基于RSM-BBD的高原地區(qū)橋墩混凝土性能試驗(yàn)研究

彭勇軍,劉娟紅,李 華,李 康

(1.中鐵十八局集團(tuán)第二工程有限公司,唐山 063000;2.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院,北京 100083;3.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院,研究生部,北京 100081;4.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司,高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081)

0 引 言

橋墩主要用來(lái)支撐橋跨結(jié)構(gòu),并將橋梁整體的恒載和活載傳遞至地基,其對(duì)橋梁安全服役的重要性不言而喻。與一般混凝土結(jié)構(gòu)不同,橋墩下部往往位于河流之中,除了面臨水流的沖刷,低溫環(huán)境下的凍融破壞尤為突出。高原地區(qū)具有氣壓低、風(fēng)速大、溫差大、地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn),勢(shì)必影響橋墩混凝土的服役安全。據(jù)研究,低氣壓環(huán)境會(huì)影響引氣劑效果,造成引氣混凝土含氣量降低,塌落度減小[1-2]。低溫環(huán)境會(huì)延緩水泥的水化進(jìn)程,產(chǎn)生凍脹應(yīng)力,造成混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松,性能劣化[3]。凍融循環(huán)將造成混凝土質(zhì)量和強(qiáng)度損失率增加,相對(duì)動(dòng)彈性模量下降,導(dǎo)致橋墩剛度下降,顯著影響橋梁的橫向動(dòng)力響應(yīng)[4]。由于可能存在的鹽凍現(xiàn)象和溫度變化的滯后效應(yīng),距離混凝土表面越近,凍融損傷程度越嚴(yán)重[5-6]。

混凝土中摻入適量礦物摻合料有利于減少水泥用量,提高耐久性,具有節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境、實(shí)現(xiàn)建筑物全生命周期效益最大化的作用,在實(shí)際工程中廣泛運(yùn)用[7]。近年來(lái),相關(guān)學(xué)者針對(duì)礦物摻合料做了大量的研究。吳凱等[8]發(fā)現(xiàn),適量礦物摻合料可以改善混凝土的孔結(jié)構(gòu);王喆等[9]發(fā)現(xiàn),鋼渣、礦渣、粉煤灰和石灰石粉復(fù)合使用可以提高混凝土的抗氯離子滲透性能和長(zhǎng)期力學(xué)特性;李玉平等[10]發(fā)現(xiàn),復(fù)摻偏高嶺土和粉煤灰能顯著優(yōu)化輕骨料混凝土的微觀性能,復(fù)摻總量達(dá)到10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度最大;杭美艷等[11]發(fā)現(xiàn),復(fù)合礦物摻合料既能降低混凝土水化熱,又能減輕其開(kāi)裂程度;劉娟紅等[12]發(fā)現(xiàn)粉煤灰和礦渣等復(fù)合礦物摻合料能促進(jìn)火山灰反應(yīng),降低Ca(OH)2含量,提高混凝土的密實(shí)性和抗?jié)B性。此外,養(yǎng)護(hù)條件[13-14]也會(huì)對(duì)橋墩混凝土性能產(chǎn)生重要影響。

雖然礦物摻合料在提升混凝土抗凍性能方面的效果得到許多研究人員的證實(shí)[15-17],但是更多的是基于單因素試驗(yàn)研究,評(píng)價(jià)每一種因素對(duì)于混凝土抗凍性能的影響,對(duì)于各因素交互作用的影響并未有過(guò)多闡述。響應(yīng)面法(response surface method, RSM)通過(guò)綜合優(yōu)化數(shù)學(xué)建模和試驗(yàn)設(shè)計(jì),利用局部具有代表性點(diǎn)的試驗(yàn)結(jié)果,擬合全局因素和結(jié)果之間的函數(shù)關(guān)系,并可得出各因素的最優(yōu)水平值[18]。同時(shí),具有比傳統(tǒng)正交試驗(yàn)更高的預(yù)測(cè)精度,RSM已被廣泛用于材料配合比設(shè)計(jì)領(lǐng)域[19]。基于此,本文利用Box-Behnken Design響應(yīng)面法(RSM-BBD)對(duì)混凝土礦物摻合料的種類和摻量進(jìn)行設(shè)計(jì),結(jié)合相關(guān)學(xué)者在高海拔地區(qū)橋梁混凝土技術(shù)方面的研究基礎(chǔ)[20],針對(duì)高原地區(qū)的環(huán)境特點(diǎn),通過(guò)調(diào)整粉煤灰、礦渣和硅灰的摻量探求混凝土力學(xué)和抗凍融性能的變化規(guī)律,對(duì)高原地區(qū)橋墩混凝土的制備提供參考意見(jiàn)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

P·O 42.5普通硅酸鹽水泥由嘉華特種水泥股份有限公司生產(chǎn),其28 d抗壓強(qiáng)度為47.9 MPa;礦物摻合料選用Ⅰ級(jí)粉煤灰、S95級(jí)磨細(xì)礦渣和硅灰,粉煤灰的細(xì)度(45 μm)篩余為6.5%,需水量比為92%,礦渣和硅灰的比表面積分別為486和2.38×104m2/kg。水泥、粉煤灰、礦渣和硅灰的主要化學(xué)成分見(jiàn)表1。粗細(xì)骨料為中國(guó)水利水電第九工程局有限公司生產(chǎn)的砂石,其中粗骨料碎石表觀密度為2 740 kg/m3,松散堆積密度為1 520 kg/m3,針片狀含量為4.1%,壓碎值為17.4%,含泥量為0.1%;細(xì)骨料機(jī)制砂堆積孔隙率為41%,細(xì)度模數(shù)為2.8。減水劑為聚羧酸高性能減水劑,減水率為31%,含固量為26.3%。

表1 水泥和礦物摻合料的主要化學(xué)成分Table 1 Main chemical composition of cement and mineral admixtures

1.2 配合比

根據(jù)已有的工程經(jīng)驗(yàn)和研究成果,為了保證混凝土的強(qiáng)度等級(jí)不低于C50,試驗(yàn)控制混凝土總膠凝材料用量、砂石摻量和水膠比不變,其中膠凝材料總量為540 kg/m3,砂摻量為645 kg/m3,碎石摻量為1 100 kg/m3,減水劑摻量為7.39 kg/m3,水膠比為0.3。本次試驗(yàn)重點(diǎn)在于探究粉煤灰摻量(X)、礦渣摻量(Y)和硅灰摻量(Z) 3種因素對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度(R1)、200次凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失率(R2)和200次凍融循環(huán)后的相對(duì)動(dòng)彈性模量(R3)的影響規(guī)律。各因素的水平:粉煤灰的摻量依次為0%、10%和20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),礦渣的摻量依次為0%、10%和20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),硅灰的摻量依次為0%、5%和10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。自變量因素編碼及水平設(shè)置如表2所示,利用Design-Export軟件進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì),結(jié)果如表3所示。軟件在分析3因素、3水平響應(yīng)面試驗(yàn)時(shí),需要進(jìn)行15組試驗(yàn)。為了對(duì)比評(píng)價(jià)礦物摻合料的影響效果,本次試驗(yàn)同時(shí)設(shè)置純水泥組作為基準(zhǔn)組(S)。

表2 試驗(yàn)自變量因素編碼及水平Table 2 Codes and levels of experimental independent variable factors

表3 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Actual results of RMS-BBD

1.3 試驗(yàn)方法

本次凍融循環(huán)試驗(yàn)主要根據(jù)《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)進(jìn)行操作。采用快凍法,試塊尺寸為100 mm×100 mm×400 mm,標(biāo)養(yǎng)24 d后將試塊取出,在(20±2) ℃水中浸泡4 d,取出試塊擦干表面水分,采用DT-12型動(dòng)彈性模量監(jiān)測(cè)儀和天平測(cè)定試塊的初始橫向基頻f0i和初始質(zhì)量W0i,之后進(jìn)行凍融試驗(yàn)。凍融設(shè)備為混凝土全自動(dòng)快速凍融試驗(yàn)機(jī),凍結(jié)溫度為-18～-14 ℃,融化溫度設(shè)定為5～8 ℃,一次凍融循環(huán)時(shí)間為2～4 h。達(dá)到200次凍融循環(huán)之后,將試塊取出,清理干凈混凝土表面浮渣并擦干水分,繼續(xù)測(cè)量橫向基頻f200i和質(zhì)量W200i。試塊的質(zhì)量損失率ΔW200i和相對(duì)動(dòng)彈性模量P200i分別按照式(1)、(2)計(jì)算。

(1)

(2)

2 結(jié)果與討論

2.1 響應(yīng)面試驗(yàn)及預(yù)測(cè)結(jié)果

響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果如表3所示,利用Design-Export軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多元回歸擬合,得出響應(yīng)面函數(shù),如式(3)～(5)所示。

R1=68.57-2.74X+1.87Y+3.71Z+1.03XY-0.90XZ+1.17YZ+1.94X2-1.08Y2+0.99Z2

(3)

R2=1.59-0.66X+0.15Y-0.48Z-0.10XY+0.14XZ+0.05YZ+0.43X2+0.10Y2+0.087Z2

(4)

R3=76.80+2.79X-3.00Y+3.46Z+0.80XY-0.73XZ-0.35YZ+0.84X2-0.24Y2+0.89Z2

(5)

2.2 響應(yīng)面模型可靠性分析

對(duì)響應(yīng)面函數(shù)模型進(jìn)行方差分析以驗(yàn)證其可靠性,結(jié)果如表4所示?；炷粮髦笜?biāo)實(shí)際值和預(yù)測(cè)值對(duì)比如圖1所示。從表4可以看出,所建立的模型P值均小于0.01,說(shuō)明回歸效果顯著,失擬項(xiàng)P值大于0.05,這說(shuō)明混凝土各指標(biāo)的實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值具有較好的吻合度。從圖1可以看出,各數(shù)據(jù)點(diǎn)基本都沿著直線y=x均勻分布,模擬的預(yù)測(cè)值和實(shí)際值接近,說(shuō)明設(shè)計(jì)的回歸方程模型能夠有效預(yù)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果[21]。

圖1 混凝土各指標(biāo)實(shí)際值和預(yù)測(cè)值對(duì)比Fig.1 Comparison of actual and predicted results of concrete indexes

表4 響應(yīng)面回歸模型方差分析Table 4 Variance analysis of RMS-BBD regression model

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.3.1 礦物摻合料對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

分析表4,在影響混凝土抗壓強(qiáng)度(R1)的3個(gè)因素中,硅灰摻量(Z)的F值最大,為213.75,其次為粉煤灰摻量(X),礦渣摻量(Y)的F值最小。因此,各因素對(duì)混凝土28 d抗壓強(qiáng)度的影響效果依次為硅灰摻量(Z)>粉煤灰摻量(X)>礦渣摻量(Y)。從試驗(yàn)擬合結(jié)果上看,混凝土28 d抗壓強(qiáng)度主要受粉煤灰、礦渣和硅灰的單因素影響,此外,粉煤灰和礦渣摻量(XY)與礦渣和硅灰摻量(YZ)這兩組交互項(xiàng)也對(duì)混凝土28 d抗壓強(qiáng)度存在一定的影響?；鶞?zhǔn)組(S)28 d抗壓強(qiáng)度為67.3 MPa,除了個(gè)別粉煤摻量較高的試驗(yàn)組,其余試驗(yàn)組混凝土28 d抗壓強(qiáng)度均高于基準(zhǔn)組。圖2給出了各因素對(duì)混凝土28 d抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律。圖2(a)和(b)顯示,隨著粉煤灰摻量增加,粉煤灰-礦渣復(fù)摻以及粉煤灰-硅灰復(fù)摻混凝土28 d抗壓強(qiáng)度均有所降低。這是由于粉煤灰的活性相對(duì)較低,提高粉煤灰摻量則會(huì)降低混凝土體系水化速率,影響28 d抗壓強(qiáng)度。由圖2(a)可知,隨著粉煤灰摻量增加和礦渣摻量降低,混凝土28 d抗壓強(qiáng)度逐漸降低。當(dāng)粉煤灰摻量為0%時(shí),礦渣摻量由0%增至20%,混凝土抗壓強(qiáng)度增加了1.7 MPa,當(dāng)粉煤灰摻量為20%時(shí),隨著礦渣摻量增加,混凝土28 d抗壓強(qiáng)度增加了5.8 MPa。可以看出,盡管粉煤灰早期活性較低,礦渣和粉煤灰的交互作用仍可以一定程度上提高混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度,這主要是由于礦渣的晶核作用及其提高混凝土的堿度,激發(fā)粉煤灰的活性,充分發(fā)揮產(chǎn)生的“疊加效應(yīng)”[22]。由圖2(b)可知,硅灰摻量的增加有利于混凝土抗壓強(qiáng)度的提高,這是由于較高活性的硅灰與Ca(OH)2之間發(fā)生反應(yīng)將進(jìn)一步降低Ca(OH)2含量,并產(chǎn)生水化硅酸鈣(C-S-H)凝膠[8],促進(jìn)水泥水化反應(yīng)進(jìn)程。由圖2(c)可知,礦渣摻量越高,硅灰-礦渣復(fù)摻混凝土抗壓強(qiáng)度的提高越明顯,說(shuō)明硅灰和礦渣共同作用更有利于混凝土抗壓強(qiáng)度的發(fā)展。分析原因在于硅灰的活性高,既可以在早期與Ca(OH)2短時(shí)間內(nèi)發(fā)生反應(yīng),后期也可持續(xù)與礦渣產(chǎn)生火山灰復(fù)合效應(yīng)、微集料復(fù)合效應(yīng)等交互作用[23]。

圖2 各因素對(duì)混凝土28 d抗壓強(qiáng)度的影響Fig.2 Influences of various factors on 28 d compressive strength of concrete

2.3.2 礦物摻合料對(duì)混凝土抗凍融性能的影響

混凝土處于凍融環(huán)境中,可能產(chǎn)生表面剝落、內(nèi)部孔隙增大的現(xiàn)象。質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈性模量是表征混凝土凍融損傷特性的兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。由表4可知,各因素對(duì)混凝土凍融質(zhì)量損失率的影響效果依次為粉煤灰摻量(X)>硅灰摻量(Z)>礦渣摻量(Y)?；鶞?zhǔn)組(S)200次凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失率為3.07%。圖3給出了各因素對(duì)混凝土200次凍融循環(huán)后質(zhì)量損失率的影響。由圖3可知,200次凍融循環(huán)后,粉煤灰-礦渣、硅灰-礦渣以及部分粉煤灰-硅灰復(fù)摻混凝土的質(zhì)量損失率低于基準(zhǔn)組,說(shuō)明在試驗(yàn)設(shè)計(jì)的摻量范圍內(nèi),合適的礦物摻合料有利于降低混凝土的質(zhì)量損失率。由圖3(a)和(b)可以看出,無(wú)論是粉煤灰-礦渣復(fù)摻還是粉煤灰-硅灰復(fù)摻,粉煤灰摻量的增加將有效降低混凝土的質(zhì)量損失率,說(shuō)明粉煤灰可以有效降低混凝土質(zhì)量損失率;由圖3(b)和(c)可以看出,硅灰摻量的增加也能有效降低混凝土的質(zhì)量損失率。

分析表4中相對(duì)動(dòng)彈性模量損失率(R3)的F值,可以看出各因素對(duì)于混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量的影響效果依次為硅灰摻量(Z)>礦渣摻量(Y)>粉煤灰摻量(X),混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量受粉煤灰和礦渣摻量(XY)與粉煤灰和硅灰摻量(XZ)交互作用影響效果同樣顯著?；鶞?zhǔn)組(S)經(jīng)歷200次凍融循環(huán)后相對(duì)動(dòng)彈性模量為74.1%,圖4為各因素對(duì)混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量的影響。由圖4可知,不同礦物摻合料對(duì)混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量的影響規(guī)律與質(zhì)量損失率較為一致。混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量隨著粉煤灰和硅灰摻量的增加而增加,隨礦渣摻量的增加反而有所降低。只有當(dāng)粉煤灰和硅灰摻量較低且礦渣摻量較高時(shí),混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量才會(huì)低于基準(zhǔn)組,其余試驗(yàn)組相對(duì)動(dòng)彈性模量均高于基準(zhǔn)組,說(shuō)明粉煤灰和硅灰的摻入可以一定程度降低礦渣對(duì)混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量的不利影響。同時(shí),相較于粉煤灰,硅灰對(duì)相對(duì)動(dòng)彈性模量的提升作用更顯著。

圖4 各因素對(duì)混凝土200次凍融循環(huán)后相對(duì)動(dòng)彈性模量的影響Fig.4 Influences of various factors on relative dynamic elastic modulus of concrete after 200 times freeze-thaw cycles

混凝土的凍融破壞本質(zhì)上可以歸結(jié)為內(nèi)部孔隙水反復(fù)結(jié)冰,并伴隨著體積膨脹,不斷擠壓孔隙壁,造成混凝土內(nèi)部微裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。裂紋擴(kuò)展到一定程度后逐漸與外界環(huán)境連通,造成外界水分和侵蝕性離子更容易進(jìn)入混凝土內(nèi)部,進(jìn)一步加劇混凝土的損傷[24]。混凝土的宏觀凍融損傷特征與微觀孔隙結(jié)構(gòu)演變密切相關(guān)。在混凝土攪拌和養(yǎng)護(hù)過(guò)程中,由于空氣混入以及孔隙水不斷參與水化反應(yīng)等,混凝土內(nèi)部將隨機(jī)分布大小不一的孔隙。粉煤灰和硅灰皆通過(guò)消耗水泥水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生新的凝膠,促進(jìn)混凝土密實(shí)性增加,粉煤灰主要與水泥水化產(chǎn)物中的Ca(OH)2發(fā)生二次水化反應(yīng)生成水化硅酸鈣凝膠和水化鋁酸鈣晶體,成為膠凝材料的一部分,起到增強(qiáng)作用,減少凍脹破壞的影響[25]。但粉煤灰活性低,火山灰反應(yīng)慢[26],硅灰比粉煤灰的增強(qiáng)效果要好,因?yàn)楣杌壹?xì)度更小,活性更高,更小的粒徑使硅灰兼具集料效應(yīng),可以有效填充混凝土中的孔隙[27]。

2.4 混凝土最優(yōu)配合比及模型驗(yàn)證

以混凝土28 d抗壓強(qiáng)度和200次凍融循環(huán)后相對(duì)動(dòng)彈性模量的最大值,以及200次凍融循環(huán)后質(zhì)量損失率最小值作為優(yōu)化目標(biāo),采用Design-Expert軟件對(duì)混凝土配合比進(jìn)行優(yōu)化,得到的最優(yōu)配合比為粉煤灰摻量20%,礦渣摻量15%,硅灰摻量10%。為檢驗(yàn)響應(yīng)面模型的準(zhǔn)確性和有效性,對(duì)比模型的預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值,結(jié)果見(jiàn)表5。可以看出各響應(yīng)的實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值之間的誤差均小于5%,表明模型精度較高且優(yōu)化方案可信。

表5 優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)的試驗(yàn)結(jié)果及預(yù)測(cè)結(jié)果Table 5 Actual and predicted results of optimized mix proportion design

3 結(jié) 論

1)利用RSM-BBD試驗(yàn)設(shè)計(jì),建立了粉煤灰摻量、礦渣摻量、硅灰摻量與混凝土28 d抗壓強(qiáng)度、200次凍融循環(huán)后質(zhì)量損失率、200次凍融循環(huán)后相對(duì)動(dòng)彈性模量的二次回歸模型,經(jīng)方差分析、實(shí)際值和預(yù)測(cè)值對(duì)比等檢驗(yàn),模型擬合精度較高。

2)礦渣和硅灰有利于提高混凝土28 d抗壓強(qiáng)度,粉煤灰和硅灰則有利于提高混凝土抗凍融性能。方差和響應(yīng)面分析表明,各響應(yīng)不僅受到單因素的影響,同時(shí)受到各因素交互作用的影響。礦渣和硅灰摻量的交互作用對(duì)混凝土28 d抗壓強(qiáng)度影響顯著,粉煤灰與硅灰摻量的交互作用對(duì)混凝土200次凍融循環(huán)后質(zhì)量損失率影響顯著,粉煤灰與礦渣摻量的交互作用對(duì)混凝土200次凍融循環(huán)后相對(duì)動(dòng)彈性模量影響顯著。

3)在確?；炷量箟簭?qiáng)度的前提下,抗凍融能力是高原地區(qū)橋墩混凝土必須考慮的因素。與基準(zhǔn)組混凝土相比,摻入適量礦物摻合料后混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗凍融性能均有了顯著提高。本試驗(yàn)條件下,最終確定粉煤灰摻量20%,礦渣摻量15%,硅灰摻量10%,可有效提高橋墩混凝土的性能。