李 雁，呂恒林，殷惠光，劉瑞雪，李 兵

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，江蘇 徐州 221008； 2.徐州工程學(xué)院土木工程學(xué)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(dǎo)致其劣化現(xiàn)象非常嚴(yán)重，因此需要對(duì)海工混凝土的配合比進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以使其具有良好的工作性能、合適的力學(xué)強(qiáng)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(chǔ)設(shè)施建設(shè)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(xì)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(dāng)?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(shí)意義[3-4]。

本文將采用正交試驗(yàn)的方法，綜合考慮砂的種類、水膠比、養(yǎng)護(hù)時(shí)間、單方用水量等因素，對(duì)沿海地區(qū)使用海砂的海工混凝土工作及力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，并分析各因素對(duì)性能指標(biāo)的影響程度，從而指導(dǎo)海工混凝土配合比設(shè)計(jì)。

1 配合比設(shè)計(jì)的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法

1.1 試驗(yàn)原材料

42.5R級(jí)普通硅酸鹽水泥(密度3.18 g/cm3，比表面積350 m2/kg，細(xì)度0.8%，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量30.2%，安定性膠砂強(qiáng)度合格)；粗骨料(粒級(jí)5～31.5 mm，針片狀含量6.7%，含泥量0.63%)；細(xì)骨料(海砂：中砂偏細(xì)，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(yàn)表[5-6]

高性能化海砂混凝土正交試驗(yàn)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)因素和水平

1.3 試驗(yàn)程序和結(jié)果

試驗(yàn)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(yàn)采用人工攪拌、機(jī)械振搗的方法。首先將水泥、礦物摻合料、細(xì)骨料攪拌均勻，然后加入70%的水，拌和均勻后同時(shí)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(dòng)臺(tái)上振搗，成形后拆模標(biāo)養(yǎng)待用。結(jié)果見(jiàn)表2。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果及直觀分析

試驗(yàn)結(jié)果分析見(jiàn)表2。

表2 海工混凝土工作與力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

續(xù)表：

試件編號(hào)因素砂的種類A水灰比B養(yǎng)護(hù)時(shí)間C/d用水量D/(kg·m-3)立方體抗壓強(qiáng)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(duì)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(yīng)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(duì)于摻海砂混凝土的力學(xué)性能，由表2可知， D14的混凝土立方體抗壓強(qiáng)度最高，其相應(yīng)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(hù)時(shí)間為130 d，單方用水量為215 kg。通過(guò)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(jìn)行進(jìn)一步的分析。

將因素水平作為橫坐標(biāo)，以試驗(yàn)指標(biāo)的平均值ki為縱坐標(biāo)，畫(huà)出因素與指標(biāo)的趨勢(shì)圖，見(jiàn)圖1、圖2。

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

圖2 混凝土力學(xué)性能指標(biāo)與因素水平趨勢(shì)Fig.2 The trend of the mechanical performance and factor level of the concrete

對(duì)于摻海砂混凝土的工作性能，由圖1可知，當(dāng)砂的種類A1=海砂，水膠比B4=0.6，單方用水量為215 kg時(shí)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(duì)工作性的改善效果較為顯著。

對(duì)圖1進(jìn)一步分析可知，水灰比并不是越大工作性能就越好，當(dāng)水灰比大于0.50時(shí)，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(duì)此進(jìn)行進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證，但可以肯定的是通過(guò)提高水灰比來(lái)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(duì)混凝土拌合物工作性能的影響顯著，從趨勢(shì)圖中也可見(jiàn)其變化呈現(xiàn)出較為顯著的線性關(guān)系，即在不加減水劑的情況下水泥漿量的多少對(duì)混凝土拌合物工作性能的改善至關(guān)重要。有研究表明，水泥漿量對(duì)混凝土的耐久性、滲透性有一定的影響，水泥漿量過(guò)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(duì)于摻海砂混凝土的力學(xué)性能，由圖2可知，當(dāng)砂的種類A1=海砂，水膠比B1=0.45，養(yǎng)護(hù)時(shí)間C4=180 d，單方用水量為215 kg時(shí)混凝土的力學(xué)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(hù)時(shí)間)的水平選擇上有所差別。

對(duì)圖2進(jìn)一步分析可知，使用海砂以及淡化海砂的混凝土的抗壓強(qiáng)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(qiáng)度得到了提高，變化基本呈線型關(guān)系；值得注意的是隨著后期養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長(zhǎng)，混凝土抗壓強(qiáng)度的提高幅度較大，且變化呈線性增長(zhǎng)，這說(shuō)明隨著時(shí)間的推移，混凝土內(nèi)的二次水化反應(yīng)不斷進(jìn)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(qiáng)度，但提高的幅度有逐漸放緩的趨勢(shì)。單方用水量對(duì)于混凝土抗壓強(qiáng)度的變化趨勢(shì)較為平緩，說(shuō)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(qiáng)度，但也不會(huì)顯著降低混凝土的強(qiáng)度，由此認(rèn)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(duì)提高混凝土強(qiáng)度的影響很有限。

2.2 極差分析

對(duì)于摻海砂混凝土的工作性能，由表3的級(jí)差分析可知，由于RD>RA>RB，所以各因素從主到次的順序?yàn)椋篋(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(yàn)結(jié)果極差分析

對(duì)于摻海砂混凝土的力學(xué)性能，由表4的級(jí)差分析可知，RB>RC>RA>RD，所以各因素從主到次的順序?yàn)椋築(水灰比)，C(養(yǎng)護(hù)時(shí)間)，A(砂的種類)，D(單方用水量)。其中B因素的級(jí)差值最大，故水灰比是本次試驗(yàn)中決定強(qiáng)度大小的最主要因素； C因素級(jí)差值次之，說(shuō)明養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)強(qiáng)度提高的影響也十分明顯；A、D因素的級(jí)差值相對(duì)較小，且相差不大，說(shuō)明它們對(duì)混凝土強(qiáng)度指標(biāo)的影響力較小，且較為接近。這從一個(gè)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?jī)蓚€(gè)因素在本試驗(yàn)中對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響可能被誤差所掩蓋，如欲得到確切結(jié)論還需進(jìn)一步分析研究。

表4 混凝土力學(xué)性能(立方體抗壓強(qiáng)度)試驗(yàn)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(duì)正交試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行了討論，直觀分析方法具有簡(jiǎn)單直觀、計(jì)算量小等優(yōu)點(diǎn)，但直觀分析不能估計(jì)誤差的大小，不能精確地估計(jì)各因素的試驗(yàn)結(jié)果影響的重要程度，如果對(duì)試驗(yàn)結(jié)果再進(jìn)行方差分析，就能彌補(bǔ)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(duì)試驗(yàn)指標(biāo)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(duì)試驗(yàn)指標(biāo)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(shuō)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(yàn)結(jié)果方差分析

表6 混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)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(duì)試驗(yàn)指標(biāo)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(hù)時(shí)間)對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)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(shuō)明A因素(砂的種類)較為顯著；FD=2.832>F0.25(3，6)=1.78，說(shuō)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(duì)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(hù)時(shí)間是影響海工混凝土抗壓強(qiáng)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(shí)候，須嚴(yán)格控制水灰比，以保證其具有足夠的強(qiáng)度。

3) 要加強(qiáng)對(duì)海工混凝土的養(yǎng)護(hù)，因?yàn)轲B(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)混凝土后期強(qiáng)度的增長(zhǎng)的影響較為顯著。

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

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