矿物掺合料对海水海砂水泥砂浆性能影响的分析及优化

摘 要：【目的】研究矿物掺合料对海水海砂水泥砂浆抗压性能与游离氯离子固化性能的影响。【方法】通过四水平三因素正交试验，研究水胶比、粉煤灰相对掺量、矿粉相对掺量对海水海砂砂浆立方体抗压强度、游离氯离子固化率的影响。通过方差分析研究3因素对立方体抗压强度、游离氯离子固化率的显著程度，通过极差分析得到3因素的影响规律。【结果】相较于基准砂浆，FA-GGBS/海水海砂砂浆立方体的抗压强度最大提升幅度为14.4%。通过客观赋权法获得最佳配合比方案为SSM5试验组。【结论】合理掺入矿物掺合料能优化海水海砂水泥砂浆的性能。

关键词：海水海砂砂浆；抗压强度；氯离子固化能力；正交分析

中图分类号：TQ117.62；TU528   文献标志码：A   文章编号：1003-5168（2024）07-0046-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.07.010

Analysis and Optimization of the Influence of Mineral Admixtures on the Performance of Seawater Sea Sand Cement Mortar

XU Xingcun

（ School of Urban Planning and Municipal Engineering， Xi 'an Polytechnic University， Xi'an 710600，China ）

Abstract：[Purposes] This paper aims to study the effect of mineral admixtures on the compressive properties and free chloride ion curing properties of seawater sea sand cement mortar. [Methods] Through the orthogonal experiment of 4 levels and 3 factors， the effects of water-binder ratio， relative content of fly ash and relative content of mineral powder on the cube compressive strength and free chloride ion curing rate of seawater sea sand mortar were studied. The significance of the three factors on the cube compressive strength and free chloride ion curing rate was studied by variance analysis， and the influence law of the three factors was obtained by range analysis. [Findings] Compared with the reference mortar， the cube compressive strength of FA-GGBS / seawater sea sand mortar increased by 14.4 %. Through the objective weighting method， the best mix ratio scheme is obtained， and it is found that this scheme is the SSM5 experimental group. [Conclusions] Reasonable incorporation of mineral admixtures can optimize the performance of seawater sea sand cement mortar.

Keywords： seawater sea sand mortar; compressive strength; chloride binding capacity; orthogonal analysis

0 引言

隨着近年来淡水和河砂的消耗量大幅增加，河砂资源短缺，价格不断上涨，并且河砂采集对河流生态系统和环境也造成了一定的影响。我国拥有辽阔的海岸线和1.1万余个海岛礁，海砂与海水资源丰富，合理利用海水海砂有望解决河砂淡水的缺乏问题。研究发现，海水海砂中的盐含量丰富，可以加速水泥的水化进程，提高水泥基材料的早期抗压强度［1］。此外，海砂的物理性质对海水海砂水泥基材料的强度发展有不利影响，而海水中丰富的盐可显著促进水化，弥补海砂对水泥基材料的副作用，28 d 标准养护后海水海砂砂浆与普通水泥砂浆的强度差值不明显［2-3］。

但是，海水海砂中含有的大量氯离子会使混凝土结构的耐久性降低，其中最为严重的是钢筋锈蚀问题。相关研究指出氯离子在混凝土中有化学结合、物理吸附、游离等三种状态，但只有游离态氯离子会引起钢筋锈蚀［4］。在胶凝材料中掺入矿物掺合料能够有效地对水泥基材料中游离氯离子进行固化，梅军帅［5］研究发现掺入粉煤灰和矿粉能使海砂浆固化氯离子的能力提高； 金祖权等［6］研究发现，掺入粉煤灰能够提高海水水泥净浆的氯离子结合能力，进而降低钢筋锈蚀机率且提升材料耐久性。掺入矿物掺合料所得的海水海砂水泥基材料的力学性能也会有明显改变。

为了研究矿物掺合料对海水海砂水泥基材料力学性能和游离氯离子固化能力的影响，本研究采用正交试验设计方法对不同水灰比、粉煤灰替代率、矿粉替代率的海水海砂砂浆（SSM）试块进行了抗压强度试验，并通过滴定法对游离态氯离子固化率进行测量，以期为矿物掺合料海水海砂水泥基材料的工程应用提供理论依据。

1 试验

1.1 试验原材料

试验所用的水泥为陕西西安P·O42.5级水泥；粉煤灰（FA）采用满足国家标准［7］的Ⅰ级粉煤灰；礦粉（GGBS）采用满足国家标准［8］的S95级粒化高炉矿渣粉，各胶凝材料的化学成分见表1。试验用水为人工配置海水，海盐为天然海盐，水中海盐含量为35‰；细骨料采用山东省日照市的黄海天然海砂，砂的粒径分布如图1所示，颗粒级配为满足国家标准［9］的Ⅱ区，级配良好，细度模数为2.70，属于中砂；海砂与拌合海水中Cl-含量见表2。

1.2 配合比设计

正交试验设计是研究多因素多水平的一种设计方法，其根据正交性从全部试验中挑选出部分有代表性的点进行试验，这些有代表性的点具备了“均匀分散，齐整可比”的特点，大大减少了工作量［10］。试验因素为粉煤灰和矿粉，相较于胶凝材料的相对质量掺量[RF]和[RG]，以及水胶比[w]，每个因素设计4个水平，采用L16（43）四水平三因素的正交表，正交设计见表3。

该试验以对应的水胶比（0.4、0.44、0.5、0.54）制作4组基准水泥砂浆作为对照组，基准水泥砂浆原材料为普通河砂、自来水、水泥，其中普通河砂通过筛分使其粒径分布与海砂相同，以排除粒径对试验结果的影响，基准砂浆配合比见表4。

1.3 试件制备

根据配合比设计制备海水海砂试样16组，基准试样4组，试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm，水中加入海盐配置成人工海水，采用机械搅拌将海砂、水泥、粉煤灰、矿粉干拌1 min后，加入人工海水搅拌3～5 min，搅拌均匀后，装模放置于震动台振动，用保鲜膜覆盖表面，成型24 h后拆模，放入养护箱中进行水养护至28 d龄期。

1.4 试验方法

1.4.1 抗压强度试验。该试验使用YNS-Y2000电液伺服压力试验机作为加载装置，试验加载方式为等荷载加载，加荷速率为[11.25 kN/s]。

1.4.2 游离氯离子固化率试验。游离氯离子固化能力由式（1）来描述。

[γ=β'β?100%] （1）

式中：[γ]为游离氯离子固化率；[β']为养护后水泥砂浆中游离氯离子含量；[β]为搅拌前水泥砂浆中游离氯离子含量。

养护后水泥砂浆中游离氯离子含量按国家标准［9］进行测试：试样粉末干燥称重后，用蒸馏水将游离氯离子析出，在样品溶液中以铬酸钾为指示剂、硝酸银为滴定液滴定游离氯离子含量，计算公式见式（2）。

[β'=cAgNO3（V1?V2）×0.0355×10）m×100%] （2）

式中：β'为样品中氯离子含量，%；cAgNO3为硝酸银标准溶液的浓度，mol·L-1；V1为样品滴定消耗硝酸银标准溶液体积，mL；V2为空白试验消耗硝酸银标准溶液体积，mL；[m]为样品质量，g。

不考虑胶凝材料中的氯离子，计算搅拌前水泥砂浆中游离氯离子含量见式（3）。

[δ=βw?ζw+βs?ζs] （3）

式中：[βw]、[βs]分别为拌合海水、海砂中游离氯离子的含量；[ζw]、[ζs]为拌合海水、海砂在水泥砂浆中的质量占比。

2 结果与分析

2.1 试验结果

试验结果见表5。 各因素对试验指标的敏感性评价采用极差分析法和方差分析法。极差分析法通过计算极差R的大小来确定因素对试验指标的影响程度。R的值反映了在因素水平变化时试验指标的变化情况，R越大意味着该因素对试验指标的影响越显著［10］。方差分析法的检验水平置信度选取[α=0.05]和[α=0.01]，并在F分布表中查找相应数值：[F0.053，6=4.76]，[F0.013，6=9.78]。当[F>F0.013，6]时，该因素的影响非常显著，用“***”表示；当[F0.013，6≥F>F0.053，6]时，该因素的影响显著，用“**”表示；当[F≤F0.053，6]时，该因素的影响不显著，用“*”表示。

2.2 立方体抗压强度分析

在相同水胶比的情况下，根据粉煤灰与矿粉相对掺量的不同，FA-GGBS海水海砂水泥砂浆的力学性能也有所不同。取最优掺量的强度值与基准组进行比较，如图2所示。最优掺量组的立方体抗压强度大于普通砂浆，说明合理掺入粉煤灰与矿粉的海水海砂水泥砂浆抗压力学性能优于普通砂浆。立方体抗压强度的最大增幅在ssm5组：水灰比为0.44，粉煤灰相对掺量为15%，矿粉相对掺量为3%，相较于基准组提升幅度为14.4%。

立方体抗压强度的极差分析和方差分析见表6、表7，各因素影响趋势如图3所示。

由表6、表7和图3可知，各因素对立方体抗压强度的影响主次顺序为：粉煤灰相对掺量（12.25 MPa）>水胶比（11.03 MPa）>矿粉相对掺量（3.48 MPa）。水胶比、粉煤灰相对掺量是高显著性因素，矿粉相对掺量影响不显著。随着水胶比的上升，FA- GGBS海水海砂水泥砂浆的立方体抗压强度呈下降趋势，当水胶比掺量从0.44提升至0.50和0.54时，曲线斜率放缓，抗压强度降低趋势变小；随着粉煤灰相对掺量的增加，抗压强度先增大后减小，最佳掺量为15%；矿粉相对掺量的增加使立方体抗压强度递减，但影响效应不明显。

2.3 游离氯离子固化率

游离氯离子固化率的极差分析和方差分析见表8、表9，各因素影响趋势如图4所示。各因素对游离氯离子固化率的影响主次顺序为：粉煤灰相对掺量（14.28%）>矿粉相对掺量（6.81%）> 水胶比（6.81%）。粉煤灰相对掺量是显著性因素，矿粉相对掺量、水灰比影响效应不显著。由图4可知，随着粉煤灰相对掺量的增加，游离氯离子固化率先增大后减小，最佳掺量为30%；水胶比、相对矿粉掺量的影响趋势不明显，最佳水平分别在水胶比0.44、矿粉相对掺量3%时取到。

2.4 配合比优化

本研究根据FA-GGBS/海水海砂水泥砂浆的三个因素设计了四水平共16组正交试验，完整试验为64组，剩余的试验结果未知。本試验的性能指标有立方体抗压强度、游离氯离子固化率等两种，各性能指标的权重未知。客观赋权法认为，当各项性能指标之间的差异比较大时，则认为该项性能指标对综合性能的影响比较大，熵权法是客观赋权法的一种，信息熵与指标的离散程度成反比，即信息熵对权重呈负相关性［11］。 定义海水海砂砂浆的综合评价指标“D值”，采用式（4）的综合评价公式进行计算。

[D=j=12ωjkij] （4）

式中：[ωj]为第[j]个指标的权重；[kij]为第[j]个指标标准化后的样本值；[kj=xji=1mxj]。

通过式（5）计算各指标的信息熵。

[ej=?1lnmi=1mkijlnkij] （5）

式中，若[kij=0]，定义[ej=0]；m为试验组数。

通过式（6）计算各指标的信息冗余度。

[dj=1?ej] （6）

通过式（7）计算各指标的权重系数。

[ωj=djj=1ndj] （7）

由试验数据及式（4）至式（7）得出各指标的权重见表10。

按式（4）计算出综合评价指标D值，各组结果见表11。

由表11可知，ssm-5是16组试验中综合性能最好的方案，ssm-6次之。计算16组中各因素的D值均值，见表12。由表12可知，当水灰比为0.40、粉煤灰掺量为15%、矿粉掺量为3%时，各因素的平均D值最大，此时FA-GGBS/海水海砂水泥砂浆的理论综合性能最优。此组配合比正是ssm-5的掺量，与上述分析相符。

3 结论

①在相同水胶比条件下，FA-GGBS/海水海砂水泥砂浆立方体的抗压最优强度高于基准组水泥砂浆，说明合理掺入粉煤灰与矿粉时，FA-GGBS/海水海砂水泥砂浆的力学性能优于普通砂浆。抗压强度的最大提升幅度为14.4%。

②根据极差分析，影响FA-GGBS/海水海砂水泥砂浆的立方体抗压强度的各因素顺序为粉煤灰掺量＞水胶比＞矿粉掺量；各因素对游离氯离子固化率的影响顺序为水胶比（9.6%）>粉煤灰相对掺量（7.6%）> 矿粉相对掺量（6.81%）。

③根据熵权法分析，最优配合比方案是水灰比为0.40、粉煤灰掺量为15%、矿粉掺量为3%，此配合比正是ssm5组。

参考文献：

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［8］全国水泥标准化技术委员会.用于水泥和混凝土中的粉煤灰：GB/T 1596—2017［S/OL］.（2017-07-12）［2023-12-28］.https：//std.samr.gov.cn/gb/search/gbDetailed？id=71F772D819B2D3A7E05397BE0A0AB82A.

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［11］覃源，吕杲，关科，等.基于熵权法的混凝土耐久性评价及寿命预测［J］.硅酸盐学报，2023，51（5）：1344-1354.

收稿日期：2024-01-04

作者简介：徐星存（1999—），男，硕士生，研究方向：海水海砂建筑材料。