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)下硅粉對混凝土收縮的影響，對于硅粉混凝土體積穩(wěn)定性的深入認(rèn)識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P.O 水泥。

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

粗骨料:碎石，連續(xù)級配，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:挪威埃肯公司出品，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)℃、相對濕度為(60 士5)%的恒溫恒濕環(huán)境，立即測定試件的初始長度，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)測定各組試件的長度，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，表明水膠比對收縮率的影響最顯著;而在180 d 齡期時(shí)，砂率對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180 d 收縮率影響不顯著外，其他各齡期，3 個(gè)因素對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

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

從圖2 可以看出:硅粉摻量對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，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，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，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)的對數(shù)函數(shù)關(guān)系，并將各組收縮曲線擬合分析得出的對數(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，從而對硅粉混凝土的收縮性能進(jìn)行預(yù)測和評估。

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，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)收縮率增長較快，而硅粉摻量大于10%以后的收縮趨于平緩。

③通過對試驗(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)測或設(shè)計(jì)硅粉混凝土的收縮性能。

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