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摘要：通過正交試驗, 研究了摻加自養(yǎng)護劑高性能混凝土在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護和自然養(yǎng)護條件下的 28d 抗壓強度, 分析了配制自養(yǎng)護高性能混凝土的可行性。在高性能混凝土中摻入含水率高的預(yù)濕輕質(zhì)骨料（本文稱之為自養(yǎng)護劑），是一種提高低水膠比高性能混凝土養(yǎng)護效果的新方法。自養(yǎng)護高性能混凝土的應(yīng)用可極大地節(jié)省混凝土的養(yǎng)護費用, 為解決混凝土自干燥問題提供了一條新思路。...
 
自養(yǎng)護高性能混凝土的試驗研究
 
張德思 陳會凡
（西北工業(yè)大學(xué) 西安 710072）
    高性能混凝土的原材料與配合比，決定了它的早期水化速度快, 混凝土內(nèi)部的相對濕度顯著降低，產(chǎn)生不可忽略的自干燥效應(yīng), 同時伴隨混凝土產(chǎn)生一定的收縮，稱為自收縮。混凝土的養(yǎng)護條件不同, 早期強度發(fā)展也不相同。 低水膠比的高性能混凝土，如果早期養(yǎng)護不充分, 不但自干燥引起的體積收縮增大, 早期裂縫增多, 其早期強度也因內(nèi)部水分短缺, 水化反應(yīng)速率慢而大為降低。國內(nèi)多數(shù)學(xué)者和工程人員在高性能混凝土的研究和工程應(yīng)用中, 都以提高混凝土外部環(huán)境的養(yǎng)護溫濕度來提高混凝土的早期水化程度及早期強度。通過摻加自養(yǎng)護劑, 研制對外部養(yǎng)護條件不敏感的自養(yǎng)護混凝土, 國內(nèi)尚少見報導(dǎo)。研究生產(chǎn)自養(yǎng)護高性能混凝土, 不僅對改善施工條件, 節(jié)省混凝土養(yǎng)護費用, 推廣高性能混凝土的應(yīng)用領(lǐng)域和范圍具有重要意義, 也為研究減少高性能混凝土的收縮, 提供一種新思路。
 
    本文通過正交試驗, 以水膠比、自養(yǎng)護劑、硅粉、減水劑摻量為變化因素, 制定方案進行試驗, 比較標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護和自然養(yǎng)護條件下自養(yǎng)護高性能混凝土28d 強度的異同, 探索配制自養(yǎng)護混凝土的最優(yōu)方案。
 
1、試驗研究
    1.1試驗?zāi)康募霸牧?/B>
    考察水膠比為0.24～0.33 的高性能混凝土摻入自養(yǎng)護劑后, 在標(biāo)養(yǎng)及自養(yǎng)護即混凝土成型后不進行任何外部養(yǎng)護條件下強度的變化特點, 探索制備自養(yǎng)護高性能混凝土的可行性和最佳配比。試驗用原材料包括: P·O 42. 5R 普通硅酸鹽水泥、硅粉、HSP 萘系高效減水劑、自養(yǎng)護劑預(yù)濕粘土陶砂輕骨料 、卵石、河砂及自來水。試驗前，自養(yǎng)護劑陶砂應(yīng)預(yù)先浸泡24h，使其充分吸水，實測24h吸水率為11.6%；實驗中實際加入的水分應(yīng)扣除輕骨料的表面水。水泥及硅灰化學(xué)成分見表 1 , 硅灰粒級見表 2。
 
表 1 　原材料的化學(xué)成分 (%)
化學(xué)成份
SiO2
Al2O3
CaO
MgO
Fe2O3
Na2O
K2O
燒失量
硅酸鹽水泥
20.7
6.16
64.0
1.82
4.41
0.20
1.2
1.51
硅灰
90.5
未檢出
2.31
未檢出
2.75
0.47
0.22
2.73
 
表 2 　硅灰顆粒級配 (%)
<1 μm
1-2 μm
2-4 μm
4-10 μm
10-20 μm
20-30 μm
30-40 μm
22.4
9.7
11.5
19.7
20.3
13.3
3.1
 
    1.2正交試驗
    試驗固定單位用水量為 150kg/ m3 , 砂率 S P=32 %, 考慮水膠比 W/B 、硅粉 SF 摻量、粘土陶砂LWA 摻量及減水劑 HSP摻量四個因素對自養(yǎng)護高性能混凝土的影響, 在標(biāo)養(yǎng) 20 ±2 ℃, 相對濕度 95 %以上和自然養(yǎng)護室溫 22～32 ℃, 相對濕度 40 %～45 %條件下, 比較混凝土的 28d 抗壓強度, 以確定該混凝土對養(yǎng)護條件的敏感程度。試驗各因素水平的選擇見表 3, 其中自養(yǎng)護劑粘土陶砂 LWA 的摻量采用砂、石總體積的百分?jǐn)?shù)表示, 硅粉用量采用膠凝材料總質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)表示,減水劑摻量為膠凝材料總量的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。試驗選用L16（45） 正交表, 正交表及試驗數(shù)據(jù)見表 4。試驗數(shù)據(jù)分析及各因素趨勢見表 5。
表3  因素水平表
因素
水平
A
(W/B / %）
B
（LWA / %）
C
（SF / %）
D
（HSP / %）
1
0.24
15
6
1.0
2
0.27
20
8
1.5
3
0.30
25
10
2.0
4
0.33
30
12
2.5
 
表4  L16（45）正交表及試驗數(shù)據(jù)
試驗號
A
（W/B）
B
（LWA）
C
（SF）
D
（HSP）
E
(空列)
28d 抗壓強度/MPa
 
坍落度
（mm）
R1
(標(biāo)養(yǎng))
R2
（自養(yǎng)）
1
1（0.24）
1（15％）
1（6％）
1（1.0％）
1
73.8
70.2
30
2
1（0.24）
2（20％）
2（8％）
2（1.5％）
2
71.5
80.1
50
3
1（0.24）
3（25％）
3（10％）
3（2.0％）
3
72.3
71.0
105
4
1（0.24）
4（30％）
4（12％）
4（2.5％）
4
62.8
61.5
205
5
2（0.27）
1（15％）
2（8％）
3（2.0％）
4
68.4
73.7
120
6
2（0.27）
2（20％）
1（6％）
4（2.5％）
3
59.5
63.4
200
7
2（0.27）
3（25％）
4（12％）
1（1.0％）
2
74.2
67.9
47
8
2（0.27）
4（30％）
3（10％）
2（1.5％）
1
62.8
67.1
193
9
3（0.30）
1（15％）
3（10％）
4（2.5％）
2
65.1
62.7
195
10
3（0.30）
2（20％）
4（12％）
3（2.0％）
1
63.9
67.7
170
11
3（0.30）
3（25％）
1（6％）
2（1.5％）
4
62.8
68.0
166
12
3（0.30）
4（30％）
2（8％）
1（1.0％）
3
65.9
64.3
133
13
4（0.33）
1（15％）
4（12％）
2（1.5％）
3
61.0
67.9
160
14
4（0.33）
2（20％）
3（10％）
1（1.0％）
4
65.3
66.7
130
15
4（0.33）
3（25％）
2（8％）
4（2.5％）
1
52.5
52.4
147
16
4（0.33）
4（30％）
1（6％）
3（2.0％）
2
54.8
57.7
166
 
    由表 4 可以看出：（1）28d 抗壓強度最高值為第 2組自養(yǎng)護混凝土 80.1MPa。（2）從標(biāo)養(yǎng)與自養(yǎng)條件下的混凝土對比可知 , 有8 組 （第2、5、6、8、10、11、13、14組）自養(yǎng)護混凝土的 28d 強度高于標(biāo)養(yǎng)混凝土, 有5 組 （第 1、3、4、9、12 組） 與標(biāo)養(yǎng)混凝土 28d 強度十分接近 （95 %）。（3）強度值高于或不小于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護強度95 %的自養(yǎng)護混凝土組數(shù)分布在水膠比的不同水平。以上三條說明, 低水膠比高性能混凝土加入自養(yǎng)護劑, 在自然環(huán)境中不進行人工養(yǎng)護, 其 28d 抗壓強度可達到或超過標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下的混凝土。
表 5 　極差分析及方差分析表
考核指標(biāo)
因子
T1
T2
T3
T4
極差
平方和
自由度
均方和
F值
顯著性
坍落度
A(W/B)
97.5
140.0
166.0
150.7
68.50
10163.44
3
3387.81
2.79
 
B(LWA)
126.25
137.5
116.3
174.3
58.0
7348.44
3
2449.48
2.01
 
C(SF)
140.5
112.5
155.8
145.5
43.25
3815.44
3
1271.81
1.05
 
D(HSP)
85.0
142.3
140.3
186.8
101.8
20456.44
3
6818.81
5.61
*
空列
135.0
114.5
149.5
155.25
40.75
3648.94
3
1216.31
-
 
標(biāo)準(zhǔn)
養(yǎng)護
R28
A(W/B)
70.10
66.23
64.42
59.39
10.71
233.25
3
77.75
9.01
**
B(LWA)
67.05
65.55
65.04
62.60
4.45
40.61
3
13.54
1.57
 
C(SF)
63.70
64.60
66.40
65.50
2.70
15.69
3
8.63
1.0
 
D(HSP)
69.79
64.52
65.86
59.97
9.82
197.13
3
65.71
7.62
**
空列
63.23
67.40
64.69
64.81
4.17
36.08
3
8.63
-
 
自
養(yǎng)護
R28
A(W/B)
70.71
68.03
65.69
58.55
12.16
326.60
3
108.87
9.64
**
B(LWA)
68.62
69.47
62.94
61.93
7.54
178.30
3
59.42
5.26
**
C(SF)
64.10
65.7
66.9
66.2
2.79
17.0
3
11.3
1.0
 
D(HSP)
67.28
70.77
66.80
58.11
12.66
348.0
3
116.0
10.3
***
空列
62.44
66.39
66.64
67.49
4.20
60.79
3
11.3
-
 
    注：F檢驗臨界值為：Ｆ０．０１（３，３）＝２９.５；Ｆ０.０５（３，３）＝９.２８；
Ｆ０.１（３，３）＝５.３９；
 
    1.3試驗結(jié)果分析
    由表 5 可知: （1） 對混凝土拌合物坍落度的影響主要來自 HSP萘系減水劑, 且隨著減水劑摻量增加坍落度相應(yīng)增大, 影響顯著。 （2） 影響標(biāo)養(yǎng)混凝土強度的順序為 A （水膠比） →D （減水劑摻量） →B （自養(yǎng)護劑摻量） →C(硅粉摻量) , 其中水膠比與減水劑摻量對混凝土 28d 抗壓強度的影響非常顯著; 影響自養(yǎng)護混凝土強度的順序為 D→A →B →C, 其中減水劑摻量對 28d抗壓強度的影響十分顯著, 水膠比與自養(yǎng)護劑的影響亦非常顯著。自養(yǎng)護劑僅在自然養(yǎng)護條件下對強度影響顯著, 這說明當(dāng)混凝土水化水分出現(xiàn)不足時, 自養(yǎng)護劑中的蓄水為混凝土提供了后備水源, 使水化反應(yīng)得以繼續(xù)進行, 混凝土內(nèi)水化產(chǎn)物增多, 密實度提高, 強度增大。（3） 比較同一因素, 不同 T 值不同水平指標(biāo)在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護和自然養(yǎng)護條件下的變化情況可知: （a） 水膠比為 0.24～0.30 , 自養(yǎng)護混凝土的強度高于標(biāo)養(yǎng)混凝土, 水膠比為0.33的自養(yǎng)護混凝土強度是標(biāo)養(yǎng)混凝土強度的 98 %。（b）標(biāo)養(yǎng)混凝土隨自養(yǎng)護劑摻量增大強度相應(yīng)降低, 但摻量在 20 %～30 %時, 對強度的影響很小; 自養(yǎng)混凝土中自養(yǎng)護劑摻量從 15 %增大到 20 %, 強度反而有所增加, 摻量繼續(xù)增大, 強度相應(yīng)降低。(c) 在自養(yǎng)混凝土中, 硅粉在自然養(yǎng)護條件下增強效應(yīng)比標(biāo)養(yǎng)條件下好, 硅粉摻量在 10 %增強效應(yīng)最好。 (d) 減水劑摻量在 1. 5 %左右增強效果最明顯。
 
    綜上所述, 水膠比在 0.24～0.33 時配制自養(yǎng)高強混凝土是完全可行的。從強度和坍落度兩方面綜合考慮, 本試驗的最優(yōu)方案取水膠比 0.24 , 自養(yǎng)護劑摻量20 %, 硅粉摻量10 %, 減水劑摻量1.8 %， 單位用水量150 kg/ m3 , 砂率 Sp =32 % 。
 
    1.4重復(fù)性驗證試驗
    為驗證上述結(jié)論的穩(wěn)定性、可靠性, 取最優(yōu)配比方案進行了5 組重復(fù)性試驗, 試驗結(jié)果見表6。
表 6 　重復(fù)性試驗數(shù)據(jù)
試驗組號
1
2
3
4
5
坍落度/ mm
122
118
126
115
116
標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28d抗壓強度/ MPa
81.6
84.8
85.4
82.4
82.1
自養(yǎng)護28d抗壓強度/ MPa
79.1
82.7
83.7
81.2
80.3
 
由表6的試驗結(jié)果可知, 摻入自養(yǎng)護劑可配制出坍落度不低于 110mm , 混凝土28d抗壓強度達 80MPa 的高性能自養(yǎng)護混凝土。
 
2、結(jié)論
    試驗表明摻入自養(yǎng)護劑后, 水膠比為0.24～0.33的低水膠比高性能混凝土對養(yǎng)護環(huán)境條件的敏感性大大降低, 在自然環(huán)境下無需人工養(yǎng)護, 其28d 抗壓強度和相應(yīng)的標(biāo)養(yǎng)混凝土相同。在高性能混凝土中摻入含水率高的預(yù)濕輕質(zhì)骨料（本文稱之為自養(yǎng)護劑），是一種提高低水膠比高性能混凝土養(yǎng)護效果的新方法。輕質(zhì)骨料均勻的分散在整個膠凝材料中，起內(nèi)部蓄水池的作用，只要水化過程中出現(xiàn)水分不足，就有濕度梯度存在，輕骨料中的水分首先依靠毛細管吸力傳送至水泥漿體，然后通過水蒸汽擴散作用向四周擴散，接著是毛細冷凝作用為水化反應(yīng)供給所需水分，從而支持水化反應(yīng)繼續(xù)進行。新的水化產(chǎn)物填充混凝土中的空隙或者是由于干燥作用產(chǎn)生的微裂縫，使混凝土對養(yǎng)護缺陷不再敏感，硬化水泥漿體結(jié)構(gòu)更加密實，微裂縫更少。由于該方法依靠混凝土骨料蓄水對混凝土自身進行養(yǎng)護，形成混凝土內(nèi)部的密實結(jié)構(gòu)，因此可以形象地稱其為自養(yǎng)護HPC。自養(yǎng)護高性能混凝土應(yīng)用于工程實際中無需人工養(yǎng)護, 節(jié)省了混凝土的養(yǎng)護費用。本試驗中自養(yǎng)護劑的摻量以骨料總體積的20 %為宜。在實際應(yīng)用中, 自養(yǎng)護劑的摻量與其吸水率有一定的關(guān)系, 摻入自養(yǎng)護劑的硅灰高性能混凝土，其微觀結(jié)構(gòu)中附加養(yǎng)護水的分布情況以及自養(yǎng)護劑的養(yǎng)護效率和機理還有待于進一步的深入研究。
 
 
參考文獻：
[1] 劉紅宇.養(yǎng)護方法對高強混凝土強度的影響[J ]. 山西建筑,2001(6)
[2] 于韻,蔣正武,唐曉淘. 養(yǎng)護條件對混凝土早期內(nèi)部相對濕度的影響研究[J ].江西建材,2003 (1)
 
 
(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會  文徑網(wǎng)絡(luò)：文徑 楊葉 編輯  劉真 審核)
 
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