王欣周蘊(yùn)文祝健楊立華

(1.山東建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101；2.山東建筑大學(xué)建筑結(jié)構(gòu)加固改造與地下空間工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250101；3.山東建筑大學(xué) 資產(chǎn)管理處，山東 濟(jì)南 250101)

0 引言

20世紀(jì)90年代，法國(guó)的布依格(Bouygues)公司[1]在纖維增強(qiáng)混凝土、細(xì)料致密法等一系列研究基礎(chǔ)上，研發(fā)了一種強(qiáng)度高、韌性優(yōu)良、耐久性好的超高強(qiáng)增韌混凝土，即活性粉末混凝土。目前，活性粉末混凝土已在日本、法國(guó)、加拿大等國(guó)家推廣應(yīng)用到實(shí)際工程中，呂平等[2]針對(duì)鋼箱梁人行天橋耐腐蝕性差、穩(wěn)定性一般的缺點(diǎn)，提出了將活性粉末混凝土應(yīng)用于人行天橋作為橋面板，研究表明鋼-活性粉末混凝土組合箱梁結(jié)構(gòu)可在其他人行天橋工程改造和新建工程中推廣使用。

目前，眾多科研人員對(duì)活性粉末混凝土的配合比設(shè)計(jì)原則及配制技術(shù)做出了改善，深入地研究了活性粉末混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度、應(yīng)力—應(yīng)變曲線、彈性模量等主要的力學(xué)性能[3-5]，并探究了活性粉末混凝土的抗氯離子滲透、抗碳化、抗凍融、抗腐蝕等耐久性及耐高溫性能[6-10]。吳炎海等[11]對(duì)比研究了不同養(yǎng)護(hù)方式和齡期對(duì)活性粉末混凝土強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律的影響，確定了獲得高強(qiáng)活性粉末混凝土的最佳養(yǎng)護(hù)方式。鄭文忠等[12]分析了水膠比、石英砂、硅灰、礦渣粉、鋼纖維品種與摻量對(duì)活性粉末混凝土強(qiáng)度和流動(dòng)度的影響，并初步提出了活性粉末混凝土配合比計(jì)算方法。安明喆等[13]提出了鋼纖維體積率對(duì)活性粉末混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度、軸心抗拉強(qiáng)度的影響規(guī)律，得到了隨著鋼纖維摻量的增加，活性粉末混凝土抗拉強(qiáng)度呈線性增大的規(guī)律?？芗蚜恋萚14]通過(guò)極差法確定了常溫養(yǎng)護(hù)條件下既定因素對(duì)活性粉末混凝土抗壓強(qiáng)度的影響程度，并得到了最佳配合比。為探究預(yù)應(yīng)力活性粉末混凝土梁的火災(zāi)安全性，閆凱等[15]通過(guò)對(duì)8個(gè)預(yù)應(yīng)力活性粉末混凝土簡(jiǎn)支梁開展恒定荷載ISO 834標(biāo)準(zhǔn)升溫條件下的受火試驗(yàn)，研究了預(yù)應(yīng)力活性粉末混凝土簡(jiǎn)支梁的火災(zāi)高溫?fù)p傷演化和破壞模式，結(jié)果表明干熱養(yǎng)護(hù)可有效抑制活性粉末混凝土高溫爆裂，有利于保證受火構(gòu)件的完整性。

采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、高溫養(yǎng)護(hù)或者蒸汽養(yǎng)護(hù)的養(yǎng)護(hù)制度配制出超高強(qiáng)活性粉末混凝土，其成本高且不利于工程實(shí)際推廣應(yīng)用。文章根據(jù)北方地區(qū)冬期(氣溫變化為-10～10℃)建筑工程現(xiàn)場(chǎng)低溫施工的特點(diǎn)，基于五因素四水平正交試驗(yàn)，研究了活性粉末混凝土的基本力學(xué)性能(流動(dòng)度、立方體抗壓強(qiáng)度與軸心抗拉強(qiáng)度)，分析了水膠比、膠砂比、鋼纖維摻量、減水劑摻量及硅灰與粉煤灰質(zhì)量比5種既定因素對(duì)活性粉末混凝土力學(xué)性能的影響，基于極差分析和方差分析，選出了低溫養(yǎng)護(hù)制度下活性粉末混凝土的最優(yōu)化因素水平組合，為今后實(shí)際工程的應(yīng)用推廣提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)原料

水泥選用P·O52.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，其氧化鎂含量≤3.5%、三氧化硫含量為2.0%～3.0%、比表面積≥381 m2/kg、初凝時(shí)間為115 min、終凝時(shí)間為184 min、3 d抗壓強(qiáng)度≥33.8 MPa、28 d抗壓強(qiáng)度≥58 MPa、3 d抗折強(qiáng)度≥6.2 MPa、28 d抗折強(qiáng)度≥10 MPa；鋼纖維選用長(zhǎng)度為13 mm的超細(xì)超短高強(qiáng)平直鋼纖維，直徑為200μm、密度為7.85 g/cm3、抗拉強(qiáng)度為2 850 MPa；聚丙烯纖維選用單絲狀聚丙烯纖維，長(zhǎng)度為18～20 mm、直徑為48μm、密度為0.9 g/cm3、抗拉強(qiáng)度＞400 MPa；硅灰采用S90級(jí)微硅粉，比表面積為26 400 m2/kg，燒失量為1.60%、含水量為0.40%、二氧化硅含量為91.7%；粉煤灰采用一級(jí)粉煤灰，細(xì)度為16%、燒失量為2.80%、含水量為0.85%、密度為2.55 g/cm3；礦渣粉采用S95級(jí)粒化高爐礦渣粉，燒失量為0.98%、含水量為0.35%、密度為3.10 g/cm3、流動(dòng)比為98%、7 d活性指數(shù)為84.2%、28 d活性指數(shù)為98.5%；高效減水劑選取固含量為98%的粉狀聚羧酸型高效減水劑；骨料選用最大粒徑2.5 mm、細(xì)度模數(shù)約為2.5的普通河砂；水選用的是濟(jì)南自來(lái)水。

1.2 制備與養(yǎng)護(hù)

活性粉末混凝土的制備根據(jù)GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土》[16]進(jìn)行，采用的是SJ-15型砂漿攪拌機(jī)。為了防止鋼纖維與聚丙烯纖維在攪拌過(guò)程中結(jié)團(tuán)，攪拌采用濕拌與撒纖維同步進(jìn)行的方式。攪拌初期先放入硅酸鹽水泥、河沙、粉煤灰、礦粉、聚羧酸系高效減水劑粉劑及硅灰等干料，攪拌4 min之后將水與鋼纖維、聚丙烯纖維同時(shí)加入攪拌機(jī)，攪拌時(shí)間≥4 min。攪拌結(jié)束后先取部分拌合物做流動(dòng)度測(cè)試，然后將其余拌合物裝入模具并在振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)2 min之后覆膜靜置養(yǎng)護(hù)。

為了與北方地區(qū)實(shí)際工程冬期現(xiàn)場(chǎng)施工的狀況更相符，試塊均在沒有暖氣條件的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)澆筑，試塊成型后覆蓋薄膜與棉氈靜置，在低溫養(yǎng)護(hù)條件下靜待3～4個(gè)晝夜后拆模，將拆模后的試塊放到室外，并覆蓋薄膜與棉氈，養(yǎng)護(hù)時(shí)間段選取的是北方的初冬至早春，氣溫變化范圍在-10～10℃，根據(jù)GB 50204—2015《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》[17]的規(guī)定將試塊養(yǎng)護(hù)至日平均溫度，逐日累積達(dá)到600℃且≥14 d。

1.3 試驗(yàn)方法

活性粉末混凝土試塊的立方體抗壓強(qiáng)度測(cè)試是根據(jù)GB/T 31387—2015[16]進(jìn)行，采用100 mm×100 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊，如圖1(a)所示，試驗(yàn)機(jī)選用最大負(fù)荷為3 000 kN的YAW-4306微機(jī)控制全自動(dòng)壓力試驗(yàn)機(jī)；其軸向抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)試根據(jù)GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[18]進(jìn)行，采用中間截面尺寸為150 mm×300 mm的軸向拉伸試件，如圖1(b)所示，試驗(yàn)機(jī)選用最大負(fù)荷為600 kN的SHT-4605微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)；其流動(dòng)度采用跳桌法進(jìn)行測(cè)試，具體試驗(yàn)方法是根據(jù)GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法》[19]進(jìn)行的，儀器選用自控水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定儀。

圖1 抗壓、抗拉試件圖

1.4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為全面探究既定因素對(duì)低溫養(yǎng)護(hù)制度下活性粉末混凝土流動(dòng)度、抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)選用五因素四水平正交試驗(yàn)表L16(45)。其中各影響因素分別為水膠比(A)、膠砂比(B)、鋼纖維摻量(C)、減水劑摻量(D)和硅灰與粉煤灰質(zhì)量比(E)，正交試驗(yàn)因素水平見表1，單位體積活性粉末混凝土各材料組分質(zhì)量與試驗(yàn)結(jié)果見表2。其中，鋼纖維摻量與聚丙烯纖維摻量均為體積摻量，且聚丙烯纖維摻量固定為0.5%；減水劑為外摻量，其摻量為占膠凝材料質(zhì)量的百分比；膠凝材料和水泥固定摻量分別為1 153和576.5 kg/m3，礦渣粉、硅灰與粉煤灰為取代水泥摻量，礦渣粉取代水泥摻量為173 kg/m3，硅灰與粉煤灰共取代水泥摻量403.5 kg/m3。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表

表2 單位體積活性粉末混凝土各材料組分質(zhì)量與正交試驗(yàn)結(jié)果表

續(xù)表2

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 極差分析與因素指標(biāo)分析

2.1.1 流動(dòng)度極差分析與因素指標(biāo)分析

作為正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)中常用的分析方法之一，極差分析法優(yōu)點(diǎn)明顯，其簡(jiǎn)明形象，直觀易懂，通過(guò)較為簡(jiǎn)單的計(jì)算和直觀分析就能夠得到試驗(yàn)優(yōu)化結(jié)果，可以快速達(dá)到試驗(yàn)分析目的。不同因素下活性粉末混凝土流動(dòng)度、抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的平均值及其極差由式(1)和(2)表示為

式中Kij為各因素第i水平、第j試驗(yàn)指標(biāo)結(jié)果值，i、j=1，2，3，4；Kimax、Kimin分別為各因素第i水平平均值中的最大值與最小值。計(jì)算流動(dòng)度時(shí)，Ki為各因素第i水平的流動(dòng)度平均值，mm；R為流動(dòng)度極差，mm；計(jì)算抗壓強(qiáng)度或抗拉強(qiáng)度時(shí)，Ki為各因素第i水平的抗壓強(qiáng)度或抗拉強(qiáng)度平均值，MPa；R為抗壓強(qiáng)度或抗拉強(qiáng)度極差，MPa。

低溫養(yǎng)護(hù)活性粉末混凝土流動(dòng)度平均值及其極差分析結(jié)果見表3。根據(jù)表3可以判斷各影響因素的主次順序:水膠比(A)＞膠砂比(B)＞減水劑摻量(D)＞鋼纖維摻量(C)＞硅灰與粉煤灰質(zhì)量比(E)。如圖2所示。

表3 不同因素下流動(dòng)度平均值及其極差分析結(jié)果表/mm

圖2 既定因素水平與流動(dòng)度關(guān)系圖

根據(jù)既定各因素水平與流動(dòng)度關(guān)系可得:流動(dòng)度隨水膠比的增加而增加，其增幅高達(dá)15.7%，這是因?yàn)楫?dāng)水膠比增加時(shí)，游離水含量增多，材料拌和充分，較大的水膠比也降低了膠凝材料與骨料之間的粘結(jié)力，流動(dòng)度隨之增大；流動(dòng)度隨膠砂比的增大而增大，其增幅為7.7%，當(dāng)膠砂比增加時(shí)，活性粉末混凝土中漿體的含量增加，骨料的相對(duì)含量降低，其表面包裹的漿量增多，活性粉末混凝土結(jié)構(gòu)體系嚴(yán)密，粘聚性好，潤(rùn)滑作用發(fā)揮完全，流動(dòng)度隨之增大；流動(dòng)度隨減水劑的增加而減小，其降幅為3.9%，這是由于減水劑摻量過(guò)多導(dǎo)致活性粉末混凝土發(fā)生離析現(xiàn)象，流動(dòng)度隨之減小；鋼纖維摻量、硅灰與粉煤灰質(zhì)量比對(duì)流動(dòng)度影響較小，在既定因素內(nèi)最高水平流動(dòng)度較最低水平分別相差2.7%、2.3%?？紤]到活性粉末混凝土在實(shí)際工程中多數(shù)應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)澆筑，因此期望獲得較大流動(dòng)度。通過(guò)極差分析得到流動(dòng)度最優(yōu)化因素水平組合為A4B4C1D1E1，其具體參數(shù)為:0.22的水膠比(A)、1.25的膠砂比(B)、1.6%的鋼纖維摻量(C)、0.6%的高效減水劑摻量(D)和0.67的硅灰與粉煤灰的質(zhì)量比(E)。

2.1.2 抗壓強(qiáng)度極差分析與因素指標(biāo)分析

低溫養(yǎng)護(hù)活性粉末混凝土抗壓強(qiáng)度平均值及其極差分析結(jié)果見表4。根據(jù)表4可以得到既定試驗(yàn)因素的主次順序?yàn)?水膠比(A)＞硅灰與粉煤灰質(zhì)量比(E)＞減水劑摻量(D)＞膠砂比(B)＞鋼纖維摻量(C)。如圖3所示，根據(jù)各因素水平與抗壓強(qiáng)度關(guān)系可得:抗壓強(qiáng)度隨水膠比的增加而降低，其降幅為18%，這是由于水膠比較大時(shí)，水泥的水化反應(yīng)完全，試塊雖更易搗實(shí)，但試塊凝膠孔因游離水的蒸發(fā)而增多，孔隙率大幅度增加，基體結(jié)構(gòu)密實(shí)度減小，抗壓強(qiáng)度隨之下降；當(dāng)硅灰與粉煤灰質(zhì)量比為1.5時(shí)強(qiáng)度曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，抗壓強(qiáng)度最大值較最小值高11.3%；抗壓強(qiáng)度隨減水劑摻量的增加呈現(xiàn)先增加后降低趨勢(shì)，其峰值較最小值高了9.3%，這是因?yàn)楫?dāng)減水劑摻量增加時(shí)，流動(dòng)度隨之增加，使試塊內(nèi)氣體量減少，試塊密實(shí)度增大，強(qiáng)度隨之增大，若超過(guò)適宜摻量易發(fā)生離析現(xiàn)象。隨膠砂比的增加，強(qiáng)度曲線出現(xiàn)飽和點(diǎn)，其較抗壓強(qiáng)度最小值高了3.7%；當(dāng)膠砂比增大時(shí)，活性粉末混凝土中漿體的含量增加，骨料的相對(duì)含量減少，漿體既能完全包裹骨料又能較好的填充拌合物的空隙，從而形成密實(shí)的基體體系，流動(dòng)性增強(qiáng)，隨著齡期的增長(zhǎng)，試塊的抗壓強(qiáng)度隨之增加，但是如果膠砂比過(guò)大，骨料與漿體之間的粘結(jié)力過(guò)強(qiáng)，漿體相對(duì)體積過(guò)大，試塊的抗壓強(qiáng)度必然降低；由于本試驗(yàn)鋼纖維摻量水平之間差距較小，故鋼纖維摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度影響較小，最高水平抗壓強(qiáng)度較最低水平高出3.2%?？紤]到活性粉末混凝土在實(shí)際工程中的應(yīng)用，期望獲得高強(qiáng)活性粉末混凝土。因此，最優(yōu)化因素水平組合為A1B3C1D3E1，其具體參數(shù)為:0.19的水膠比(A)、1.15的膠砂比(B)、1.6%的鋼纖維摻量(C)、0.9%的減水劑摻量(D)，0.67的硅灰與粉煤灰質(zhì)量比(E)。

表4 不同因素下立方體抗壓試件的抗壓強(qiáng)度平均值及其極差分析結(jié)果表/MPa

圖3 既定因素水平與抗壓強(qiáng)度關(guān)系圖

2.1.3 抗拉強(qiáng)度極差分析與因素指標(biāo)分析

低溫養(yǎng)護(hù)活性粉末混凝土抗拉強(qiáng)度平均值及其極差分析結(jié)果見表5。根據(jù)表5可以判斷各影響因素的主次順序:水膠比(A)＞膠砂比(B)＞鋼纖維摻量(C)＞減水劑摻量(D)＞硅灰與粉煤灰質(zhì)量比(E)。如圖4所示，根據(jù)各因素水平與抗拉強(qiáng)度關(guān)系與極差分析結(jié)果可得:水膠比與膠砂比均為重要影響因素，在既定因素水平內(nèi)，抗拉強(qiáng)度最大值較最小值分別高16.4%和14.9%；其次是鋼纖維摻量，抗拉強(qiáng)度隨鋼纖維摻量的增加而增加，增幅為10.4%，高彈性模量鋼纖維通過(guò)與活性粉末混凝土基體的粘結(jié)力抵抗試件微裂縫的發(fā)展，與聚丙烯纖維混摻共同形成橋接作用和錨固加強(qiáng)作用，兩種纖維作為錨固粘結(jié)材料連接填充活性粉末混凝土內(nèi)不連續(xù)的空隙和裂痕處，不斷錨固加強(qiáng)更多的活性粉末混凝土基體，其得以形成致密的結(jié)構(gòu)體系，因此試件的抗拉強(qiáng)度隨鋼纖維摻量的增加而增加；減水劑摻量、硅灰與粉煤灰質(zhì)量比影響較小，在既定試驗(yàn)因素水平內(nèi)，抗拉強(qiáng)度最大值較最小值分別相差9.4%與5.2%?？紤]到在實(shí)際應(yīng)用中期望得到高抗拉強(qiáng)度活性粉末混凝土。因此，最優(yōu)化因素水平組合A2B1C4D3E1，其具體參數(shù)為0.2的水膠比(A)、0.95的膠砂比(B)、2.2%的鋼纖維摻量(C)、0.9%的減水劑摻量(D)，0.67的硅灰與粉煤灰質(zhì)量比(E)。

圖4 既定因素水平與抗拉強(qiáng)度關(guān)系圖

表5 不同因素下抗拉試件的抗拉強(qiáng)度平均值及其極差分析結(jié)果表/MPa

2.2 方差分析

極差分析法計(jì)算簡(jiǎn)單、直觀形象，但是其無(wú)法區(qū)分試驗(yàn)過(guò)程中試驗(yàn)條件改變與試驗(yàn)誤差導(dǎo)致的數(shù)據(jù)波動(dòng)，不能確定優(yōu)化成果的可信度。因此，利用統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS通過(guò)方差分析法定量估計(jì)既定因素對(duì)各指標(biāo)的主效應(yīng)，置信區(qū)間設(shè)置為95%?；钚苑勰┗炷亮鲃?dòng)度、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度的方差分析結(jié)果見表6。根據(jù)方差分析結(jié)果，既定試驗(yàn)因素對(duì)流動(dòng)度的影響順序?yàn)樗z比(A)＞膠砂比(B)＞減水劑摻量(D)＞鋼纖維摻量(C)＞硅灰與粉煤灰質(zhì)量比(E)，與極差法分析結(jié)果相同，水膠比對(duì)流動(dòng)度具有高度顯著性影響，膠砂比有顯著性影響，鋼纖維摻量、減水劑摻量、硅灰與粉煤灰質(zhì)量比均為具有一定影響；各因素對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響主次順序?yàn)樗z比(A)＞硅灰與粉煤灰質(zhì)量比(E)＞減水劑摻量(D)＞膠砂比(B)＞鋼纖維摻量(C)，等同于極差法分析結(jié)果，水膠比對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響為高度顯著，其次硅灰與粉煤灰質(zhì)量比的影響為顯著，減水劑摻量、鋼纖維摻量與膠砂比均為有影響因素；各因素對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響大小為膠砂比(B)＞水膠比(A)＞鋼纖維摻量(C)＞減水劑摻量(D)＞硅灰與粉煤灰質(zhì)量比(E)，與極差分析結(jié)果大體一致，均為有影響因素。

表6 正交試驗(yàn)各指標(biāo)方差分析結(jié)果表

2.3 最優(yōu)化因素水平組合

結(jié)合上述兩種分析方法，綜合平衡流動(dòng)度、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度3種指標(biāo)與考慮到實(shí)際工程現(xiàn)場(chǎng)澆筑的需求，得到了最優(yōu)化因素水平組合A2B1C4D3E1，即0.2的水膠比(A)、0.95的膠砂比(B)、2.2%的鋼纖維摻量(C)、0.9%的減水劑摻量(D)、1.5的硅灰與粉煤灰質(zhì)量比(E)，水泥∶河沙∶礦渣粉∶硅灰∶粉煤灰∶減水劑∶水為1∶2.08∶0.3∶0.42∶0.28∶0.018∶0.4。

3 結(jié)論

基于極差分析與方差分析，在北方冬期低溫養(yǎng)護(hù)條件下，通過(guò)對(duì)活性粉末混凝土開展正交試驗(yàn)，可得以下結(jié)論:

(1)既定試驗(yàn)因素對(duì)活性粉末混凝土流動(dòng)度的影響程度大小依次為水膠比(A)＞膠砂比(B)＞減水劑摻量(D)＞鋼纖維摻量(C)＞硅灰與粉煤灰質(zhì)量比(E)；對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響程度大小依次為水膠比(A)＞硅灰與粉煤灰質(zhì)量比(E)＞減水劑摻量(D)＞膠砂比(B)＞鋼纖維摻量(C)；對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響大小依次為水膠比(A)＞膠砂比(B)＞鋼纖維摻量(C)＞減水劑摻量(D)＞硅灰與粉煤灰質(zhì)量比(E)。

(2)對(duì)流動(dòng)度的最優(yōu)因素水平組合為A4B4C1D1E1，對(duì)抗壓強(qiáng)度的最優(yōu)因素水平組合為A1B3C1D3E1，對(duì)抗拉強(qiáng)度的最優(yōu)因素水平組合為A2B1C4D3E1，綜合考慮極差、方差分析結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)施工需要澆筑流動(dòng)度較大的活性粉末混凝土等實(shí)際情況后，得到的最優(yōu)化因素水平組合為A2B1C4D3E1，水泥∶河沙∶礦渣粉∶硅灰∶粉煤灰∶減水劑∶水為1∶2.08∶0.3∶0.42∶0.28∶0.018∶0.4。

(3)在北方冬季-10～10℃低溫養(yǎng)護(hù)條件下仍能得到高抗壓強(qiáng)度、高抗拉強(qiáng)度且流動(dòng)性良好的活性粉末混凝土，為今后北方地區(qū)實(shí)際工程冬期低溫現(xiàn)場(chǎng)施工提供了一定參考。