穩(wěn)定性的深入認(rèn)識(shí)及其在工程中的正確應(yīng)用十分必要。本研究開展硅粉混凝土的收縮性能研究，旨在為硅粉混凝土的工程應(yīng)用及收縮性能設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)和參考。

1 原材料與試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥:寧夏賽馬牌42.5R 等級(jí)P.O 水泥。

砂子:細(xì)砂，細(xì)度模數(shù)2.0，滿足Ⅲ區(qū)級(jí)配，含泥量2.4%，泥塊含量0.8%。

粗骨料:碎石，連續(xù)級(jí)配，最大粒徑16 mm，含泥量0.45%，泥塊含量0.3%，壓碎指標(biāo)9.8%，針片狀含量7.3%。硅粉:挪威?？瞎境銎?，比表面積18 000 m2/kg，SiO2含量為91.36%。減水劑:聚羧酸高效減水劑，摻量一般為膠凝材料的2.0%～2.2%。

1.2 正交試驗(yàn)方案

采用四因子、三水平的正交試驗(yàn)方案L9(34)，各因子及其水平分布和正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)如表1 所示。膠凝材料指水泥和硅粉的總質(zhì)量;水膠比是指水和膠凝材料的質(zhì)量比;硅粉摻量是指其質(zhì)量占膠凝材料總質(zhì)量的百分比。

經(jīng)過多次預(yù)拌試驗(yàn)，確定了正交試驗(yàn)的混凝土配合比，列于表1。

1.3 試驗(yàn)方法

按照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50082-2009 關(guān)于收縮試驗(yàn)的接觸法進(jìn)行，制備100 mm×100 mm×515 mm 的收縮試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)養(yǎng)護(hù)3 d 后移入溫度為(20 士2)℃、相對(duì)濕度為(60 士5)%的恒溫恒濕環(huán)境，立即測(cè)定試件的初始長(zhǎng)度，此后，分別按1、3、7、14、28、45、60、90、120、150、180 d 的時(shí)間間隔(收縮齡期)測(cè)定各組試件的長(zhǎng)度，并計(jì)算收縮率。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 齡期與收縮率

不同收縮齡期的各試件的收縮測(cè)試結(jié)果列于表2，其收縮率與齡期的變化曲線示于圖1。

表2 不同收縮齡期的硅粉混凝土收縮率Tab.2 Shrinkage ratio of silica fume concrete on different shrinkage age

從表1 和圖1 可以看出，各試件的收縮率隨收縮齡期的變化趨勢(shì)基本一致，早期(7 d 之前)收縮較大，后期(7 d 之后)收縮逐漸趨于平緩，90 d 之后趨于穩(wěn)定。這表明，7 d 之前，水泥主要礦物成分的水化以及高火山灰活性的硅粉與水化產(chǎn)物Ca(OH)2的二次水化進(jìn)行得比較迅速而導(dǎo)致的化學(xué)收縮較大，以及混凝土從標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件(RH ＞90%)移入相對(duì)濕度為(60 士5)%的恒溫恒濕環(huán)境后的干燥收縮也發(fā)展得較快，而90 d 后這些收縮效應(yīng)越來越小，混凝土的總收縮率趨于穩(wěn)定。同時(shí)，各個(gè)收縮齡期中，S8 組的收縮率最小，S3 組的收縮率最大，表明S8 組試件的收縮最小，S3 組試件的收縮最大，其他試件的收縮介于二者之間。硅粉混凝土試件180 d 的收縮率分布在343×10-6～471×10-6。

2.2 各因素對(duì)收縮率的影響

表3 是各試件的收縮率在不同齡期的正交分析表。

從表3 可以看出，3 d、28 d 齡期時(shí)水膠比極差值最大，表明水膠比對(duì)收縮率的影響最顯著;而在180 d 齡期時(shí)，砂率對(duì)收縮率的影響最為顯著。同時(shí)，相比較而言，3 d、28 d 和180 d 收縮齡期空白列的極差也不算小，說明由誤差引起的對(duì)收縮率的影響不可忽視，因此，進(jìn)一步進(jìn)行方差分析，以考察各因素的顯著性，其結(jié)果示于表4。

圖1 各齡期變化對(duì)硅粉混凝土收縮率的影響Fig.1 Shrinkage ratio of silica fume concrete changes on different day

如果以180 d 收縮率為指標(biāo)對(duì)硅粉混凝土的最佳配制方案進(jìn)行優(yōu)選，應(yīng)該是A3B2C1，該方案恰好是S8 試樣的配制方案，S8 試樣在14 d 后的收縮均為最小，優(yōu)選結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致。

從表4 可以看出，在顯著性水平α=0.30 下，除硅粉摻量對(duì)180 d 收縮率影響不顯著外，其他各齡期，3 個(gè)因素對(duì)硅粉混凝土收縮率的影響均是比較顯著的。表明正交試驗(yàn)選擇的3 個(gè)因素是影響硅粉混凝土齡期收縮性能的主要因素，正交試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)是合理的。

表3 不同齡期硅粉混凝土收縮率的極差分析1Tab.3 Range analysis of shrinkage ratio on different day

表4 不同齡期硅粉混凝土收縮率的方差分析Tab.4 Variance analysis of shrinkage ratio on different day

各因素水平變化對(duì)硅粉混凝土28 d 和180 d 收縮率的影響趨勢(shì)圖示于圖2。

從圖2 可以看出:硅粉摻量對(duì)28 d 收縮率影響較大，隨著硅粉摻量的增加，收縮率呈上升趨勢(shì)，當(dāng)硅粉摻量在5%～10%時(shí)，收縮率增加比較明顯，而在10%以后收縮率上升趨勢(shì)較之前平緩;同普通混凝土一樣，水膠比越大，硅粉混凝土的自收縮卻越小，幾乎為線性降低;隨著砂率的增加，硅粉混凝土的28 d 收縮率呈先減小后增大的趨勢(shì)，且砂率在38%～43%時(shí)28 d 收縮率增加較明顯。

同時(shí)，從由圖2 還可看出，從混凝土180 d 收縮發(fā)展的角度來看，各因素的影響趨勢(shì)同28 d 齡期。水膠比越大，收縮率越小;隨著砂率的增加，收縮率呈先減小后增大的趨勢(shì)，當(dāng)砂率為38%時(shí)收縮率最小;硅粉的摻入使硅粉混凝土的收縮增大，當(dāng)硅粉摻量在5%～10%時(shí)收縮率增長(zhǎng)較快，而硅粉摻量大于10%以后的收縮趨于平緩。

圖2 各因素水平變化對(duì)混凝土收縮率的影響Fig.2 Shrinkage ratio changes with value various of each factor

2.3 硅粉混凝土的收縮模型

根據(jù)最小二乘法原理，對(duì)收縮曲線進(jìn)行擬合分析［15］，以建立硅粉混凝土的收縮模型。對(duì)9 組收縮曲線進(jìn)行擬合分析，發(fā)現(xiàn)收縮率ε 與收縮齡期t 符合式(1)的對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系，并將各組收縮曲線擬合分析得出的對(duì)數(shù)函數(shù)回歸系數(shù)a、b 的值列于表5。

式中，εt為收縮齡期t 時(shí)的收縮率(10-6);0 ＜t≤180 為收縮齡期(d);a、b 為回歸系數(shù)，其數(shù)值與混凝土組成的3 個(gè)因素參數(shù)有關(guān)。

表5 各試樣收縮曲線對(duì)數(shù)函數(shù)擬合系數(shù)Tab.5 Fitting coefficient of logarithmic function of each sample shrinkage curve

為進(jìn)一步確定a、b 兩個(gè)系數(shù)與硅粉混凝土配制參數(shù)的關(guān)系，綜合表1、表3 和表5 的數(shù)據(jù)，應(yīng)用數(shù)據(jù)擬合和多元回歸分析，確定了計(jì)算系數(shù)a、b 的回歸公式，分別為式(2)和式(3)。經(jīng)方差分析，a 的回歸公式在顯著性水平α=0.10 下顯著，b 的回歸公式在顯著性水平α=0.05 下顯著，見表6。這樣，根據(jù)該收縮模型可以計(jì)算任意組成的硅粉混凝土在任一收縮齡期的收縮率，從而對(duì)硅粉混凝土的收縮性能進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)估。

式中，p 為水膠比;s 為砂率;f 為硅粉摻量。

表6 收縮模型a、b 系數(shù)的回歸公式及方差分析Tab.6 Regression formula of a and b of shrinkage model and variance analysis

3 結(jié) 論

①14 d 及以后各齡期，當(dāng)硅粉摻量為5%，水膠比為0.45，砂率為38%時(shí)，硅粉混凝土收縮變形最小。

②水膠比在0.35 ～0.45 范圍內(nèi)取值越大，硅粉混凝土收縮率越小;隨著砂率的增加，收縮率呈先減小后增大趨勢(shì)，砂率為38%時(shí)收縮最小;硅粉的摻入使硅粉混凝土的收縮增大，硅粉摻量在5%～10%時(shí)收縮率增長(zhǎng)較快，而硅粉摻量大于10%以后的收縮趨于平緩。

③通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合和回歸分析建立的硅粉混凝土的收縮模型εt=aln(t)+b，在顯著性水平α=0.01 下其相關(guān)關(guān)系顯著，應(yīng)用此模型可以預(yù)測(cè)或設(shè)計(jì)硅粉混凝土的收縮性能。

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