基于正交分析的鐵尾礦砂混凝土凍融試驗★

李瑞敏 牛寶云

(唐山學(xué)院土木工程學(xué)院,河北 唐山 063000)

0 引言

唐山地區(qū)礦產(chǎn)資源豐富，為經(jīng)濟建設(shè)提供了充足的礦產(chǎn)資源，同時也產(chǎn)生大量尾礦廢石。鐵尾礦砂是選礦提純產(chǎn)生的工業(yè)廢料，其材料性能與天然砂類似。用鐵尾礦砂部分或完全取代天然砂配制鐵尾礦砂混凝土，不僅能緩解混凝土行業(yè)天然砂資源短缺的壓力，又能大宗消納鐵尾礦砂，具有顯著的經(jīng)濟效益和環(huán)保效益。

凍融循環(huán)破壞是混凝土耐久性能中非常重要的一種病害?；炷林灰幱趦?nèi)部含有較多水分的正負溫交替的環(huán)境中都會發(fā)生凍融破壞，凍融破壞嚴(yán)重影響混凝土建筑物的安全運行和長期使用[1]?，F(xiàn)階段鐵尾礦砂混凝土的研究成果主要集中在混凝土的材料性能、工作性能及力學(xué)性能等方面，對耐久性的研究較少，特別是抗凍性能的研究更少[2-5]。試驗研究基于正交分析理論，對凍融后質(zhì)量損失率和相對動彈性模量進行分析，得出不同影響因素對鐵尾礦砂混凝土抗凍性的影響規(guī)律。

1 材料及試驗方法

1.1 試驗材料

1)水泥：唐山市冀東P.O42.5級水泥，28 d抗壓強度49.6 MPa。

2)天然砂：天然河砂，中砂，細度模數(shù)2.69～3.00，表觀密度為2 726 kg/m3。

3)鐵尾礦砂：產(chǎn)自唐山，細度模數(shù)2.21～2.83，表觀密度為2 785 kg/m3。鐵尾礦砂的化學(xué)成分見表1。

4)碎石：5 mm～20 mm連續(xù)級配碎石，表觀密度為2 837 kg/m3。

5)減水劑：聚羧酸高效減水劑。

表1 鐵尾礦砂主要化學(xué)成分 %

1.2 快速凍融試驗方法

試驗按照GB/T 50082—2009普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)[6]，采用快凍法進行試驗研究。本試驗共制備9組100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體試件，每組試件為3塊。由于鐵尾礦砂與天然砂的材料性能有所不同，試件制作時依據(jù)JGJ 55—2011普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程[7]和GB 50119—2003混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范[8]，摻加了適當(dāng)?shù)姆勖夯液蜏p水劑進行配合比設(shè)計調(diào)整。試件制作完成后先標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護24 d，然后在(20±2)℃的水中浸泡4 d，水面高出試件頂面20 mm～30 mm。凍融試驗時，將試件放入試件盒，再將試件盒放入凍融試驗箱內(nèi)的試件架上，并向試件盒中注入清水。整個試驗過程中，盒內(nèi)的水位高度應(yīng)保持高出試件頂面5 mm左右。根據(jù)規(guī)范要求，每次凍融循環(huán)應(yīng)在2 h～4 h內(nèi)完成，并且用于融化的時間不得少于整個凍融循環(huán)時間的1/4。在冷凍和融化過程中，試件中心最低和最高溫度應(yīng)分別控制在(-18±2)℃和(5±2)℃內(nèi)。在任意時刻，試件中心溫度不得高于7 ℃且不得低于-20 ℃。在凍融循環(huán)作用后，分別測試件的質(zhì)量損失和相對動彈性模量。9組試件全部進行200次凍融循環(huán)，試驗測得了初始時刻和每間隔50次凍融循環(huán)后質(zhì)量損失率和相對動彈性模量。

2 正交試驗設(shè)計

試驗時選取混凝土強度等級、粉煤灰摻量、鐵尾礦砂取代率三個影響因素，每個因素設(shè)計三個水平，正交試驗因素及水平,見表2。試驗共制作9組試件，每組3塊，合計27個試件。每組3個試件凍融循環(huán)后分別測定質(zhì)量損失和相對動彈性模量，取平均值作為每組試驗的結(jié)果進行分析。9組試驗的正交設(shè)計方案,見表3。

表2 正交試驗因素及水平

表3 正交試驗方案設(shè)計

3 試驗結(jié)果分析

3.1 試驗指標(biāo)與凍融循環(huán)次數(shù)的趨勢圖分析

9組試驗質(zhì)量損失率隨凍融循環(huán)次數(shù)增加的變化規(guī)律見圖1，9組試驗相對動彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)增加的變化規(guī)律見圖2。

從圖1中可以看出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，9組試件的質(zhì)量損失率基本都呈增長趨勢。質(zhì)量損失率是反映混凝土在凍融循環(huán)破壞過程中的剝落狀況，隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，試件表面不斷出現(xiàn)新的破損剝落，因此圖1中質(zhì)量損失率隨凍融循環(huán)次數(shù)的試驗曲線呈現(xiàn)出持續(xù)增長趨勢。從圖2中可以看出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，9組試件的相對動彈性模量呈下降趨勢。動彈性模量損失是在無損測試狀態(tài)下反映混凝土內(nèi)部的總體缺陷發(fā)展[9]，隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，試件內(nèi)部缺陷持續(xù)增加，試件逐漸趨于破壞，因此，圖2中相對動彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)的9組試驗曲線呈現(xiàn)出不斷下降趨勢。

3.2 正交試驗的極差分析

表4 200次凍融循環(huán)后質(zhì)量損失率及相對動彈性模量

試驗組數(shù)混凝土強度等級A粉煤灰摻量B鐵尾礦砂取代率C質(zhì)量損失率相對動彈性模量Z1C30003.3174.0Z2C400501.3640.0Z3C5001000.8936.8Z4C3010502.4246.7Z5C40101004.8639.1Z6C501000.0390.2Z7C30201001.3173.9Z8C402001.8281.3Z9C5020501.9567.8K1因素A,B,C第1個水平所考核的指標(biāo)和K2因素A,B,C第2個水平所考核的指標(biāo)和K3因素A,B,C第3個水平所考核的指標(biāo)和K1K1的平均值K2K2的平均值K3K3的平均值極差RK1,K2,K3中最大值與最小值之差

圖3為各因素對鐵尾礦砂混凝土質(zhì)量損失率極差的影響，圖4為各因素對鐵尾礦砂混凝土相對動彈性模量極差的影響。極差越大，說明該因素對試驗指標(biāo)的影響越大，從而可以判斷因素的主次。由圖3可知，3個影響因素對質(zhì)量損失的影響程度為混凝土強度等級>粉煤灰摻量>鐵尾礦砂取代率?；炷翉姸鹊燃墝?00次凍融后的質(zhì)量損失率影響最大，遠遠高出其他兩個因素產(chǎn)生的影響，對質(zhì)量損失率的貢獻率占55%。粉煤灰摻量次之，對質(zhì)量損失率的貢獻率占25%，鐵尾礦砂取代率對質(zhì)量損失率的影響最小，只占20%。由圖4可知，3個影響因素對相對動彈性模量的影響程度為鐵尾礦砂取代率>粉煤灰摻量>混凝土強度等級。鐵尾礦砂取代率對動彈性模量損失影響最大，占總貢獻率的47%，其次是粉煤灰摻量，占總貢獻率的36%，混凝土強度等級影響最小，占總貢獻率的17%。

4 結(jié)語

通過對9組正交試驗分析，可以得到以下結(jié)論：

1)9組試驗經(jīng)過凍融循環(huán)200次，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土表面不斷出現(xiàn)新的剝落破損，質(zhì)量損失率呈現(xiàn)出增長趨勢；隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐漸趨于破壞，相對動彈性模量呈現(xiàn)出下降趨勢。

2)3個影響因素對質(zhì)量損失的影響程度為混凝土強度等級>粉煤灰摻量>鐵尾礦砂取代率，而3個影響因素對相對動彈性模量的影響程度為鐵尾礦砂取代率>粉煤灰摻量>混凝土強度等級。