何江紅，薛翠真，劉玉果，羅丹

（1.中國建筑股份有限公司，北京 100020；2.蘭州理工大學 土木工程學院，甘肅 蘭州 730050）

0 引言

污水處理廠池體混凝土長度及寬度較大，屬于大體積混凝土。大體積混凝土經常出現(xiàn)溫度收縮及干燥收縮開裂問題，導致池體環(huán)境中Cl-、SO42-等侵蝕性介質更易通過裂縫進入池體內部，進而加劇了池體混凝土結構的破壞，產生更多裂縫，形成惡性循環(huán)，是導致混凝土耐久性變差的重要因素，縮短了池體混凝土的服役壽命[1-2]。為緩解池體混凝土的溫度收縮和干燥收縮、降低結構的開裂，經濟有效的方法是在混凝土內部摻入一定量的膨脹劑。氧化鈣類膨脹劑、硫鋁酸鈣類膨脹劑和氧化鈣-硫鋁酸鈣類膨脹劑是常用的膨脹劑，以AFm或Ca（OH）2為膨脹源，但實際工程應用中存在膨脹不穩(wěn)定、需水量大、水化速度快等缺點[3]。MgO膨脹劑與其他膨脹劑相比水化需水量較少、膨脹源較為穩(wěn)定、可調控其膨脹過程，綜合性能較優(yōu)，工程效益顯著，越來越多地應用于實際工程中[4-5]。研究表明，MgO膨脹劑可補償混凝土的體積收縮，但膨脹劑摻量過多時，會降低混凝土強度，影響混凝土的安全性[6]。曹豐澤等[7]研究了MgO膨脹劑對混凝土強度、體積變形和溫度收縮的影響，結果表明，摻MgO膨脹劑的C35混凝土強度符合要求，且可補償混凝土結構的溫度收縮，降低混凝土收縮裂縫。相關研究表明[8-9]，合適摻量和種類的礦物摻合料可較快地發(fā)揮混凝土的膨脹效能，并提高試件膨脹的穩(wěn)定性。但是，MgO膨脹劑在不同養(yǎng)護條件下如干燥狀態(tài)、環(huán)境因素變化等環(huán)境作用下綜合性能的演化規(guī)律及其機理需進一步開展研究。灰關聯(lián)分析作為一種解決不確定、多輸入和離散數據問題的有效方法，在土木材料領域已有較多應用[10]，而熵權法作為一種客觀權重分配方法，也可對材料的性能做出評價[11]，但將灰關聯(lián)分析與熵權法結合對材料進行研究卻并不多見。

鑒于此，針對超長池體混凝土出現(xiàn)的溫升及收縮開裂問題，首先開展西北寒旱區(qū)環(huán)境作用下鎂質高性能膨脹劑摻量、鎂質高性能膨脹劑與粉煤灰及礦粉的配伍性、養(yǎng)護方式等因素對超長池體混凝土強度的影響研究，借助灰熵理論分析影響超長池體混凝土強度的顯著因素；采用微觀測試方法揭示抗裂劑對超長池體混凝土的強度影響機理。研究結論為下一步超長池體大體積混凝土設計及應用提供一定的理論與數據基礎，為同類工程大體積混凝土的裂縫病害防治提供參考。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：P·O42.5水泥，符合GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》的要求，比表面積349 m2/kg，主要技術性能見表1：粉煤灰：Ⅱ級，符合GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》的要求，主要技術性能見表2；礦粉：S95級，符合GB/T 18046—2017《用于水泥、砂漿和混凝土中的?；郀t礦渣粉》的要求，主要技術性能見表3；膨脹劑：鎂質高性能抗裂劑，符合GB/T 23439—2017《混凝土膨脹劑》的要求，MgO含量88.6%，燒失量2.9%，比表面積206m2/kg，主要技術性能見表4；砂：河砂，細度模數2.46；水：自來水。

表1 水泥的主要技術性能

表2 粉煤灰的主要技術性能

表3 礦粉的主要技術性能

表4 鎂質高性能抗裂劑的主要技術性能

水泥、粉煤灰、礦粉及鎂質高性能抗裂劑的微觀形貌如圖1所示。

圖1 水泥、粉煤灰、礦粉及鎂質高性能抗裂劑的微觀形貌

由圖1可知，水泥的顆粒級配不連續(xù)，顆粒形貌較為粗糙，主要以不規(guī)則的顆粒為主，棱角分明，表面附著少量較細的顆粒。與水泥相比，粉煤灰具有較好的顆粒形貌，顆粒以圓球狀為主，理論上具有較好的顆粒填充效應。礦粉與抗裂劑的顆粒形貌基本相似，顆粒棱角性較強，但具有較好的顆粒級配，粗細顆粒均勻分布。級配較好的粉體顆?？梢院退囝w粒互相填充形成更優(yōu)的級配。良好的顆粒形貌與級配可填充膠凝材料體系孔隙，進一步提高膠凝材料體系的密實度，提高混凝土的抗?jié)B及收縮性能。

1.2 試驗方案

研究涉及的鎂質高性能抗裂劑、粉煤灰、礦粉摻量、養(yǎng)護齡期以及養(yǎng)護環(huán)境等主要影響混凝土中膠凝材料性能的發(fā)揮，水泥砂漿試驗結果在一定程度上可指導混凝土的配合比設計，且可降低試驗誤差。鑒于此，以砂漿為研究對象開展后續(xù)研究。水泥膠砂強度參照GB17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》進行測試，基準砂漿配合比為：水泥用量450 g，砂用量1350 g，水225 g。鎂質高性能抗裂劑外摻，粉煤灰和礦粉等質量取代水泥。同時，設計了標準養(yǎng)護[溫度（20±2）℃，相對濕度大于95%，1 d脫模后養(yǎng)護至規(guī)定齡]、覆膜養(yǎng)護（1 d脫模后將試塊用保鮮膜覆蓋后，置于西北蘭州地區(qū)7月份實際氣候環(huán)境下養(yǎng)護7 d；然后拆掉保鮮膜養(yǎng)護至規(guī)定齡期）和自然養(yǎng)護（1 d脫模后置于西北蘭州地區(qū)7月份實際氣候環(huán)境下養(yǎng)護至規(guī)定齡期，日均最高溫度31℃，日均最低氣溫19℃；平均相對濕度約為50%）3種方式，研究不同養(yǎng)護方式對砂漿強度的影響規(guī)律。砂漿強度試驗方案見表5。

表5 砂漿強度試驗方案

2 強度試驗結果分析

粉體材料摻量對砂漿28 d抗壓強度的影響如表6所示，標準養(yǎng)護不同齡期對砂漿抗壓強度的影響如表7所示。

表6 粉體材料摻量對砂漿28 d抗壓強度的影響

表7 養(yǎng)護齡期對砂漿抗壓強度的影響

由表6、表7可知，各方案試件的抗壓強度均隨著養(yǎng)護齡期的延長而逐漸提高，前期提高速度較快，后期提高速度較慢。以K-2試件為例，當養(yǎng)護齡期從7 d延長到28 d時，試件抗壓強度提高了114.3%；當養(yǎng)護齡期從28 d延長到90 d時，試件的抗壓強度提高了21.4%。K-2、D-2及S-2試件早期抗壓強度均低于基準試件，這是由于粉煤灰、礦粉等粉體材料早期活性較小，生成的水化產物較少，宏觀上表現(xiàn)為試件早期抗壓強度的降低。合適摻量的鎂質高性能抗裂劑可提高砂漿試件的抗壓強度，但隨著鎂質高性能抗裂劑摻量的增加，砂漿的抗壓強度逐漸降低。當摻量≤6%時，摻鎂質高性能抗裂劑試件抗壓強度與基準試件抗壓強度相差不大，甚至有所提高；當摻量為8%時，與基準試件相比，摻鎂質高性能抗裂劑試件抗壓強度降低了7.7%。D-1及S-1試件的28 d抗壓強度與基準試件抗壓強度相差不大，甚至有所提高，隨著鎂質高性能抗裂劑的摻入，試件的28 d抗壓強度有所降低，但降幅不大，以雙摻粉煤灰-礦粉為例，與S-1相比，S-2試件的28 d抗壓強度降低了4.4%。

綜上，鎂質高性能抗裂劑的摻入不同程度地降低了試件的早期強度，對試件后期強度影響不大，甚至有所提高。這可能是由于鎂質高性能抗裂劑早期活性較小，但是其具有一定的吸水性，摻入后降低了水泥、粉煤灰、礦粉等水化所需水分，進而降低了膠凝材料的水化程度，導致體系內部水化產物數量減少，內部結構不夠密實，宏觀上表現(xiàn)為砂漿早期強度降低；水化后期鎂質高性能抗裂劑可產生一定數量的Mg（OH）2，提高體系內部密實度，進而提高試件后期強度。

表8為養(yǎng)護條件對砂漿試件28 d抗壓強度的影響。

表8 養(yǎng)護條件對砂漿試件28 d抗壓強度的影響

由表8可知，養(yǎng)護條件對砂漿試件抗壓強度有一定的影響。與標準養(yǎng)護相比，覆膜養(yǎng)護對試件抗壓強度的影響不大；而自然養(yǎng)護狀態(tài)下試件的抗壓強度降低幅度較大。以S-2為例，與標準養(yǎng)護相比，覆膜養(yǎng)護與自然養(yǎng)護狀態(tài)下，試件抗壓強度分別降低了2.9%、10.0%。這是由于覆膜養(yǎng)護可以減少試件內部水分的散失，進而對試件強度影響不大；而自然養(yǎng)護狀態(tài)下，西北地區(qū)自然環(huán)境中濕度較小，水分蒸發(fā)較快，導致參與膠凝材料水化的水分不足，進而降低了試件的強度。綜上，實際工程中，超長池體澆筑完成后，應立即進行覆膜養(yǎng)護以保證其強度的發(fā)展。

3 不同因素與砂漿強度灰關聯(lián)分析

灰熵理論可有效區(qū)分系統(tǒng)中的主要因素和次要因素，灰關聯(lián)度和灰熵值可在一定程度上表征子序列對母序列的影響程度，灰熵關聯(lián)度與灰熵值越大，影響越顯著，灰關聯(lián)度與灰熵計算方法具體計算步驟見文獻[12]。以標準養(yǎng)護條件下28d抗壓強度為母序列，以粉煤灰、礦粉、鎂質高性能抗裂劑摻量為子序列進行灰熵分析，分析結果可為超長池體混凝土的配合比設計提供一定的理論指導，表9為砂漿28 d抗壓強度與粉體材料灰關聯(lián)度與灰熵值分析結果。

表9 砂漿28 d抗壓強度與粉體材料灰關聯(lián)度與灰熵值

由表9可知，粉體材料種類對砂漿28 d抗壓強度存在顯著影響?；谊P聯(lián)度分析結果表明各因素對砂漿強度影響的顯著性次序為：粉煤灰＞鎂質高性能抗裂劑＞礦粉；而基于灰熵分析結果，各因素顯著性影響次序為：鎂質高性能抗裂劑＞粉煤灰＞礦粉?；异厥窃诨谊P聯(lián)分析的基礎上提出的，其克服了灰關聯(lián)分析方法中存在的局部點關聯(lián)傾向和造成信息損失的不足，可更加有效地區(qū)分系統(tǒng)中的主要因素和次要因素，分析結果更為可信。因此，基于灰熵分析結果可知，鎂質高性能抗裂劑對砂漿抗壓強度的影響最為顯著，且與試件抗壓強度呈負相關，即隨著其摻量的增加試件28 d抗壓強度逐漸降低。因此，后續(xù)在對超長池體混凝土配合比設計過程中，應綜合考慮試件抗裂性能和抗壓強度，選擇合適的鎂質高性能抗裂劑摻量，以防試件抗壓強度降幅過大。

4 微觀形貌

圖2為不同砂漿試件28d齡期內部微觀形貌。

圖2 不同砂漿試件的微觀形貌

由圖2可知，各砂漿試件內部微觀形貌具有一定的相似性，即各砂漿試件內部均有一定數量的水化產物生成，且內部含有一定數量的微裂紋；但是各試件的水化產物數量及裂縫寬度與長度有所不同，宏觀上表現(xiàn)為試件抗壓強度的不同。由圖2（a）可知，基準試件內部水化產物顆粒較小，水化產物主要為針棒狀AFt、片狀Ca（OH）2和部分絮狀C-S-H凝膠。由圖2（b）、（c）可知，試件內部含有一定數量的水化產物，內部結構較為致密，片狀Ca（OH）2數量有所減少，這是由于粉煤灰、礦粉二次水化反應可消耗一定數量的Ca（OH）2，宏觀上表現(xiàn)為單摻粉煤灰試件和雙摻粉煤灰-礦粉試件強度與基準試件相當，或有小幅度提升。由圖2（d）可知，摻鎂質高性能抗裂劑試件28 d內部微觀結構不夠致密，內部含有一定數量的孔洞和裂縫，水化產物數量與種類和基準試件相差不大，宏觀上表現(xiàn)為試件抗壓強度有所降低。

5 結論

（1）隨養(yǎng)護齡期的延長，摻鎂質高性能抗裂劑試件抗壓強度逐漸提高，前期提高幅度較大，后期提高幅度較小。

（2）合適摻量的鎂質高性能抗裂劑對試件抗壓強度的影響不大，甚至有所提高；若摻量過多，則試件抗壓強度有所降低。

（3）養(yǎng)護條件對摻鎂質高性能抗裂劑試件抗壓強度存在一定的影響。覆膜養(yǎng)護與標準養(yǎng)護試件抗壓強度相差不大；自然養(yǎng)護條件下，試件抗壓強度有所降低。

（4）鎂質高性能抗裂劑、粉煤灰、礦粉等主要通過影響試件內部水化產物數量、裂縫寬度與長度，進而影響試件的宏觀抗壓強度。