黃國(guó)棟，張戎令,2，李 華，郭海貞，郝兆峰

(1.蘭州交通大學(xué) 甘肅省道路橋梁與地下工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070；2.蘭州交通大學(xué) 道橋工程災(zāi)害防治技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070)

0 引言

近年來(lái)，鋼管混凝土拱橋在我國(guó)大量建設(shè)，其充分發(fā)揮了鋼管和混凝土兩種材料的優(yōu)勢(shì)、彌補(bǔ)彼此缺點(diǎn)，使鋼管混凝土結(jié)構(gòu)性能優(yōu)于其他結(jié)構(gòu)[1]。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)揮優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵在于鋼管與核心混凝土之間緊密結(jié)合，充分發(fā)揮鋼管套箍作用，從而提高其受力性能。然而，為充分發(fā)揮鋼管與核心混凝土之間的協(xié)同作用，一般將核心混凝土設(shè)計(jì)為高性能混凝土，此類混凝土具有低水灰比、水泥用量高的特點(diǎn)，使其自收縮值較大，容易導(dǎo)致鋼管與核心混凝土之間產(chǎn)生裂縫，影響二者的協(xié)同作用。為解決此問(wèn)題，工程中多采用在鋼管內(nèi)灌注高性能微膨脹混凝土的方法，利用其水化硬化過(guò)程中體積膨脹，補(bǔ)償混凝土收縮，甚至產(chǎn)生一定的膨脹應(yīng)力，從而使鋼管與混凝土緊密結(jié)合[2-3]。但又因核心混凝土澆注后處于密閉環(huán)境中無(wú)法進(jìn)行外部養(yǎng)護(hù)，造成水化中后期膨脹劑由于缺水無(wú)法充分水化，影響膨脹劑彌補(bǔ)收縮的效果，從而影響二者優(yōu)勢(shì)性能的發(fā)揮。目前，針對(duì)高性能混凝土養(yǎng)護(hù)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者引入內(nèi)養(yǎng)護(hù)技術(shù)的研究[4-5],多采用一種新型內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料高吸水性樹脂(SAP)來(lái)改善混凝土性能。將SAP摻入高強(qiáng)、低水灰比混凝土，對(duì)混凝土硬化過(guò)程中發(fā)生的收縮及開(kāi)裂具有有效的抑制作用[4,6]。同時(shí)，SAP也具有引氣劑的效果，有研究表明[7-8]，SAP可提高混凝土的抗?jié)B、抗氯離子滲透性能。但較大量地?fù)饺隨AP對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度及流動(dòng)性有一定不利影響。而硅灰作為一種微細(xì)粉體外摻料，具有較高的火山灰活性，能夠填充混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，使其內(nèi)部更加密實(shí)，進(jìn)而顯著提高混凝土強(qiáng)度[9-10]。同時(shí)，可以不同程度地改善混凝土和易性[11-12]，故可以用以彌補(bǔ)SAP摻入造成的不利影響。

因此，膨脹劑與其他外加劑、外摻料聯(lián)合使用是其發(fā)展的必然趨勢(shì)，以發(fā)揮各自優(yōu)越特性。為此，本研究模擬鋼管核心混凝土密封環(huán)境，研究不同摻量膨脹劑、SAP、硅灰對(duì)鋼管核心混凝土性能影響，對(duì)內(nèi)養(yǎng)護(hù)復(fù)合型摻合料混凝土在鋼管密閉環(huán)境下的應(yīng)用具有一定的工程參考價(jià)值。

1 試驗(yàn)原材料及方案

1.1 試驗(yàn)原材料

水泥采用祁連山牌P·O42.5水泥；粗骨料采用5～20 mm粒徑的連續(xù)級(jí)配碎石；細(xì)骨料采用河沙，細(xì)度模數(shù)為2.8，屬于中砂；本試驗(yàn)采用兩種礦物摻合料,分別為UEA-H型膨脹劑和硅灰，其各項(xiàng)主要技術(shù)指標(biāo)分別見(jiàn)表1、表2；高吸水性樹脂SAP主要成分及物理性能見(jiàn)表3，細(xì)度為200目左右；減水劑采用聚羧酸高性能減水劑，減水率28%；拌和用水采用自來(lái)水。

表1 膨脹劑各項(xiàng)性能檢測(cè)指標(biāo)Tab.1 Testing indicators of expansion agent performance

表2 硅灰化學(xué)成分Tab.2 Chemical composition of silica fume

1.2 鋼管混凝土配合比正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

1.2.1試驗(yàn)?zāi)康募爸笜?biāo)確定

隨著混凝土工程建設(shè)規(guī)模與技術(shù)的快速增長(zhǎng)，其對(duì)混凝土不同性能的綜合需求也越來(lái)越高,不能只用單一因素進(jìn)行設(shè)計(jì)，應(yīng)進(jìn)行對(duì)混凝土多種性能指標(biāo)的綜合設(shè)計(jì)。本試驗(yàn)進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，采用的考核指標(biāo)為混凝土坍落度、抗壓強(qiáng)度及電通量。

表3 SAP主要成分及物理性能Tab.3 Main components and physical properties of SAP

1.2.2正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)考慮影響因素為膨脹劑、SPA、硅灰。為得到這3個(gè)因素的影響特點(diǎn)，每個(gè)因素設(shè)有3個(gè)水平，選用L9(34)的正交表，正交因素水平表見(jiàn)表4，正交試驗(yàn)方案的混凝土配合比見(jiàn)表5。膨脹劑摻量參考工程常用UEA型推薦摻量5%～10%，考慮內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑SAP摻入，故擴(kuò)大其摻量分別為8%，10%，12%。因本試驗(yàn)SAP采用干摻方式，混凝土內(nèi)吸水量未知且不易達(dá)到飽和，故依據(jù)大量文獻(xiàn)研究，適當(dāng)將其摻量擴(kuò)大為0.1%，0.3%，0.5%。根據(jù)大量研究及工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，高性能混凝土一般不易超高10%，既不因摻量過(guò)大影響流動(dòng)性，又可以有效改善混凝土其他性能，故取硅灰摻量分別為4%，6%，8%。

表4 因素水平表Tab.4 Factor level table

表5 正交試驗(yàn)混凝土配合比(單位：kg·m-3)Tab.5 Mix ratio of concrete in orthogonal test (unit: kg·m-3)

1.2.3試驗(yàn)方法

(1) 工作性能

混凝土工作性能主要是它的和易性，其表征方法是實(shí)測(cè)混凝土坍落度，按《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法》[13](GB/T 50080—2016)進(jìn)行。

(2) 力學(xué)性能

混凝土力學(xué)性能測(cè)試指標(biāo)為抗壓強(qiáng)度，測(cè)試方法依照標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[14](GB/T 50081—2016)進(jìn)行。鑒于SAP吸水性極強(qiáng)、極快，且遇水時(shí)極易發(fā)生團(tuán)聚導(dǎo)致攪拌均勻較為困難。因此，混凝土攪拌時(shí)宜先將粉末狀的膠凝材料和SAP 一起混合進(jìn)行攪拌10 s，然后將大粒徑的粗細(xì)骨料加入，干拌30 s，最后添加拌和水和減水劑，攪拌2 min。試塊成型后，為防止試塊水分蒸發(fā)，將試塊表面用保鮮膜覆蓋，放置在室溫的環(huán)境下，24 h后拆模、編號(hào)。為模擬鋼管核心混凝土密封環(huán)境，用塑料薄膜及膠帶密封，如圖1所示，然后放入養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)。

圖1 混凝土試塊密封情況Fig.1 Seal of concrete test blocks

(3)電通量

圖2 混凝土的抗氯離子滲透能力試驗(yàn)Fig.2 Anti-chlorine permeability test on concrete

本次試驗(yàn)電通量測(cè)試方法依照標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[15](GB/T 50082—2009)，對(duì)養(yǎng)護(hù)至齡期的Φ100 mm×50 mm標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試塊進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程如圖2所示。具體試驗(yàn)方法：試驗(yàn)前試塊需進(jìn)行真空保水，真空保水結(jié)束后，將側(cè)面蠟封的試塊安裝于兩側(cè)分別注入質(zhì)量濃度3.0%的NaCl(負(fù)極)和物質(zhì)量濃度0.3 mol/L 的NaOH(正極)的試驗(yàn)槽中進(jìn)行混凝土抗氯離子滲透能力。

(4)孔結(jié)構(gòu)

本試驗(yàn)利用Mi-cromeritics公司生產(chǎn)的AutoPore Ⅳ 9500型全自動(dòng)壓汞儀，試樣制備及過(guò)程參照文獻(xiàn)[16]要求,將養(yǎng)護(hù)至齡期的試件切成8～10 mm片狀，然后鉆孔取芯，直徑為4～8 mm的柱體形狀試樣，并浸泡在無(wú)水乙醇中終止膠凝材料水化，在60 ℃ 烘箱中烘干至恒重后進(jìn)行測(cè)試。

2 正交試驗(yàn)結(jié)果及分析

正交試驗(yàn)通常采用極差、方差兩種分析法，通過(guò)極差分析可以確定各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響的主次順序及試驗(yàn)范圍內(nèi)的最優(yōu)組合；通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的方差分析可具體得出試驗(yàn)誤差的大小，從而彌補(bǔ)極差分析的不足，進(jìn)而提高試驗(yàn)分析的精度及正確性。本次正交試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 正交試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Orthogonal test result

2.1 坍落度結(jié)果分析

2.1.1極差分析

對(duì)表6中坍落度試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差方法分析，結(jié)果如表7所示。由表7可知，本試驗(yàn)考慮的因素對(duì)鋼管微膨脹混凝土坍落度影響主次順序?yàn)椋篠AP→硅灰→膨脹劑。每個(gè)因素水平對(duì)應(yīng)的K值最大則為該因素的最優(yōu)水平，即得到滿足工作性能的因素水平最優(yōu)組合是：膨脹劑10%、SAP 0.3%、硅灰4%。

表7 坍落度試驗(yàn)結(jié)果極差分析計(jì)算表Tab.7 Calculation table of range analysis of slump test result

2.1.2方差分析

將表6中坍落度試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析,結(jié)果如表8所示。由表8可知,各因素影響坍落度的主次順序?yàn)椋篠AP→硅灰→膨脹劑，這與極差分析結(jié)果一致；SAP摻量對(duì)坍落度有一定影響，膨脹劑、硅灰的影響較??；本次試驗(yàn)考慮的3個(gè)因素顯著性檢驗(yàn)中，SAP、硅灰及膨脹劑摻量顯著性檢驗(yàn)均未達(dá)到顯著水平，但它們的偏差平方和都比誤差的偏差平方和要大，這說(shuō)明正交試驗(yàn)的結(jié)果是合理的。因此，本研究通過(guò)上述兩種方法的對(duì)比分析，在坍落度指標(biāo)結(jié)果分析條件下鋼管核心混凝土最優(yōu)配比是膨脹劑10%、SAP 0.3%、硅灰4%。

表8 坍落度試驗(yàn)結(jié)果方差分析計(jì)算表Tab.8 Calculation table of variance analysis of slump test result

注：當(dāng)F>F0.01時(shí)，表示試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響高度顯著；當(dāng)F0.05

2.2 抗壓強(qiáng)度結(jié)果分析

2.2.1極差分析

對(duì)表6中抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差方法分析，結(jié)果如表9所示。由表9可知，對(duì)鋼管微膨脹混凝土3 d抗壓強(qiáng)度影響主次順序?yàn)椋号蛎泟杌摇鶶AP；對(duì)28 d抗壓強(qiáng)度影響主次順序?yàn)椋篠AP→膨脹劑→硅灰。每個(gè)因素水平對(duì)應(yīng)的K值最大則為該因素的最優(yōu)水平，即得到使3 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大的因素水平最優(yōu)組合是膨脹劑10%、SAP 0.1%、硅灰4%；使28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大的因素水平最優(yōu)組合是膨脹劑10%、SAP 0.1%、硅灰8%。為了更直觀地分析各因素對(duì)3 d 抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律和趨勢(shì)，取因素水平為橫坐標(biāo)，取各因素水平結(jié)果的平均偏差kij為縱坐標(biāo)，將表9中數(shù)據(jù)繪制因素與試驗(yàn)指標(biāo)趨勢(shì)圖，如圖3、圖4所示。

表9 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果極差分析計(jì)算表Tab.9 Calculation table of range analysis of compressive strength test result

圖3 各因素水平對(duì)3 d抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律及趨勢(shì)Fig.3 Influence rule and trend of each factor level on 3 d compressive strength

圖4 各因素水平對(duì)28 d抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律及趨勢(shì)Fig.4 Influence rule and trend of each factor level on 28 d compressive strength

由圖3(a)可得，3 d的抗壓強(qiáng)度隨著膨脹劑摻量的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，且隨著膨脹劑等量的增加，強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度小于下降幅度。這說(shuō)明通過(guò)摻入膨脹劑使混凝土早期產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，可以提高混凝土中水化產(chǎn)物的密實(shí)程度，但摻量過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致膨脹應(yīng)力破壞混凝土界面過(guò)渡區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)甚至產(chǎn)生裂縫，降低密實(shí)程度，從而對(duì)混凝土強(qiáng)度造成不同程度的降低。因此，膨脹劑摻量存在一個(gè)合理范圍的臨界值，并非越多越好。

由圖3(b)可得，3 d的抗壓強(qiáng)度隨著SAP摻量的增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，且隨著SAP等量的增加，強(qiáng)度變化幅度較小，基本相同。這說(shuō)明本試驗(yàn)范圍內(nèi)SAP摻量對(duì)3 d抗壓強(qiáng)度影響并不顯著。

由圖3(c)可得，3 d的抗壓強(qiáng)度隨著硅灰摻量的增大呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，且隨著硅灰等量的增加，強(qiáng)度降低的幅度先慢后快。這說(shuō)明當(dāng)硅灰摻量較多時(shí)，混凝土的流動(dòng)性就會(huì)變差，如同水灰比較低時(shí)的狀態(tài)一樣，減緩了此膠凝材料體系早期的水化速率，膠凝材料顆粒水化不充分，Ca(OH)2含量不足，硅灰無(wú)法完全反應(yīng)，形成較多的不利孔，且遺留的若干未水化顆粒反而對(duì)于整體的界面黏結(jié)性能具有弱化作用，進(jìn)而降低混凝土的強(qiáng)度。

由圖4(a)可得，28 d的抗壓強(qiáng)度隨著膨脹劑摻量的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，且隨著膨脹劑等量的增加，強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度小于下降幅度，這與3 d 抗壓強(qiáng)度規(guī)律基本一致，但膨脹劑從8%增加至10%時(shí)，強(qiáng)度的增長(zhǎng)幅度比3 d的略大，主要是由于SAP的加入能儲(chǔ)蓄膠凝材料水化所需水分，可以促進(jìn)膨脹劑及與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生二次反應(yīng)，從而混凝土后期強(qiáng)度進(jìn)一步增長(zhǎng)。因此，10%的膨脹劑摻量是影響鋼管微膨脹混凝土28 d抗壓強(qiáng)度的極值點(diǎn)。

由圖4(b)可得，28 d的抗壓強(qiáng)度隨著SAP摻量的增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，且隨著SAP等量的增加，強(qiáng)度下降幅度大于增大幅度，這與3 d抗壓強(qiáng)度規(guī)律基本一致，但變化幅度更為顯著。這說(shuō)明在本試驗(yàn)條件下，將SAP加入復(fù)合膠凝材料中，可在預(yù)拌過(guò)程吸收水分，這會(huì)造成此膠凝材料體系的水化速率變緩和，而在后期混凝土干燥過(guò)程SAP釋放水分加快水化速率。使得不同齡期的水化速率趨于均衡，使整個(gè)水化過(guò)程的發(fā)生變得平緩。這主要是因?yàn)榛炷恋乃窃趧?dòng)態(tài)的堿性環(huán)境下發(fā)生，水化的持續(xù)進(jìn)行會(huì)使水化體系pH不斷變大，最終pH值大約維持在 12～13，而隨著混凝土水化體系的pH值變大，將引起吸水后的SAP緩慢釋放出水分，促進(jìn)未水化充分的膠凝材料進(jìn)一步水化。

由圖4(c)可得，28 d的抗壓強(qiáng)度隨著硅灰摻量的增大呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，且隨著硅灰等量的增加，強(qiáng)度變化幅度較小，基本相同。這主要是由于在水化早期，SAP吸收一定量的水分，將使得混凝土膠凝材料水化速率延緩。而在水化后期混凝土內(nèi)部干燥，SAP釋放水分進(jìn)而促進(jìn)未充分水化的硅灰顆粒進(jìn)一步水化，從而使混凝土強(qiáng)度得到提高。這說(shuō)明在本次試驗(yàn)采用的復(fù)合膠凝材料體系鋼管核心混凝土中摻入SAP可起到內(nèi)養(yǎng)護(hù)的作用。

2.2.2方差分析

將表6中抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析,結(jié)果如表10所示。由表10可知，各因素影響3 d抗壓強(qiáng)度的主次順序?yàn)椋号蛎泟杌摇鶶AP，這與極差分析結(jié)果一致；膨脹劑摻量與硅灰摻量對(duì)3 d抗壓強(qiáng)度影響顯著，SAP的影響較小。因此，本研究通過(guò)上述兩種方法的對(duì)比分析，在3 d抗壓強(qiáng)度指標(biāo)結(jié)果分析下鋼管微膨脹混凝土最優(yōu)配比是膨脹劑10%、SAP 0.1%、硅灰4%。各因素影響28 d抗壓強(qiáng)度的主次順序?yàn)椋篠AP→膨脹劑→硅灰，這與極差分析結(jié)果一致；SAP摻量對(duì)28 d抗壓強(qiáng)度影響顯著，膨脹劑有一定影響，硅灰的影響較小。因此，本研究通過(guò)上述兩種方法的對(duì)比分析，在28 d抗壓強(qiáng)度指標(biāo)結(jié)果分析下鋼管微膨脹混凝土最優(yōu)配比是膨脹劑10%、SAP 0.1%、硅灰8%。

2.3 電通量結(jié)果分析

2.3.1極差分析

對(duì)表6中混凝土28 d電通量試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差方法分析，結(jié)果如表11所示。由表11分析可得，本試驗(yàn)考慮的因素對(duì)鋼管微膨脹混凝土電通量影響主次順序?yàn)椋汗杌摇蛎泟鶶AP。由于電通量越小表示混凝土抗氯離子滲透能力越好，所以每個(gè)因素水平對(duì)應(yīng)的K值最小則為該因素的最優(yōu)水平，即得到最佳抗氯離子滲透性的混凝土的各因素水平分別為膨脹劑8%、SAP 0.3%、硅灰8%。將表11中數(shù)據(jù)繪制因素與試驗(yàn)指標(biāo)趨勢(shì)圖，如圖5所示。

由圖5(a)可得，28 d的電通量隨著膨脹劑摻量的增大呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，且隨著膨脹劑等量的增加，電通量增長(zhǎng)幅度先慢后快。這說(shuō)明在本試驗(yàn)條件下，隨著膨脹劑摻量增加核心混凝土抗氯離子滲透能力降低。這主要是由于膨脹劑摻量的增加，混凝土膨脹率增加，這對(duì)混凝土密實(shí)性有利；而隨著膨脹劑摻量的增加，水泥用量降低，導(dǎo)致水化產(chǎn)物生成量降低，這對(duì)混凝土密實(shí)性不利。因此，效應(yīng)疊加的效果就出現(xiàn)一個(gè)最佳摻量值。膨脹劑從8%增加至10%時(shí)，28 d的抗壓強(qiáng)度增大，這表明在復(fù)合膠凝體系混凝土中抗氯離子滲透和抗壓強(qiáng)度之間并不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。混凝土中摻入復(fù)合型摻合料(膨脹劑、硅灰)，即使混凝土的抗壓強(qiáng)度得到提高，但不一定顯著改善混凝土的抗氯離子滲透能力。這主要是因?yàn)閮烧叩臎Q定參數(shù)不相同，沒(méi)有簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。

表10 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果方差分析計(jì)算表Tab.10 Calculation table of variance analysis of compressive strength test result

表11 28 d電通量試驗(yàn)結(jié)果極差分析計(jì)算表Tab.11 Calculation table of range analysis of 28 d electric flux test result

圖5 各因素水平對(duì)28 d電通量的影響規(guī)律及趨勢(shì)Fig.5 Influence rule and trend of each factor level on 28 d electric flux

由圖5(b)可得，28 d的電通量隨著SAP摻量的増大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，且隨著SAP等量的增加，電通量下降幅度大于增大幅度。這說(shuō)明在本試驗(yàn)條件下，隨著SAP摻量增加核心混凝土抗氯離子滲透能力先提高后降低。有研究表明[4,17-18]：混凝土硬化過(guò)程內(nèi)部逐漸干燥，此時(shí)SAP緩慢失水，其失水干燥后在混凝土內(nèi)部形成200～600 μm的孔隙，而失水的SAP塌陷后以有機(jī)膜的形式覆蓋在孔壁上，或以塌縮顆粒形式存在于孔中，將在混凝土內(nèi)部形成獨(dú)立的球狀小孔，而這些微小獨(dú)立、封閉的小孔相當(dāng)于引氣劑引入到混凝土中的氣泡，在一定程度上改善了提高混凝土的抗氯離子滲透性能。但當(dāng)SAP摻量過(guò)多時(shí)，會(huì)導(dǎo)致孔數(shù)量和尺寸增大，這將不利于SAP充分發(fā)揮類似于引氣劑的作用。

由圖5(c)可得，28 d的電通量隨著硅灰摻量的增大呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，且隨著硅灰等量的增加，電通量減小幅度先快后慢。這說(shuō)明在本試驗(yàn)條件下，隨著硅灰摻量增加核心混凝土抗氯離子滲透能力提高。這主要是由于硅灰作為常用礦物摻合料中比表面積較大的品種，其較強(qiáng)的超細(xì)填充能力具有細(xì)化孔隙、增加密實(shí)度等作用。同時(shí)，硅灰具有水化活性高的特點(diǎn)，可通過(guò)提高水化產(chǎn)物的生成量和降低孔隙的連通程度，這些都會(huì)使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化，從而降低氯離子在混凝土中的滲透能力。

2.3.2方差分析

將表6中28 d電通量試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析,結(jié)果如表12所示。由表12可知,各因素影響28 d電通量的主次順序?yàn)椋汗杌摇蛎泟鶶AP，這與極差分析結(jié)果一致；硅灰摻量對(duì)28 d電通量影響顯著，膨脹劑和SAP的影響較??；本試驗(yàn)考慮的3個(gè)因素顯著性檢驗(yàn)中，硅灰摻量顯著性檢驗(yàn)均達(dá)到顯著水平，膨脹劑、SAP雖未達(dá)到顯著水平，但它們的偏差平方和都比誤差的偏差平方和要大，這說(shuō)明正交試驗(yàn)的結(jié)果是合理的。因此，本研究通過(guò)上述兩種方法的對(duì)比分析，在28 d電通量指標(biāo)結(jié)果分析條件下鋼管微膨脹混凝土最優(yōu)配比是膨脹劑8%、SAP 0.3%、硅灰8%。

表12 28 d電通量試驗(yàn)結(jié)果方差分析計(jì)算表Tab.12 Calculation table of variance analysis of 28 d electric flux test result

2.4 正交試驗(yàn)最優(yōu)配合比優(yōu)選(綜合平衡法)

將上文中極差分析和方差分析的結(jié)果分別列于表13中，并對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)定，最終優(yōu)選出合理的方案，即最優(yōu)試驗(yàn)配比方案。

表13 鋼管微膨脹混凝土配合比正交試驗(yàn)綜合平衡分析表Tab.13 Comprehensive balance analysis table of orthogonal test of steel tube micro-expansive concrete mix ratio

因素A：對(duì)于本次試驗(yàn)考察的4個(gè)指標(biāo)，由極差分析可知，A因素是影響3 d抗壓強(qiáng)度的主要因素，同時(shí)是影響28 d抗壓強(qiáng)度和電通量的次要因素，而對(duì)坍落度影響最小。因3 d，28 d抗壓強(qiáng)度及坍落度都取A2水平為最優(yōu)，且28 d電通量雖取A1水平為最優(yōu)水平，但因素A從1水平到2水平，混凝土抗氯離子滲透能力降低較小，所以綜合來(lái)看取A2較好，即選取膨脹劑摻量為10%。

因素B：對(duì)于本次試驗(yàn)考察的4個(gè)指標(biāo)，由極差分析可知，B因素是影響28 d抗壓強(qiáng)度和坍落度的主要因素，對(duì)3 d抗壓強(qiáng)度和28 d電通量的影響最小。對(duì)于3 d，28 d抗壓強(qiáng)度取B1水平為最優(yōu)；對(duì)于坍落度雖取B2水平為最優(yōu)，但因素B從1水平到2水平，混凝土拌和物坍落度增長(zhǎng)并不明顯；對(duì)于28 d電通量取B2水平為最優(yōu)，而因素B從1水平到2水平，雖然混凝土抗氯離子滲透性能得到提高，但3 d，28 d抗壓強(qiáng)度降低。因此確定B1為最優(yōu)水平，即選取SAP摻量為0.1%。

因素C：對(duì)于本次試驗(yàn)考察的4個(gè)指標(biāo)，由極差分析可知，C因素是影響28 d電通量的主要因素，是影響坍落度和3 d抗壓強(qiáng)度的次要因素，對(duì)28 d抗壓強(qiáng)度影響最小。對(duì)于28 d電通量取C3水平為最優(yōu)，而因素C從水平1到水平3，雖然混凝土抗氯離子滲透性能得到改善，但從水平2到水平3，其抗氯離子滲透能力改善并不明顯；同樣對(duì)于28 d抗壓強(qiáng)度因素從水平2到水平3，其抗壓強(qiáng)度并無(wú)明顯改善；對(duì)于3 d抗壓強(qiáng)度隨著硅灰摻量的增加而降低，但從水平2到水平3降低較明顯；對(duì)于坍落度隨著硅灰摻量的增加而持續(xù)降低，但本次試驗(yàn)坍落度基本滿足實(shí)際工程需求。所以綜合考慮混凝土強(qiáng)度及到達(dá)硅灰用量經(jīng)濟(jì)性的目的，故選用C2為最優(yōu)水平，即選取硅灰摻量為6%。

方差理論中在選最優(yōu)組合時(shí)，一般只對(duì)顯著因素選擇進(jìn)行優(yōu)化選擇，而對(duì)于不顯著的因素，原則上可在試驗(yàn)范圍內(nèi)選擇任意水平。由方差分析結(jié)果可知，對(duì)于指標(biāo)坍落度，膨脹劑、SAP、硅灰均未達(dá)到顯著水平；對(duì)于指標(biāo)3 d抗壓強(qiáng)度，膨脹劑、硅灰達(dá)到顯著水平，其取A2、C1為最優(yōu)水平；對(duì)于指標(biāo)28 d抗壓強(qiáng)度，SAP達(dá)到顯著水平，其取B1為最優(yōu)水平；對(duì)于指標(biāo)28 d電通量，硅灰達(dá)到顯著水平，其取C3為最優(yōu)水平。3 d抗壓強(qiáng)度與28 d電通量對(duì)于因素C最優(yōu)水平出現(xiàn)矛盾，但綜合混凝土主要指標(biāo)強(qiáng)度及工程經(jīng)濟(jì)性要求，確定C2為最優(yōu)水平。

綜上分析，復(fù)摻礦物摻合料膨脹劑、硅灰及高吸水性樹脂SAP的鋼管微膨脹混凝土最優(yōu)配合比為A2B1C2，即A膨脹劑摻量為10%，B高吸水性樹脂SAP摻量為0.1%，C硅灰摻量為6%。

2.5 正交試驗(yàn)最優(yōu)配合比設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比試驗(yàn)

2.5.1最優(yōu)組驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)配合比確定

以混凝土工作性能、力學(xué)性能及耐久性能為考察指標(biāo)，確定混凝土最優(yōu)配合比為A2B1C2，再對(duì)優(yōu)選組和基準(zhǔn)組進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，以檢驗(yàn)優(yōu)選組的合理性。試驗(yàn)安排及試驗(yàn)配合比分別見(jiàn)表14和表15。

表14 驗(yàn)證試驗(yàn)安排表Tab.14 Verification test schedule

注：PJ為膨脹混凝土基準(zhǔn)組；PS為摻SAP的膨脹混凝土組；PZ為膨脹混凝土最優(yōu)組。

表15 驗(yàn)證試驗(yàn)混凝土配合比(單位:kg·m-3)Tab.15 Mix ratios of concrete for verification test (unit:kg·m-3)

2.5.2抗壓強(qiáng)度、坍落度、電通量對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

最優(yōu)配合比對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表16，混凝土抗壓強(qiáng)度、坍落度、電通量對(duì)比如圖6所示。

表16 最優(yōu)配合比對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果Tab.16 Comparison test result of optimal mix ratios

圖6 最優(yōu)配合比對(duì)比試驗(yàn)分析圖Fig.6 Comparison analysis diagrams of optimal mix ratios

如圖6所示，對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果顯示，PJ組與PZ組相比，坍落度明顯降低，PJ組與PS組相比，坍落度降幅較小，表明摻入較少量的SAP，混凝土坍落度所受影響不大，且摻加硅灰可以很好的改善混凝土的工作性。

在不同齡期，PS組混凝土的抗壓強(qiáng)度均略低于PJ組和PZ組。28 d齡期時(shí)，PZ組與PJ組相比,抗壓強(qiáng)度提高約10%，PZ組與PS組相比,抗壓強(qiáng)度提高約21%。56 d齡期時(shí)，PZ組與PJ組和PS組相比,抗壓強(qiáng)度分別提高約10%，12%。這表明摻加SAP在一定程度上降低了混凝土強(qiáng)度，但隨著齡期增長(zhǎng)，SAP預(yù)前吸水的水分適時(shí)釋放水分，促使進(jìn)一步水化，使PJ組和PS組56 d抗壓強(qiáng)度基本一致，則隨著齡期的增長(zhǎng)SAP可以彌補(bǔ)早期強(qiáng)度的不足。本試驗(yàn)出現(xiàn)部分試件強(qiáng)度28 d未達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，這可能是由于粗骨料顆粒級(jí)配不均勻及存在少量針狀和片狀碎石造成混凝土強(qiáng)度降低。

電通量越大則混凝土抗氯離子滲透性能越差，抗氯離子滲透等級(jí)降低。在不同齡期，PJ組混凝土的抗氯離子滲透性能低于PS組和PZ組。28 d齡期時(shí)，PS組和PZ組電通量分別比PJ組降低了23%，67%。56 d齡期時(shí)，PS組和PZ組電通量分別比PJ組降低了21%，67%，而28 d，56 d齡期PJ組抗壓強(qiáng)度均大于PS，表明SAP和膨脹劑復(fù)摻條件下混凝土中抗氯離子滲透性能和抗壓強(qiáng)度之間并不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。摻加硅灰不僅彌補(bǔ)了鋼管微膨脹混凝土中摻入SAP造成的早期強(qiáng)度不足，又顯著提高了混凝土抗氯離子滲透性能。

2.5.3混凝土孔結(jié)構(gòu)對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

最可幾孔徑是指微分曲線峰值處所對(duì)應(yīng)的孔徑，即出現(xiàn)概率最大的孔，它可直觀、定量表示出孔隙的構(gòu)成分布狀況。如圖8繪制不同組混凝土試樣孔隙分布微分曲線。由圖8可知，PJ，PS，PZ這3組試樣最可幾孔徑依次為95.35，77.09，50.35 nm，PS組和PZ組分別與PJ組對(duì)比，最可幾孔徑減小約19%，47%，表明SAP或SAP和硅灰的摻入使得最可幾孔徑不同程度的減小，孔隙分布均向小孔段漂移，而由圖7(c)可知，PJ組電通量值明顯比PS組和PZ組大，則最可幾孔徑越大其抗氯離子滲透能力越差。這主要是因?yàn)樽羁蓭卓讖皆酱?，?huì)導(dǎo)致混凝土內(nèi)部大毛細(xì)孔數(shù)量增多，內(nèi)部孔隙連通性擴(kuò)大，水分或氯離子更容易浸潤(rùn)毛細(xì)孔，形成氯離子擴(kuò)散，從而使抗氯離子滲透性變差。

圖7 不同組混凝土孔徑分布微分曲線Fig.7 Differential curves of pore diameter distribution of different groups of concrete

我國(guó)吳中偉院士[19]按孔徑對(duì)混凝土強(qiáng)度的不同影響，將混凝土中的孔分為無(wú)害孔(孔徑小于 20 nm)、少害孔(孔徑為20～100 nm)、有害孔(孔徑為100～200 nm)和多害孔(孔徑大于 200 nm),參照此分類方法將本試驗(yàn)3組試樣的各類孔徑分布進(jìn)行百分比統(tǒng)計(jì)并繪制成如圖8所示。PZ組與PJ組、PS組相比，無(wú)害孔占比明顯增加，且有害孔和多害孔比例減少，少害孔三者基本一致，這也可以解釋PZ組試塊抗壓強(qiáng)度高于其他兩組的內(nèi)在原因。PJ組和PS組相比，4類孔徑分布所占比例基本一致。PJ，PS，PZ這3組試樣孔隙率基本一致，分別為15.31，15.60，15.11 nm，平均孔徑分別為48.0，52.2，31.8 nm，由于各種孔徑的孔對(duì)混凝土強(qiáng)度影響不同，大孔使強(qiáng)度降低，而小于某一尺度的孔對(duì)強(qiáng)度影響很小，甚至無(wú)影響，則當(dāng)孔隙率基本相同時(shí)，平均孔徑越小強(qiáng)度越高。這也可以解釋PS組與PJ組相比，混凝土試塊抗壓強(qiáng)度損失的內(nèi)在原因。

圖8 不同組混凝土各類孔徑分布所占百分比圖Fig.8 Percentage diagram of pore diameter distribution of different groups of concrete

3 結(jié)論

(1) 針對(duì)工程用C50鋼管微膨脹混凝土應(yīng)同時(shí)具有較好地工作性能、力學(xué)性能及耐久性能，本試驗(yàn)條件下，基于正交試驗(yàn)綜合平衡法得出C50鋼管微膨脹混凝土最優(yōu)配合比參數(shù)為：膨脹劑摻量為10%，高吸水性樹脂SAP摻量為0.1%，硅灰摻量為6%。

(2) 對(duì)比試驗(yàn)表明，按正交試驗(yàn)得出的鋼管微膨脹混凝土最優(yōu)配合比制備的混凝土工作性、力學(xué)性能和耐久性能相對(duì)于基準(zhǔn)組都有較大提升，表明復(fù)摻膨脹劑、SAP、硅灰可以明顯改善密封環(huán)境的鋼管微膨脹混凝土性能。但單摻入SAP在一定程度上降低了鋼管微膨脹混凝土強(qiáng)度，但隨著齡期增長(zhǎng)，SAP發(fā)揮其后期釋水作用，可以彌補(bǔ)其強(qiáng)度的降低，這說(shuō)明SAP在密封環(huán)境中起到了內(nèi)養(yǎng)護(hù)的效果。因此，工程中建議此類復(fù)合型外摻料混凝土在鋼管密封環(huán)境中的應(yīng)用。

(3) SAP或SAP和硅灰的摻入使得鋼管微膨脹混凝土最可幾孔徑不同程度地減小，孔隙分布均向小孔段漂移，使其抗氯離子滲透性能提高，且SAP和硅灰的共同摻入使得鋼管微膨脹混凝土無(wú)害孔占比明顯增加，有害孔和多害孔比例減少，同時(shí)，使其孔隙率及平均孔徑均有所降低，相比單摻SAP孔徑分布更合理。