正交试验掺石粉混凝土性能影响探析
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摘要:为研究石粉对混凝土力学性能与耐久性能的影响，基于正交试验研究不同岩性、细度、掺量混凝土的力学性能、耐久性能。结果表明:石粉种类、细度、掺量对混凝土7d，28d抗压强度影响规律基本一致;石粉掺量的影响最为显著，掺量30%，20%的28d抗压强度较10%降低了23．1%，12．8%;石粉种类和石粉细度对混凝土抗压强度影响较小，石粉种类的影响主要受石粉活性控制。石粉掺量、种类对混凝土90d电通量影响均为显著;随着石粉掺量增大混凝土的电通量增大，其抗氯离子性能减小;随着石粉比表面积的增加，其电通量减小;不同岩性石粉电通大小依次为:红砂岩石粉＞凝灰岩石粉＞石灰石粉，不同岩性石粉的微观结构很好的反映了其混凝土的抗氯离子性能。不同石粉与5%的硅灰复掺其90d电通量基本小于1000C，表明石粉与硅灰复掺混凝土的抗氯离子性能良好。
关键词:岩性;细度;石粉掺量;力学性能;电通量
1概述
混凝土是当下最重要的建筑材料，大规模的应用于工程建设中。随着一带一路国家战略的不断推进，许多工程地处东南亚、非洲等不发达地区，矿物掺合料非常缺乏，甚至出现粉煤灰高于水泥价格的情况，混凝土原料短缺和分布不均的问题日益凸显［1］。针对上述问题，通过在混凝土中添加一定量的石粉替代矿物掺合料可以在一定程度上解决这些问题，一方面石粉原料来源广泛，价格低廉，机制砂生产以及石材加工过程会产生大量石粉废弃物，使用石粉替代一部分胶凝材料不仅可以缓解原料短缺问题，而且有助于节能减排和降低工程成本。另一方面适量的石粉在混凝土中能起到润滑和孔隙填充作用，可以改善混凝土的工作性能、力学性能以及耐久性能［2］。目前关于石粉的研究多集中于石粉掺量对混凝土各项性能的影响，在影响工作性方面，观点相对统一:石粉对混凝土工作性能产生有益效果，存在最佳掺量［3－8］。在混凝土强度方面，有研究表明混凝土抗压强度随着石粉掺量的增加而降低，但是在掺量低于10%时，强度的降低幅度并不明显［9－10］;但也有研究表明石粉对抗压强度的影响存在最佳掺量［11－13］。在耐久性影响方面，王稷良［14］、王雨利［15］、陈飚［16］、霍俊芳［17］、姚楚康等［18］的研究表明在石粉含量(质量分数)5%～10%时，混凝土抗氯离子渗透性和抗冻性较好。但是，由于岩石随着地域分布的不同，性能存在差异，导致如今在石粉混凝土研究领域存在众多的分歧。基于此本文选用不同地区的三种岩性石粉，分析其微观性能，将其石粉磨成不同细度，采用不同掺量，利用正交试验，分析其对混凝土力学性能和耐久性能的影响，为因地制宜将石粉在混凝土中的应用奠定基础。
2原材料及试验测试方法
2．1原材料
水泥:P．O42．5水泥;硅灰:SF94级硅灰(比表面积:20m2/g);砂子:河砂;骨料:5mm～10mm，10mm～20mm的二级配骨料;减水剂:宝鸡惠生的聚羧酸高效减水剂，减水率31%;水:自来水。石粉:选用黄藏寺石灰岩、山东日照红砂岩、河北石家庄凝灰岩三种不同岩性的人工砂，利用SM－500型试验磨对其进行粉磨，分别得到三种不同细度的石粉。三种不同岩性石粉的微观性能见图1，石粉细度的粒径特征分布见表1。
2．2试验测试方法
2．2．1抗压强度。抗压强度试验选用试件尺寸为100mm×100mm×100mm，按照GB/T50081—2019混凝土物理力学性能试验方法标准中规定进行。2．2．2电通量。电通量试验将成型150mm×150mm×150mm抗压试件按标准养护到90d时，采用钻芯取样再切割的方式获得φ100mm×50mm试件，按照GB/T50082—2009普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准中规定进行试验，试验过程见图2。
3实验设计
采用正交试验方法，研究石粉种类、细度、掺量对混凝土的抗压强度、电通量的影响，首先对抗压强度和电通量三个指标试验结果采用极差和方差分析法进行分析，讨论各因素对于试验结果影响的大小和主次，给出试验误差的大小和各因素对于试验结果的影响是否显著。选取岩石种类、细度、掺量三个因素进行试验。本试验采用L9(34)水平正交表，各个因素取三个水平，研究各因素对混凝土抗压强度、抗折强度、电通量的影响，并优化选出最佳因素水平组合。选用正交表进行正交试验，因素水平表见表2，正交试验配合比见表3。
4试验结果分析
按照表3中配合比进行正交试验，得到掺不同石粉混凝土的7d，28d抗压强度和电通量，结果见表4。
4．1抗压强度分析
4．1．1抗压强度结果极差分析。表4中抗压强度极差分析结果见表5。由表5可知，石粉掺量为混凝土抗压强度的显著性因素，石粉种类、石粉细度对抗压强度的影响较小，各因素对抗压强度的显著性次序为:石粉掺量＞石粉岩性＞石粉细度，分析不同因素对混凝土抗压强度影响趋势，见图3，图4。由图3，图4可知，试验结果表明石粉掺量对混凝土抗压强度影响较大，掺量30%，20%的7d抗压强度较10%的降低了25．8%，11．6%，28d的抗压强度较10%降低了23．1%，12．8%，这是因为石粉活性较低，在混凝土中主要起填充作用，石粉取代水泥时，混凝土强度降低，且掺量越高，强度降幅越大。由图3，图4可知，不同岩性石粉对混凝土7d，28d抗压强度规律影响基本一致，凝灰岩最高，石灰岩次之，红砂岩最低。分析原因，掺石粉混凝土的强度主要受石粉活性影响，不同岩性石粉由于化学组分不同，其在水化反应中表现的活性也存在差异。由相关文献可知石粉活性指数大小为:凝灰岩＞石灰岩＞石英砂岩［19］，而石英砂岩与红砂岩的矿物成分相似，因此混凝土抗压强度与相应石粉活性指数呈现出一致的结果。进一步分析石粉细度对混凝土抗压强度的影响，由图3和图4可知，不同细度石粉对混凝土7d和28d抗压强度影响规律基本相同，混凝土的强度随着石粉细度的增加先降低后增加，这主要是因为A，B两个等级的石粉比表面积相差较小，可能存在B等级细度的石粉会使胶凝材料体系级配更佳，填充效应更佳，因此导致其比A等级细度石粉混凝土的强度大;而C等级石粉比表面积较前两个等级有较大幅度的提高，物理激发了石粉部分活性，因此其强度提高也较明显。4．1．2抗压强度结果的方差分析。为增大误差项自由度dfe，在进行显著性检验前，将各因素方差MS因与误差项方差MSe进行比较，当MS因≤2MSe时，将这些因素的平方和归入误差平方和，其自由度归入误差项自由度，得到修正后误差自由度，使误差项自由度增大，提高F检验灵敏度。经检验误差不需要修正。因此由表6中可见，石粉掺量为混凝土7d抗压强度的显著性因素，石粉种类、石粉细度对抗压强度的影响较小，各因素对7d抗压强度的显著性依次为:石粉掺量、石粉种类、石粉细度。为增大误差项自由度dfe，在进行显著性检验前，将各因素方差MS因与误差项方差MSe进行比较，当MS因≤2MSe时，将这些因素的平方和归入误差平方和，其自由度归入误差项自由度，得到修正后误差自由度，使误差项自由度增大，提高F检验灵敏度。由表7可知，石粉掺量为混凝土28d抗压强度的显著性因素，石粉细度几乎对抗压强度无影响，各因素对28d抗压强度的显著性依次为:石粉掺量、石粉种类、石粉细度。
4．2电通量分析
1)90d电通量结果极差分析。表4中90d电通量极差分析结果见表8。由表8可知，影响混凝土90d电通量的主次因素顺序是:掺量＞种类＞细度＞空列，其中石粉的掺量、种类影响较大，细度影响较小。由表8中结果可知，不同种类、不同细度、不同掺量的石粉与5%的硅灰复掺其90d电通量除红砂岩30%掺量外，其余均小于1000C，表明石粉与硅灰复掺混凝土的抗氯离子性能良好。由图5可知，随石粉细度的增大，电通量逐渐减小，混凝土抗氯离子性能提升;石粉比表面积由A增加到C，对应混凝土的电通量值下降了9．4%，这是因为石粉比表面积增大，充分填充了浆体的孔隙，减少了混凝土中有害大孔、连通孔数目，使混凝土内部更加密实。由图5可知，不同石粉岩性对混凝土电通量也有一定的影响，不同岩性石粉混凝土的电通量由高到低依次为:砂岩石粉＞凝灰岩石粉＞石灰石粉;其中砂岩石粉对应电通量最高，相比于石灰石粉高出16%，这是由于砂岩极易崩解破碎，由图1可知砂岩石粉表面呈蜂窝状且表面疏松多孔吸水性强，水和溶液相对更容易从石粉内部的缺陷、裂缝处进入浆体内部［20］，因此其电通量更大。凝灰岩石粉表面孔隙也相对较多，石灰石粉较为致密，因此石粉的微观很好解释了其电通量的大小。由图5可知，随着石粉掺量的增加，混凝土的电通量逐渐增大，其抗氯离子性能越差，这是由于石粉在混凝土中主要通过微集料填充效应影响电通量的大小，其作用效果有限，当石粉掺量过大时，其微集料产生的效应将不抵石粉替代水泥造成活性降低而产生的不利影响，因此其会随着石粉掺量的增加，电通量减小。2)90d电通量结果方差分析(见表9)。为增大误差项自由度dfe，在进行显著性检验前，将各因素方差MS因与误差项方差MSe进行比较，当MS因≤2MSe时，将这些因素的平方和归入误差平方和，其自由度归入误差项自由度，得到修正后误差自由度，使误差项自由度增大，提高F检验灵敏度。经检验本组试验不需要误差修正。由表9可知，石粉掺量和石粉种类为90d混凝土电通量的显著性因素，石粉细度对电通量的影响较小，石粉掺量、石粉种类对电通量影响显著。5结论本文基于正交试验进行了石粉种类、细度、掺量对混凝土性能影响研究，得出以下结论:1)石粉种类、细度、掺量对混凝土7d，28d抗压强度影响规律基本一致;石粉掺量的影响最为显著，抗压强度随着石粉掺量得增大迅速下降;掺量30%，20%的7d抗压强度较10%的降低了25．8%，11．6%，28d的抗压强度较10%降低了23．1%，12．8%。石粉种类和石粉细度对混凝土抗压强度影响较小，石粉种类的影响主要受石粉活性指数控制。2)石粉掺量、种类对混凝土90d电通量影响显著;随着石粉掺量增大混凝土的电通量增大，其抗氯离子性能减小;随着石粉比表面积的增加，其电通量减小;不同岩性石粉电通大小依次为:红砂岩石粉＞凝灰岩石粉＞石灰石粉，不同岩性石粉的微观结构很好的反映了相应混凝土的抗氯离子性能。3)不同石粉与5%的硅灰复掺其90d电通量除红砂岩30%掺量外，其余均小于1000C，表明石粉与硅灰复掺混凝土的抗氯离子性能良好。
作者:马强强 王亚萍 陈晨 单位:中国水利水电第三工程局有限公司
