基于正交试验法的高性能混凝土耐久性能影响

张喆 杨谦 安亚强

摘要：针对当前建筑领域对高性能混凝土性能要求越来越高的问题，结合相关的理论知识，以轨道板混凝土作为研究对象，对其耐久性能进行探讨。对此，文章首先采用正交试验法对高性能混凝土的最优配合比进行优化，然后结合耐久性的指标，重点对其抗冻性能、抗压强度、坍落度、抗硫酸盐侵蚀性、抗裂性能、抗渗透性能等进行了测试，结果表明水灰比0.29、矿物量10%、砂率37%、外加剂1.5%的情况下，混凝土表现出较好的久性能。通过上述的研究，给铁路施工中的高性能混凝土设计提供了借鉴。

关键词：高性能混凝土;耐久性;抗裂性;正交实验法;水灰比

中图分类号：TU528 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2019）12-0133-03

随着建筑材料和建筑技术的演化，高性能混凝土凭借其高耐久性等优势，被广泛应用在桥梁、隧道等。目前，针对高性能混凝土的制备存在很多争议，如美国则强调混凝土的耐久性和尺寸稳定性;日本则强调混凝土自身的高工作性;吴中伟院士则强调高强度和高耐心性，但侧重于满足质量管理和现代技术条件下。本文则结合上述关于高性能混凝土研究的热潮和侧重点，重点就高性能混凝土的耐久性进行研究，并采用试验进行验证。

1 试验原材料与配合比设计

1.1试验原材料

本文以铁路建设工程中的轨道板混凝土为背景，就影响高性能混凝土的耐久性进行研究，以此为混凝土施工提供化学参考依据。由此，本实验主要采用P.O42.5水泥、5～20mm粗骨料、模数为2.3～3.0的细骨料。

1.2配制强度计算

配制强度fcu，k通常由强度等级fcu，0和强度的标准差σ确定，具体强度计算公式为：

fcu，k=fcu，0=tσ

（1）

t表示强度保证率系数，t值为1.645。

1.3正交试验的配合比设计

采用正交试验法设计不同比例对混凝土性能的影响。综合考虑影响因素，选择水胶比、砂率、矿料掺量进行正交试验。其中水胶比为0.27、0.29、0.31;砂率为37%、3g%、41%3个水平;矿料掺量取10%、15%、20%3个水平。由此得到如表1所示的配合比。

根据上述的试验配合比，可以得到表2所示的混凝土坍落度和抗压强度。

针对上述的结果，本文采用极差法对数据进行分析后，认为试验组4得到的坍落度和抗压强度最高，说明该组配置方案最佳。

2 耐久性测试

为进一步验证上述制备的高性能混凝土试件的耐久性能，分别对试件进行抗渗透性、抗冻性、耐腐蚀性等测试。

2.1抗渗透性测试

抗渗透性通常被认为时候检验混凝土性能的一个重要指标。对客运专线的轨道板来讲，在长期使用的过程中，难免会受到环境的影响，受到氯离子的侵入。而通过研究表明，当氯离子的浓度达到一定的比例，则会造成钢筋锈蚀，进而使得混凝土的粘接力下降，最终导致整个混凝土结构受到破坏。因此，在对混凝土的耐久性能进行评价的过程中，氯离子的渗透性往往是评价混凝土耐久性的一个重要指标，特别是在高速公路、专用桥梁等。对此，本文采用电通法对高性能混凝土的抗渗透性进行测定。具体选择水胶比为0.29，同时矿掺量为10%、15%、20%的混凝土进行电通测试试验。通过上述的方法，得到在一定水胶比下，不同矿掺量下的抗渗透性能，具体如图1所示。

通过图1可知，上述三组混凝土试件都满足电通量值规定的要求，也就是按照本文配置的高性能混凝土，其都具备较好的抗渗透性能。但是，通过上述的对比看出，随着矿物掺合量的不断增加，混凝土试件的电通量却在不断的减少，由此可以说明试件的抗渗透性在不断提高。而出现该现象的一个重要原因，是在混凝土中加入了矿物掺合料，这些掺合料填充了混凝土中的狭缝，从而极大的改善了混凝土的内部结构，提高了整体的密室度。而当矿物掺量从15%增加到20%的时候，其抗渗透性又有所下降，说明过多的掺入矿物掺合料，导致其内部结构变差，抗渗透性明显降低。

2.2抗冻性试验

抗冻性被认为是衡量高性能混凝土的又一个重要指标。所谓的抗冻性，是指混凝土在水饱和的情况下，经多次冻融循环作用后，而其结果不受到破坏，性能不受到影响。对铁路客运专线来讲，由于其面对的环境日益复杂，会经过寒冷地区，从而使得高性能混凝土的抗冻性受到严格的关注。而分析混凝土的冻融破坏机理，鲍尔斯则认为是水在饱和的章台下，导致混凝土内部受到膨胀压力和渗透压力，进而在混凝土内部的孔壁中产生拉应力，一旦这个拉应力炒股混凝土的抗压强度，那么混凝土就会受到破坏，出现开裂。

通过试验表明，影响混凝土抗冻性的因素很多，本文则选取水胶比和矿掺量作为影响的因素，并设定对比试验，目的是观察在不同水胶比和矿掺量的情况下，其冻融破坏情况。试验仪器则选择TDR I型混凝土快速冻融试验机。通过上述的方法，得到表3所示的结果。

通过上述的试验可以看出，水胶比越小，混凝土的损失率则越小。且在水胶比晓得情况下，矿物掺合料越多，相对动态模量越大，说明其抗冻性也就越好。主要原因是在该条件下，混凝土的凝胶结构变得致密，大大提高了抗冻性。

2.3抗硫酸盐侵蚀性试验

在混凝土的结果中，化学侵蚀是非常常见的一个问题，特别是硫酸盐的侵蚀，是影响混凝土耐久性的一个重要因素。对硫酸盐的侵蚀中，是目前所知的危害最大，影响最为复杂的问题。对硫酸盐腐蚀来讲，通常存在与地下水中，特别是一些盐碱地路段。而一旦对铁路轨道板腐蚀，将给铁路运营带来极大的危害。对此，在对耐久性进行测量中，重点对硫酸鹽侵蚀进行研究。研究认为，硫酸盐的侵蚀是非常复杂的一个过程，其中包含着很多化学反应，并且这个过程非常漫长。试验表明，出现硫酸盐侵蚀与水泥中硅酸盐的含量有着很大的关系。而最初的反应中，主要是钙离子与石膏溶解，从而得到硫酸根离子.具体反应的方程式为：

C3A+3CSH2+26H→C6AS3H32

（2）

而为了测定本文制备的混凝土试件的抗侵蚀能力，采用以下的步骤：

1）将制备好的试件放在80℃的烘箱中进行恒温烘烤，持续6h，同时冷却观察1h。取出将其进行称重，并将其浸泡在浓度大小为5%的硫酸钠溶液当中th，取出擦干表明水份，再晾干1h。由此重复上述的步骤，可以得到如图2所示的结果。

根据下述的结果看出，本文制备的高性能混凝土的抗侵蚀能力随着矿物掺合量的增加而不断提升，并且在掺入20%的时候，其循环次数达到最大。此后，随着掺合量的增加，其循环次数减少。而之所以的大搜该结果，是因为矿物掺合料有助于提高混凝土的抗硫酸盐整体侵蚀性能。而加入矿物掺合料后，使得混凝土结果变得更加密实，强度更高。但超过一定的量，其抗硫酸盐侵蚀性能则降低，主要是随着其量的增加，很难形成足够的强度和密实性，使得抗硫酸盐侵蚀性能降低。

3 结语

通过上述对高性能混凝土在抗渗透性、抗冻性和抗硫酸盐侵蚀性等方面的研究，通过一定的配合比设计的高性能混凝土具有较好的耐久性。通过研究可以得到以下结论：对轨道板混凝土制备的最佳配合比：水灰比=0.29，矿物掺合量20%;通过试验得出，水胶比越小，其抗硫酸盐侵蚀能力越大，主要的原因在于较小的水胶比，使得混凝土中的水含量较低，进而减少了与硫酸盐反应的几率;矿物掺合料的加入，增加了混凝土试件的密实性，进而提高了其抗冻性和抗硫酸盐侵蚀能力。说明在对高性能混凝土的制备过程中，掺入一定量的矿物掺合料具有极大的作用和价值;过多的掺入矿物掺合料，会使得混凝土强度发展缓慢的情况下，很难在混凝土的内部形成好较高的强度和密实度，最终使得抗硫酸盐侵蚀能力不断下降。

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