影响混凝土收缩性能因素的正交实验优化设计.pdf
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1、2 0 1 4 年 1 0 月第 l O 期 城 市道桥 与防洪 科技研究1 7 3 影响混凝土收缩性能因素的正交实验优化设计 黄 小涛 ( 甘肃工业职业技术学院 , 甘肃天水 7 4 0 2 5 ) 摘 要: 为研究混凝土收缩性能, 以单因素水平筛选实验为参考, 建立L ( 3 4 ) I交正交实验模型, 运用 s P s s 1 8 0 软件对其结果进行差 异显著性分析。结果表明, 影响混凝土收缩性能的因素主次关系为: 水泥用量 水灰比龄期 含气量 粉煤灰掺量 矿渣粉掺量。 混凝土收缩最佳条件为: 水泥用量为4 0 0 k g m 3 、 水灰 比为 0 4 5 、 龄期为 4 5 d 、
2、 含气量为 6 、 粉煤灰掺量为 5 、 矿渣粉掺量为 3 0 , 在 此条件下 。 混凝土的收缩量为 2 8 1 1 0 r 6 。通过实验 , 为混凝土性能的提升和改进提供一定的参考依据。 关键词: 正交实验 ; 混凝土; 收缩性能; 条件 中图分 类号 : T U 5 0 2 文献标识码 : A 文章编号 :1 o 0 9 7 7 1 6 ( 2 0 1 4 ) 1 0 0 1 7 3 0 5 0 前言 混凝 土做为 当今土木工程 中用量最 大的建筑 材料 ,其各 种性 能也 随着相应 的科学研究得 到了 极大的提高 ,各种外加剂 和矿物掺合料 的广泛应 用, 使得混凝土的性能得到了很大
3、提升fl1。但是, 不 论是普通混凝土, 还是高性能混凝土, 开裂问题始 终 困扰着工程界 , 成为亟需解决的一大难题 。混凝 土裂缝的形 成原因 , 主要有收缩 、 冻胀 、 化学侵蚀 、 钢筋锈蚀 、 碱骨料反应及荷载作用等 。随着混凝土 技术的不断提高, 对于由冻胀、 化学侵蚀 、 钢筋锈 蚀 、碱骨料反应及荷载作 用等裂缝 的防治技术 日 渐成熟 ,但对于 由收缩引起 的混凝土裂 缝的防治 仍需要进一步 的深入研究。大量研究表明 , 8 o q 荷载裂缝是 由收缩造成的 ,可见收缩是混凝土开 裂 的最主要 因素【 。 混凝土 收缩主要包括化学收缩 、 塑性收缩 、 自 收缩 、 干燥收
4、缩和温度收缩等 。化学收缩又称水化 收缩 ,是 由水泥水化和凝结硬化而产生 的 自身体 积缩减 引起 的。塑性收缩发生在硬化前 的塑性 阶 段 , 当混凝土中的水分蒸发速度超过泌水速度时, 就会引起塑性收缩【 。自收缩主要是 由于随着水化 的进 行 , 毛细孔 中的水逐渐减 少 , 形成 弯月面 , 引 起 毛细压力 , 导致收 缩 。干燥 收缩指 的是混凝土 停止养护后 , 在不饱和的空气中失去内部毛细孔 水 、 凝胶孔水及吸附水而发生的长度或体积的减 少 】 。温度收缩 主要是指混凝土 内部温度 由于水 泥水化反应而升高 ,最后又冷却到环境温度时产 生的收缩。 收稿 日期 : 2 0 1
5、4 一 o 6 一 o 9 基金项目: 2 0 1 3 年甘肃省科技计划资助项 目( 1 3 0 8 Z E 3 0 5 ) 作者 简介 : 黄小涛 ( 1 9 7 6 一) , 男 , 甘肃 天水人 , 副教授 , 从 事建 筑设 计及建 筑材料 等教 学与研 究工作 。 本研究为考察探究混凝土收缩最佳条件 , 以混 凝土的收缩量为考察指标 ,首先选择龄期 、水灰 比、 水泥用量 、 含气量 、 粉煤 灰掺量 和矿渣粉掺量 等 6个影 响因素进行单 因素轮换实验 ;在单 因素 筛选实验 的基础上 , 选 出 4个主要 的影响 因素 , 进 行正交实验设计 ,用以研究混凝土的最佳收缩条 件。以
6、期为工程工作者提供一定的数据参考。 1 方 法 采用 1 0 0 m m1 0 0 m m5 1 5 m m 的棱柱体 试 件模型, 试件预埋检测头。混凝土试件成型后带模 养护 1 d , 拆模 后送标 准养护室养 护 , 至 3 d龄 期 时从标准养护室取 出测量。测量室为恒温恒湿室 , 温度为 2 02 、 湿度为 6 05 , 测定混凝土试件 的初始长度, 此后按 7 d的时间间隔测量试件变形 读数, 计算混凝土试件的收缩率, 混凝土试件收缩 率 的计算公式为 : 8 = 。 一 Z b ( 1 ) 式 中: 。 混凝土收缩率 ; 一 试件长度 的初始读数 ; 广一试件在 t 时测得的长
7、度读数 ; 厶 _ 一试件的测量标距 。 1 1 混凝土龄期对收缩性能的影响 为考察混凝 土的龄期对混凝土收缩性能 的影 响, 以及为实验的进行选择最佳的龄期 , 先将考察 的影响混凝土收缩性能的5个因素固定, 分别是: 水灰 比 0 4 0 、 水泥用量 4 0 0 k g m 、 含气量 7 5 、 粉 煤灰掺量 2 0 、 矿渣粉掺量 1 5 。以收缩率为测定 指标 , 考察龄期对混凝土收缩性能 的影响 , 以及为 后面的实验确定龄期。 1 2 单 因素实验 选取水灰比、 水泥用量、 含气量、 粉煤灰掺量、 矿渣粉掺量等 5 个单因素进行测定, 以确定其对混 学兔兔 w w w .x u
8、 e t u t u .c o m 1 7 4 科技研究 城 市道桥与 防洪 2 0 1 4 年 l 0 月第 1 0 期 凝土收缩性能的影响。 首先水泥用量为 4 0 0 k g m 。 、 含气量 为 7 5 、 粉煤灰 掺量为 2 0 、 矿 渣粉 掺量 为 1 5 , 考察水灰 比为 0 3 0 、 0 3 5 、 0 4 0 、 0 4 5 、 0 5 0 、 0 5 5时对混凝土收缩性能的影响。然后将最佳的 水灰 比固定 ,依 次选取考察水泥用量为 3 2 0 、 3 6 0 、 4 0 0 、 4 4 0 、 4 8 0 k g m 3 ,含 气 量 为 2 5 、 5 0 、
9、7 5 、 1 0 0 、 1 2 5 , 粉煤灰掺量为 0 、 1 0 、 2 0 、 3 0 、 4 0 , 矿渣粉掺 量为 0 、 1 5 、 1 5 、 3 0 、 4 5 时对 混凝 土收缩 性能 的影 响。将每次优选后的最佳条件 固定 , 再逐次筛选其 余最佳条件, 直至结束 。 1 3 正 交 实 验 单因素实验只是考察单一变量对混凝土收缩 性能 的影 响 , 实验数 据分布不 均匀 , 代表性 不强 , 并且实验的次数较多, 工作量大, 不经济 ; 如果使 用正交实验设计 , 可以减少的实验次数 , 综合考虑 多个 多个 因素 ,达 到较全面地反映各 因素水平 的 效果。因此本
10、研究根据混凝土龄期对收缩性能影 响的考察结果和单因素实验分析结果 ,优选 4 个 因 素 , 按 照 L ( 3 4 ) 正交 表 进 行 正交 实 验 , 用 S P S S 1 8 0软件对其结果进行统计学比较分析 ,得出影 响混凝土收缩性能 的最佳收缩条件【 l 1 。 2 结果与分析 2 1 混凝土龄期对收缩性能影响的考察结果 为 考 察 混凝 土 龄期 对 收缩 性 能 的影 响 , 固 定 其 它 因素 的值 ,水灰 比为 0 4 0 、水 泥用 量 为 4 2 0 k g m 、 含气量为 7 5 、 粉煤灰掺量为 5 、 矿 渣粉掺量为 1 5 , 实验考察结果见图 1 , 其
11、中实线 表示测定值的趋势线, 虚线表示模拟值得趋势线。 3 5 0 3 0 0 2 5 0 曼2 0 0 褂 好1 5 0 1 O 0 5 0 0 图 1 混凝土龄期对收缩性能的影响 根据实验结果 , 结合图 1 可知, 混凝土的收缩 率随着龄期的增大总体上呈现增大趋势 ,但是当 龄期大于 4 5 d 后, 收缩率虽然增大, 但增大的幅度 比较小,这中增大在我们的实验研究中是没有实 际意义的, 但在实际的施工之中存在很大的意义 , 因此基于实验的需求 , 在实验研究过程 中 , 将龄期 确定为 4 5 d , 以便于实验研究 , 以及在后续 的实验 中对龄期和其他因素的综合考察。 2 2 单因
12、素实验结果 2 2 1 水灰 比对混凝土收缩性能的影响 根 据混 凝 土龄期 对 收 缩性 能 影 响 的考察 结 果, 在考察水灰比对混凝土收缩性能的影响时, 将 混凝土的龄期确定为 4 5 d , 考察结果见图 2 , 其 中 实线表示测定值的趋势线 ,虚线表示模拟值得趋 势线 。 水灰比 图 2 水灰 比对 混凝土收缩 性能的影响 从 图 2可 以看 出 ,对 于 不 同水 灰 比的混 凝 土, 收缩率随着水灰 比的增大而增大, 当水灰 比 小于 0 4 5 时, 混凝土的收缩率随着水灰 比的增大 而呈现单向的增大 ; 当水灰比大于 O 4 5时 , 混凝 土的收缩率随着水灰 比的增大而
13、有所下降, 但收 缩率要 比低水灰 比时 的收缩率大 。水灰 比是影响 混凝 土 收缩 的重要 因素 之一 ,高 水 灰 比的混 凝 土 , 收缩方 式 主要是 干燥 收缩 和化 学收 缩 ; 低 水 灰比的混凝土 , 主要的收缩方式是 自收缩 、 干燥 收缩和化学收缩。若 当水泥用量固定时, 化学收 缩 的程度 则相对 比较 固定 , 而 干燥 收缩会 随着水 灰 比的增 大而 增大 ; 在龄 期 固定 时 , 混 凝土 的 自 收缩同样比较固定 , 但仍然是进行的。根据拟合 曲线和实测值 , 最终确定 , 龄期为 4 5 d 时水灰比 以 0 4 5为最佳 , 在此条件下 的混凝 土的收缩
14、性 能 达到最佳 。 2 2 2 水泥用量对混凝 土收缩性能的影响 根据混凝土龄期对收缩性能影响的考察结果 和水 灰 比对混凝 土收缩 性能 的影 响的考察结果 , 在考 察水泥 用量对混凝 土收缩性能 的影响 时 , 将 混凝土 的龄期确定为 4 5 d , 水灰 比为 0 4 5 , 考察结 果见图 3 , 其中实线表示测定值的趋势线, 虚线表 示模拟值得趋势线。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4 年 l 0 月第 l 0 期 城 市道桥与 防洪 科技研究 1 7 5 3 2 0 3 0 0 2 8 0 2 6 o b 2 4 0 婪 2 2
15、0 2 0 0 1 8 0 l 6 0 l 柏 2 8 0 3 2 0 3 6 0 4 0 O 41 0 48 0 5 2 0 水泥用量 图 3 水泥用量对 混凝土 收缩性能 的影响 根据图 3的实测值和拟合 曲线不难看出, 混 凝 土 的收缩 率 总体 上 随着水 泥用 量 的增 大 而增 大 。当水泥用量小 于 4 0 0 k g m 时 , 混凝土 的收缩 率 随水泥用量 的增大而急剧增大 ,但 当水泥用量 大于 4 0 0 k 咖 时 , 混凝 土 的收缩率随水泥用量 的 增大同样是呈现增大趋势, 但增大幅度很小。混凝 土的水泥用量是影响其收缩的又一重要因素 , 水 泥用量的增大 ,混
16、凝土的其水化引起的化学收缩 会增大 ,同时由于毛细孔失水而引起 的 自收缩 和 温度收缩也会增大 。在实验 中, 当混凝土的水泥用 量大于 4 0 0 k 咖 时, 收缩量同样在增大, 增大幅 度 比较小 , 此外考虑到经济性 的因素 , 认 为水泥用 量 为 4 0 0 k g , m 是龄期为 4 5 d时的最佳水泥用量 。 2 - 2 3 含气量对混凝 土收缩性能 的影响 根据混凝土龄期对 收缩性能影响的考察结 果 , 在考察含气量对混凝土 收缩性能 的影 响时 , 将 混凝土的龄期确定为 4 5 d ;此外根据前面的水灰 比和水泥用 量的考察 实验 , 将水灰 比定为 0 4 5 ,
17、水 泥用量 为 4 0 0 k 咖 。关于含气量 的考察结果见 图 4 , 其 中实线表示 测定值 的趋势线 , 虚线表示 模拟 值得趋势线。 3 0 0 2 帅 2 6 0 2 4 O 2 懈2 2 0 姆 2 0 0 l 8 0 J 6 O 1 加 00 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 60 7 0 80 90 1 00 1 1 0 1 2 0 1 3 0 含气量 图 4 含气量对混凝土收缩性能的影响 从 实验 结果 和对实验 数据 的拟合 可 以看 出 , 混凝土的收缩率随着含气量的增大呈现先增大后 见效的趋势 。当混凝 土的含气量在 6 0 以下时 , 随着混凝土含气量的增大,
18、混凝土的收缩率迅速 增大 ; 但 当混凝 土含气量继续增大时 , 混凝土的收 缩率 出现下降的趋势。这表明混凝 土的水泥用量 是影响其收缩的又一重要因素, 水泥用量的增大, 混凝土的其水化引起的化学收缩会增大,同时由 于毛细孔失水而引起 的 自收缩和温度收缩也会增 大。根据实验结果可知 , 混凝 土的含气量宜控制在 小 于 7 0 , 含气量 为 6 0 是龄期 为 4 5 d 、 将水灰 比定 为 0 4 5 、 水 泥用量 为 4 0 0 k 咖 时 的最佳含气 量 。 2 2 4 粉煤灰掺量对混凝土收缩性能的影响 根 据 混凝 土 龄期 对 收 缩性 能 影 响 的考察 结 果, 在考察
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