基于灰熵理论的超长池体混凝土强度影响因素研究

何江红，薛翠真，刘玉果，罗丹

（1.中国建筑股份有限公司，北京 100020；2.兰州理工大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730050）

0 引言

污水处理厂池体混凝土长度及宽度较大，属于大体积混凝土。大体积混凝土经常出现温度收缩及干燥收缩开裂问题，导致池体环境中Cl-、SO42-等侵蚀性介质更易通过裂缝进入池体内部，进而加剧了池体混凝土结构的破坏，产生更多裂缝，形成恶性循环，是导致混凝土耐久性变差的重要因素，缩短了池体混凝土的服役寿命[1-2]。为缓解池体混凝土的温度收缩和干燥收缩、降低结构的开裂，经济有效的方法是在混凝土内部掺入一定量的膨胀剂。氧化钙类膨胀剂、硫铝酸钙类膨胀剂和氧化钙-硫铝酸钙类膨胀剂是常用的膨胀剂，以AFm或Ca（OH）2为膨胀源，但实际工程应用中存在膨胀不稳定、需水量大、水化速度快等缺点[3]。MgO膨胀剂与其他膨胀剂相比水化需水量较少、膨胀源较为稳定、可调控其膨胀过程，综合性能较优，工程效益显著，越来越多地应用于实际工程中[4-5]。研究表明，MgO膨胀剂可补偿混凝土的体积收缩，但膨胀剂掺量过多时，会降低混凝土强度，影响混凝土的安全性[6]。曹丰泽等[7]研究了MgO膨胀剂对混凝土强度、体积变形和温度收缩的影响，结果表明，掺MgO膨胀剂的C35混凝土强度符合要求，且可补偿混凝土结构的温度收缩，降低混凝土收缩裂缝。相关研究表明[8-9]，合适掺量和种类的矿物掺合料可较快地发挥混凝土的膨胀效能，并提高试件膨胀的稳定性。但是，MgO膨胀剂在不同养护条件下如干燥状态、环境因素变化等环境作用下综合性能的演化规律及其机理需进一步开展研究。灰关联分析作为一种解决不确定、多输入和离散数据问题的有效方法，在土木材料领域已有较多应用[10]，而熵权法作为一种客观权重分配方法，也可对材料的性能做出评价[11]，但将灰关联分析与熵权法结合对材料进行研究却并不多见。

鉴于此，针对超长池体混凝土出现的温升及收缩开裂问题，首先开展西北寒旱区环境作用下镁质高性能膨胀剂掺量、镁质高性能膨胀剂与粉煤灰及矿粉的配伍性、养护方式等因素对超长池体混凝土强度的影响研究，借助灰熵理论分析影响超长池体混凝土强度的显著因素；采用微观测试方法揭示抗裂剂对超长池体混凝土的强度影响机理。研究结论为下一步超长池体大体积混凝土设计及应用提供一定的理论与数据基础，为同类工程大体积混凝土的裂缝病害防治提供参考。

1 试验

1.1 原材料

水泥：P·O42.5水泥，符合GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》的要求，比表面积349 m2/kg，主要技术性能见表1：粉煤灰：Ⅱ级，符合GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》的要求，主要技术性能见表2；矿粉：S95级，符合GB/T 18046—2017《用于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》的要求，主要技术性能见表3；膨胀剂：镁质高性能抗裂剂，符合GB/T 23439—2017《混凝土膨胀剂》的要求，MgO含量88.6%，烧失量2.9%，比表面积206m2/kg，主要技术性能见表4；砂：河砂，细度模数2.46；水：自来水。

表1 水泥的主要技术性能

表2 粉煤灰的主要技术性能

表3 矿粉的主要技术性能

表4 镁质高性能抗裂剂的主要技术性能

水泥、粉煤灰、矿粉及镁质高性能抗裂剂的微观形貌如图1所示。

图1 水泥、粉煤灰、矿粉及镁质高性能抗裂剂的微观形貌

由图1可知，水泥的颗粒级配不连续，颗粒形貌较为粗糙，主要以不规则的颗粒为主，棱角分明，表面附着少量较细的颗粒。与水泥相比，粉煤灰具有较好的颗粒形貌，颗粒以圆球状为主，理论上具有较好的颗粒填充效应。矿粉与抗裂剂的颗粒形貌基本相似，颗粒棱角性较强，但具有较好的颗粒级配，粗细颗粒均匀分布。级配较好的粉体颗粒可以和水泥颗粒互相填充形成更优的级配。良好的颗粒形貌与级配可填充胶凝材料体系孔隙，进一步提高胶凝材料体系的密实度，提高混凝土的抗渗及收缩性能。

1.2 试验方案

研究涉及的镁质高性能抗裂剂、粉煤灰、矿粉掺量、养护龄期以及养护环境等主要影响混凝土中胶凝材料性能的发挥，水泥砂浆试验结果在一定程度上可指导混凝土的配合比设计，且可降低试验误差。鉴于此，以砂浆为研究对象开展后续研究。水泥胶砂强度参照GB17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》进行测试，基准砂浆配合比为：水泥用量450 g，砂用量1350 g，水225 g。镁质高性能抗裂剂外掺，粉煤灰和矿粉等质量取代水泥。同时，设计了标准养护[温度（20±2）℃，相对湿度大于95%，1 d脱模后养护至规定龄]、覆膜养护（1 d脱模后将试块用保鲜膜覆盖后，置于西北兰州地区7月份实际气候环境下养护7 d；然后拆掉保鲜膜养护至规定龄期）和自然养护（1 d脱模后置于西北兰州地区7月份实际气候环境下养护至规定龄期，日均最高温度31℃，日均最低气温19℃；平均相对湿度约为50%）3种方式，研究不同养护方式对砂浆强度的影响规律。砂浆强度试验方案见表5。

表5 砂浆强度试验方案

2 强度试验结果分析

粉体材料掺量对砂浆28 d抗压强度的影响如表6所示，标准养护不同龄期对砂浆抗压强度的影响如表7所示。

表6 粉体材料掺量对砂浆28 d抗压强度的影响

表7 养护龄期对砂浆抗压强度的影响

由表6、表7可知，各方案试件的抗压强度均随着养护龄期的延长而逐渐提高，前期提高速度较快，后期提高速度较慢。以K-2试件为例，当养护龄期从7 d延长到28 d时，试件抗压强度提高了114.3%；当养护龄期从28 d延长到90 d时，试件的抗压强度提高了21.4%。K-2、D-2及S-2试件早期抗压强度均低于基准试件，这是由于粉煤灰、矿粉等粉体材料早期活性较小，生成的水化产物较少，宏观上表现为试件早期抗压强度的降低。合适掺量的镁质高性能抗裂剂可提高砂浆试件的抗压强度，但随着镁质高性能抗裂剂掺量的增加，砂浆的抗压强度逐渐降低。当掺量≤6%时，掺镁质高性能抗裂剂试件抗压强度与基准试件抗压强度相差不大，甚至有所提高；当掺量为8%时，与基准试件相比，掺镁质高性能抗裂剂试件抗压强度降低了7.7%。D-1及S-1试件的28 d抗压强度与基准试件抗压强度相差不大，甚至有所提高，随着镁质高性能抗裂剂的掺入，试件的28 d抗压强度有所降低，但降幅不大，以双掺粉煤灰-矿粉为例，与S-1相比，S-2试件的28 d抗压强度降低了4.4%。

综上，镁质高性能抗裂剂的掺入不同程度地降低了试件的早期强度，对试件后期强度影响不大，甚至有所提高。这可能是由于镁质高性能抗裂剂早期活性较小，但是其具有一定的吸水性，掺入后降低了水泥、粉煤灰、矿粉等水化所需水分，进而降低了胶凝材料的水化程度，导致体系内部水化产物数量减少，内部结构不够密实，宏观上表现为砂浆早期强度降低；水化后期镁质高性能抗裂剂可产生一定数量的Mg（OH）2，提高体系内部密实度，进而提高试件后期强度。

表8为养护条件对砂浆试件28 d抗压强度的影响。

表8 养护条件对砂浆试件28 d抗压强度的影响

由表8可知，养护条件对砂浆试件抗压强度有一定的影响。与标准养护相比，覆膜养护对试件抗压强度的影响不大；而自然养护状态下试件的抗压强度降低幅度较大。以S-2为例，与标准养护相比，覆膜养护与自然养护状态下，试件抗压强度分别降低了2.9%、10.0%。这是由于覆膜养护可以减少试件内部水分的散失，进而对试件强度影响不大；而自然养护状态下，西北地区自然环境中湿度较小，水分蒸发较快，导致参与胶凝材料水化的水分不足，进而降低了试件的强度。综上，实际工程中，超长池体浇筑完成后，应立即进行覆膜养护以保证其强度的发展。

3 不同因素与砂浆强度灰关联分析

灰熵理论可有效区分系统中的主要因素和次要因素，灰关联度和灰熵值可在一定程度上表征子序列对母序列的影响程度，灰熵关联度与灰熵值越大，影响越显著，灰关联度与灰熵计算方法具体计算步骤见文献[12]。以标准养护条件下28d抗压强度为母序列，以粉煤灰、矿粉、镁质高性能抗裂剂掺量为子序列进行灰熵分析，分析结果可为超长池体混凝土的配合比设计提供一定的理论指导，表9为砂浆28 d抗压强度与粉体材料灰关联度与灰熵值分析结果。

表9 砂浆28 d抗压强度与粉体材料灰关联度与灰熵值

由表9可知，粉体材料种类对砂浆28 d抗压强度存在显著影响。灰关联度分析结果表明各因素对砂浆强度影响的显著性次序为：粉煤灰＞镁质高性能抗裂剂＞矿粉；而基于灰熵分析结果，各因素显著性影响次序为：镁质高性能抗裂剂＞粉煤灰＞矿粉。灰熵是在灰关联分析的基础上提出的，其克服了灰关联分析方法中存在的局部点关联倾向和造成信息损失的不足，可更加有效地区分系统中的主要因素和次要因素，分析结果更为可信。因此，基于灰熵分析结果可知，镁质高性能抗裂剂对砂浆抗压强度的影响最为显著，且与试件抗压强度呈负相关，即随着其掺量的增加试件28 d抗压强度逐渐降低。因此，后续在对超长池体混凝土配合比设计过程中，应综合考虑试件抗裂性能和抗压强度，选择合适的镁质高性能抗裂剂掺量，以防试件抗压强度降幅过大。

4 微观形貌

图2为不同砂浆试件28d龄期内部微观形貌。

图2 不同砂浆试件的微观形貌

由图2可知，各砂浆试件内部微观形貌具有一定的相似性，即各砂浆试件内部均有一定数量的水化产物生成，且内部含有一定数量的微裂纹；但是各试件的水化产物数量及裂缝宽度与长度有所不同，宏观上表现为试件抗压强度的不同。由图2（a）可知，基准试件内部水化产物颗粒较小，水化产物主要为针棒状AFt、片状Ca（OH）2和部分絮状C-S-H凝胶。由图2（b）、（c）可知，试件内部含有一定数量的水化产物，内部结构较为致密，片状Ca（OH）2数量有所减少，这是由于粉煤灰、矿粉二次水化反应可消耗一定数量的Ca（OH）2，宏观上表现为单掺粉煤灰试件和双掺粉煤灰-矿粉试件强度与基准试件相当，或有小幅度提升。由图2（d）可知，掺镁质高性能抗裂剂试件28 d内部微观结构不够致密，内部含有一定数量的孔洞和裂缝，水化产物数量与种类和基准试件相差不大，宏观上表现为试件抗压强度有所降低。

5 结论

（1）随养护龄期的延长，掺镁质高性能抗裂剂试件抗压强度逐渐提高，前期提高幅度较大，后期提高幅度较小。

（2）合适掺量的镁质高性能抗裂剂对试件抗压强度的影响不大，甚至有所提高；若掺量过多，则试件抗压强度有所降低。

（3）养护条件对掺镁质高性能抗裂剂试件抗压强度存在一定的影响。覆膜养护与标准养护试件抗压强度相差不大；自然养护条件下，试件抗压强度有所降低。

（4）镁质高性能抗裂剂、粉煤灰、矿粉等主要通过影响试件内部水化产物数量、裂缝宽度与长度，进而影响试件的宏观抗压强度。