不同因素對長齡期混凝土抗壓強度的影響*

張亞濤，汪 宇，陳吉春，朱田生，張成銀[.安徽省（水利部淮河水利委員會）水利科學研究院安徽蚌埠33000;.安徽元鼎建設工程有限責任公司安徽 蚌埠33000]

0 前言

抗壓強度是混凝土的重要力學性能指標之一[1]，而混凝土作為一種多相復合材料，其力學性能主要取決于三方面因素：水泥石強度、粗集料強度和粗集料與水泥石間的界面過渡區強度[2]。郭曉燕等[3]通過不超過90 d混凝土抗壓強度試驗認為：粉煤灰摻量30%～40%時，分選灰比原狀灰對提高混凝土強度更有效；施養杭[4]、李剛等[5]認為：水泥強度、水膠比和粉煤灰摻量是決定不超過60d粉煤灰高性能混凝土抗壓強度的重要因素；段付珍等[6]對齡期不大于180d混凝土抗壓強度的研究表明：粉煤灰和礦粉對混凝土早期強度不利，但后期強度增長很快；何盛東[7]、金巧蘭[8]和陳國強[9]等認為：部分機制砂替代天然砂未對齡期不大于120d混凝土抗壓強度造成不利影響，部分替代率會利于混凝土抗壓強度的提高。張旭賢等[10]通過不超過56d混凝土抗壓強度試驗，認為不同類型的減水劑適用于不同粉煤灰摻量的混凝土。

在前人工作的基礎上，根據有交互作用的正交試驗原理，進行四因素（水泥強度、活性摻合料種類、減水劑種類和細骨料種類）二水平的試驗設計，討論四因素和他們之間交互作用對長齡期（90～360 d）混凝土抗壓強度的影響。

1 試驗部分

1.1 試驗原材料

水泥為蚌埠海螺水泥有限公司產的P·O 42.5和P·O 52.5水泥，3 d抗壓強度分別為24.7 MPa和30.5 MPa，28 d抗壓強度分別為47.5 MPa和53.2 MPa，安定性均合格；粉煤灰為淮南市珍珠粉煤灰開發利用有限責任公司產F類Ⅱ級粉煤灰，細度（0.045 mm方孔篩篩余）24.3%，需水量比93%，強度活性指數71%；礦粉為江蘇淮龍新型建材有限公司產S95礦粉，比表面積413m2/kg，流動度比100%，28 d活性指數96%；天然砂為安徽明光產中砂，細度模數2.84，含泥量1.2%，泥塊含量0；混合砂為鳳陽武店產，細度模數2.43，石粉含量5.1%，亞甲藍試驗合格，泥塊含量0；5～25（mm）碎石和5～10（mm）瓜子片均為淮南上窯產，瓜子片含泥量和泥塊含量分別為1.0%和0，碎石的含泥量和泥塊含量分別為0.9%和0；聚羧酸高性能減水劑產地為蚌埠，減水率29%，含固量17.15%，pH值4.56；奈系減水劑產地為合肥，減水率20%，含固量31.30%，pH值7.38；水為當地生活用自來水。

1.2 試驗設計與試樣成型

試驗中的因素水平如表1所示，各因素對試驗結果會產生一定影響，因素間也可能存在交互作用，假定各因素、交互作用是相互獨立的，即可把交互作用安排到一個專門的列上，與其他因素一起討論[11]。這里用L8（27）正交表（含交互作用）安排試驗，A因素和B因素分別放在正交表的第1列和第2列，A因素和B因素的交互作用放于第3列，C因素放在第4列，A因素和C因素的交互作用放于第5列，D因素放于第7列，第6列為誤差列。

表1 因素水平表

利用HJS-60型雙臥軸混凝土試驗用攪拌機（生產廠家：北京耐久偉業科技有限公司）成型原材料比例如表2所示的混凝土試樣，每種配比成型5組（每組3塊），分別進行90d，120d，180d，270d，360d的標準養護。試樣尺寸為100mm×100mm×100mm。

成型過程：加料后（水泥、砂、石、活性摻合料）干拌3 min，加水（有減水劑的需要把減水劑事先混勻在水中），機械攪拌4min，裝模成型、養護（成型與養護方法參照GB/T50081—2002相關規定）。

1.3 混凝土試塊抗壓強度試驗

分別對標準養護90 d、120 d、180 d、270 d和360 d的混凝土試塊在YA-2000C型電液式壓力試驗機上進行抗壓強度測試，試驗方法和數據處理方法參照標準《普通混凝土力學性能試驗方法標準》GB/T 50081—2002，結果見表3。

表2 混凝土配合比 kg/m3

表3 混凝土抗壓強度 MPa

2 結果分析

2.1 90 d抗壓強度結果分析

表4中可以得出對90d抗壓強度較優的水平組合為A2B2C1D2。

由于：QA×C＜QC＜Q6＜QA，即A和C間無交互作用，所以第5列也是誤差列，又由于QC＜QD=Q6，所以C和D因素無影響。因此：

再把計算出的F值，分別與F0.01,（1,4）、F0.05,（1,4）和F0.10,（1,4）比較，得出各個因素對指標值影響顯著性的結果：活性摻合料種類對混凝土90d抗壓強度的影響顯著，水泥強度對90d抗壓強度有影響，減水劑種類和細骨料種類對90d抗壓強度無影響，見表5。

表4 90 d抗壓強度結果初步分析表

2.2 其他齡期抗壓強度結果分析

按照2.1中方法，分別對標準養護120 d、180 d、270 d和360 d混凝土試件抗壓強度值進行分析，結果見圖2，3和表6，7。

表5 90 d抗壓強度結果方差分析表

圖2 四因素在不同齡期對混凝土抗壓強度的影響

圖3 不同交互作用在不同齡期對混凝土抗壓強度的影響

從圖2中可以看出活性摻合料種類在不同齡期對混凝土抗壓強度的影響程度均大于水泥強度、減水劑種類和細骨料種類，且基本是隨齡期的延長而增大。主要是由于活性摻合料的活性效應、微集料效應和形態效應造成的。普通水泥28d時水化程度可達80%～90%，之后的水化十分緩慢[12-13]，而活性摻合料的二次水化在28d后開始成為主要反應形式。最初的二次水化主要是礦渣在水泥水化產物Ca（OH）2和水泥組分石膏的激發下進行的，后期的二次水化則主要是粉煤灰在水泥水化產物Ca（OH）2的誘發下進行的[14]。

圖2和圖3比較可以得出：活性摻合料與水泥的交互作用（A×B）對混凝土強度的影響隨著齡期的延長而增大，且影響程度一直大于活性摻合料與減水劑的交互作用（A×C）。原因是，混凝土齡期達到90d后，活性摻合料的二次水化反應開始增多[15]，而二次水化反應需要的Ca（OH）2正是水泥水化產物之一，這在一定程度上使得活性摻合料的二次水化與水泥水化具有相互促進作用[6]，并且標準養護到180d時，該環境下的相互促進作用達到最強，對混凝土抗壓強度影響最大，因此A×B對混凝土抗壓強度影響一直強于A×C。

表6 較優因素組合

從表6中可以看出：相較于只含粉煤灰的活性摻合料（A1）,粉煤灰和礦粉混合后的活性摻合料（A2）更有利于混凝土抗壓強度的提高，原因是：相較于粉煤灰，礦粉粒度更細、活性更高，尤其是界面活性更高，更能明顯改善水泥石與骨料的界面結構[16]，因此，膠凝材料總量不變的情況下，用部分礦粉代替粉煤灰后，能夠同時發揮出粉煤灰和礦粉的優點，對抗壓強度影響變大；水泥強度等級52.5對90～120 d混凝土抗壓強度更有利，而水泥強度等級42.5對180～360 d混凝土抗壓強度更有利，因此，強度等級高的水泥不一定適合配置高標號混凝土；萘系減水劑在120d后更有利于混凝土強度的增長，原因是，萘系減水劑pH值更高，含有的OH-更多，更能夠激發粉煤灰的二次水化反應[17]；混合砂對270～360 d混凝土抗壓強度更有利，但從圖2中可以看出，該有利形勢對混凝土抗壓強度影響不大。

表7 各因素對不同齡期混凝土抗壓強度顯著性影響分析表

從表7中可以看出：標準養護90～360 d，活性摻合料種類（因素A）對混凝土抗壓強度的影響程度一直大于其他三個因素（因素B、因素C和因素D），因標準養護90d齡期后，活性摻合料二次水化反應開始增多[11]，此時，活性摻合料種類對抗壓強度的影響變大，因此，對于90～120d齡期混凝土抗壓強度，活性摻合料種類的影響表現為顯著時，水泥的影響表現為有影響；標準養護到180d以后，混凝土中活性摻合料的二次水化反應達到高潮。

細骨料種類（因素D）對混凝土抗壓強度的影響在表7中表現為無影響，即不同種類的中砂對90～360 d混凝土抗壓強度的影響程度可以忽略不計，再加上生產混合砂可以減小對生態環境的破壞，因此，混合砂替代天然砂潛力巨大。

3 結論

（1）四因素（活性摻合料種類、水泥強度、減水劑種類和細骨料種類）中對標養90～360d齡期混凝土抗壓強度影響最大的因素是活性摻合料種類；

（2）活性摻合料和水泥的交互作用對標養90～360 d齡期混凝土抗壓強度的影響隨著齡期的延長先增大后減小，在180 d時，其影響程度最大；

（3）細骨料種類對90～360 d混凝土抗壓強度的影響可以忽略不計，因此，針對天然砂比較緊張的現實，混合砂是一個較好的替代品。