基于混料設計的混凝土膠凝材料體系對氯離子滲透性能影響的配比優化

陳裕佳

（1. 廈門天潤錦龍建材有限公司，福建 廈門 361027；2. 廈門市建筑科學研究院集團股份有限公司，福建 廈門 361004）

0 前言

進入新世紀以來，混凝土作為使用最廣的建筑工程材料，在不同的環境條件下對混凝土提出了不同的性能要求[1]。在沿海地區，許多的混凝土建設工程向海洋環境進行延伸，因此氯離子的滲透問題成為了當前海洋環境下混凝土的耐久性研究的重點之一[2-3]。

氯離子在混凝土中的輸運過程實質上是帶電粒子在多孔介質的孔隙液中傳質的過程。對應于粒子傳質過程中所發生的基礎物理化學過程包括：擴散、對流、綁定和電遷移等[4]。礦物摻合料在混凝土中對改善氯離子滲透性能的作用顯著，礦物摻合料可以有效地細化混凝土孔隙結構、改善界面區和增加混凝土密實度，大幅度地改善混凝土的抗氯離子滲透性能[5]。水化產物填充在空隙中，將水泥漿體中的連通孔堵住可降低水泥中的孔隙率，可阻止離子進入，進一步改變氯離子滲透性以及耐久性[6]。

本文在礦物摻合料能有效改善氯離子滲透性能的基礎上，運用混料設計方法，設計水泥—粉煤灰—礦粉三元膠凝體系試驗配比。借助混料設計軟件 Minitab，實現最優配合比的確定。

1 試驗

1.1 原材料

1.1.1 水泥

試驗所用水泥為福建紅獅水泥廠生產的 P·O42.5 級散裝水泥，其技術指標見表1。

1.1.2 減水劑

試驗所用減水劑為來自科之杰的聚羧酸減水劑，其性能指標見表2。

1.1.3 其他

試驗所用其他原材料均來自公司攪拌站的生產用料，粉煤灰為 F 類Ⅱ級粉煤灰，礦粉等級為 S95，砂的細度模數為 2.6，石子是粒徑為 5～20mm 的反擊破石子。所用水為普通城市自來水，水質符合 JGJ 63—2006《混凝土用水標準》中的規定。

表1 試驗所用水泥的性能指標

表2 試驗所用減水劑性能

1.2 試驗配比

本試驗設計 C30 強度等級的配合比進行試驗，如表3 所示，是本試驗的基準配合比，其中始終保持膠凝材料總量不變，同時保持水膠比砂率不變。試驗根據混料設計改變水泥—粉煤灰—礦粉三元膠凝材料體系的分量比例，測試其氯離子電通量。

表3 C30 試驗基準配合比 kg/m3

1.3 試驗方法

1.3.1 氯離子滲透性

根據 GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》，抗氯離子滲透試驗有兩種方法，即快速氯離子遷移系數法（RCM 法）和電通量法。本文試驗使用電通量法，使用儀器為北京耐久偉業科技有限公司生產的 NJ-DTL 系列混凝土氯離子電通量測定儀，其給出的氯離子滲透性判定如表4 所示。

表4 基于通過的電量的氯離子滲透性

1.3.2 混料設計

本文使用 Minitab 17 軟件中的 DOE 混料設計模塊設計試驗并分析數據。試驗以水泥、粉煤灰和礦粉在總膠凝材料中的比例為分量（用 x水泥、x粉煤灰、x礦粉表示），以混凝土的電通量為指標。根據實際生產和試驗中各成分的比例有其范圍限制，因此，混料設計將對其分量進行約束，其約束條件為：

2 結果與討論

2.1 試驗設計與測試結果

在 Minitab 17 軟件“混料設計”模塊中進入創建混料設計，混料設計總共有三種類型，分別是單純形格點設計、單純形質心設計和極端頂點設計。因本試驗對混料分量加入了上下界的約束條件，所以適用極端頂點設計。本試驗有 3 個分量，設計階數為 1 階，然后設置分量的上下界，軟件自動生成試驗配比，與測試結果合并于表5。

表5 混料設計分量與 28d 電通量測試結果

2.2 最優配比分析

通過分析混料設計入口，混料設計可提供多種模型來擬合試驗數據，本試驗有三個分量適合用特殊立方模型對試驗數據進行統計分析。三元體系可以建立三角分量體系圖，如圖1 所示為各試驗組分量設計圖，于此形成對比的是，基于模型方程設置電通量為相應變量繪制等值線圖。如圖2 所示，三角圖中顯示模擬值的等值線形成了同心圓形狀，證明有最優解，設計配合比時可以根據圖中的優選區域設計較優的配比。最后用響應優化器工具，設置電通量的目標為最小，Minitab 將計算最優解并繪圖，最優解作為圖的起始點，調整各分量的比例將會自動計算新的最優解。如圖3 所示，本試驗的最優解為水泥 : 粉煤灰 : 礦粉的比例為 0.5451:0.1606:0.2943，最優解的電通量為最小值1882C，達到低級別的氯離子滲透性。用解得的配合比進行驗證試驗，測得的電通量為 1875C，與計算值的誤差僅為 0.37%，因此該最優解是有效的。

4 結論

本試驗用混料設計的方法，設計三元膠凝材料體系對混凝土氯離子滲透性能的影響。根據真實的電通量試驗數據，用 Minitab 軟件繪制等值線圖，并用響應優化得到最優解。試驗證明加入粉煤灰和礦粉能夠有效地改善混凝土氯離子滲透性，在本試驗中最優的膠凝材料比例是水泥 : 粉煤灰 : 礦粉=0.5451:0.1606:0.2943。

圖1 試驗組分量設計圖

圖2 電通量的混合等值線圖

圖3 最優解的電通量與配比