CN107942041A - 一种抗分解性侵蚀水工混凝土配合比设计方法 - Google Patents

一种抗分解性侵蚀水工混凝土配合比设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种抗分解性侵蚀水工混凝土配合比设计方法，先采用正交试验的方法确定出对于混凝土抗分解性侵蚀的显著性影响因素，并结合混凝土等级及耐久性等设计要求对各因素进行分析选择；再进行混凝土强度曲线试验，结合强度曲线试验结果、混凝土等级和耐久性等设计要求以及混凝土抗分解性侵蚀试验结果，采用绝对体积法计算基准混凝土的配合比参数。本发明在保证混凝土基本性能参数的基础上，通过分解性侵蚀试验考察各因素对于混凝土抗分解性侵蚀能力的影响，在配合比设计引入提高混凝土抗分解性侵蚀能力的步骤，以解决在存在分解性侵蚀环境中，提高混凝土的抗分解性侵蚀能力，增强混凝土耐久性，延长建筑物的使用寿命。

Description

一种抗分解性侵蚀水工混凝土配合比设计方法
技术领域
本发明属于混凝土配合比设计技术领域，具体涉及一种抗分解性侵蚀水工混凝土配合比设计方法。
背景技术
混凝土溶蚀破坏是水工混凝土耐久性方面较为普遍的问题，国内大多数水工建筑物的渗漏处可看到类似钟乳石的白色溶出沉积物。拉西瓦水电站在刚刚建完后不久，便出现大量白色溶出沉积物。我国的盐锅峡、八盘峡、丰满、新安江、陈村、云峰、罗安等大坝都不同程度的存在溶蚀病害。
根据《水力发电工程地质勘察规范》GB 50287-2006中环境水对混凝土腐蚀评价的规定，其中分解类腐蚀包括溶出型、一般酸性型、碳酸型三种，而这三种侵蚀类型的水质在水工建筑物施工环境中较常见。在这三种类型的侵蚀环境中，对于碳酸型侵蚀环境的研究相对较少，但这种环境下的侵蚀作用有更为明显。水泥水化产物Ca(OH)2与渗透到其内部孔溶液中的游离二氧化碳反应，生成碳酸钙，然后进一步生成碳酸氢钙。所生成的碳酸氢钙被水带走不断溶失，进而引起水化硅酸钙和水化铝酸钙的分解，使水泥基材料的pH值降低，质量损失、孔隙率增加，改变材料的组成、结构，使得材料的耐久性明显降低。
目前，对于分解类腐蚀环境中混凝土配合比设计，国内的规程规范中仅在水泥的种类、掺合料种类、水胶比和抗渗等级等方面提出了要求。根据《水工混凝土耐久性技术规范》DL/T 5241-2010要求：
a. 对于弱侵蚀环境：1）在配制混凝土时宜采用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，并采取下列措施之一：①掺磨细矿渣粉，②掺粉煤灰，③掺硅灰。或采用抗硫酸盐水泥（C3A小于5%）；2）最大水胶比为0.50；3）抗渗等级为W8及W8以上。
b. 对于中等侵蚀环境：1）在配置混凝土时宜采用中抗硫酸盐水泥，或熟料中C3A含量小于8%的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，并采取下列措施之一：①掺磨细矿渣粉，②掺粉煤灰，③掺硅灰。或采用高抗硫酸盐水泥。2）最大水胶比为0.45；3）抗渗等级为W10及W10以上。
规范中仅规定了水泥品种、掺合料品种、最大水胶比以及抗渗等级，对于配合比中各因素对于混凝土抗分解性溶蚀能力的影响没有明确的分析。
发明内容
本发明的目的在于明确混凝土配合比各因素对混凝土抗分解性侵蚀能力的影响，提供一种抗分解性侵蚀混凝土配合比的设计方法。
本发明提供的技术方案如下：
一种抗分解性侵蚀水工混凝土配合比设计方法，包括以下步骤：
步骤1）将水泥品种、减水剂种类、引气剂类型、掺合料掺量、水胶比这五种因素作为正交试验的考察对象，进行正交试验；
步骤2）根据正交试验中的正交表设计，按各配比成型混凝土，坍落度控制在50~90，拌合后采用湿筛法将混凝土中5mm以上骨料筛除，然后成型同形状同体积的砂浆试件，硬化后置于20℃静水养护；
步骤3）将养护相同时间后的各配比砂浆试件分别置于恒速通入CO2的水中进行侵蚀试验，侵蚀持续80-100d后，计算各组试件在侵蚀龄期过程中的CaO累计溶出比例，并通过CaO累计溶出比例进行正交试验因素分析，确定试验的主要影响因素，并在配合比各因素中进行优选；
步骤4）根据正交试验分析结果，选取试验用水泥、减水剂、引气剂种类，及掺合料掺量以及水胶比范围，按照成型混凝土强度曲线，进行抗压强度试验，得到初选配合比；
步骤5）按初选配合比成型混凝土，测试其力学与耐久性能，并根据设计要求的力学和耐久性能对初选配合比进行调整，形成最终的混凝土配合比。
五种因素均为3-5水平。
掺合料掺量占混凝土的质量百分数为0-30%，水胶质量比为0.3-0.6；
侵蚀试验过程中，每隔固定侵蚀龄期对侵蚀水进行采样，并更换水，在试验过程中，每次更换水的量恒定，通过化学滴定的方式对侵蚀水中CaO的含量进行测定。
所述砂浆试件的尺寸为40mm×40mm×50mm。
所述成型混凝土强度曲线按照《水工混凝土配合比设计规程》DL/T 5330-2015规定，所述耐久性能满足《水工混凝土耐久性技术规范》DL/T 5241-2010中对于侵蚀环境中混凝土配合比设计要求。
本发明的有益效果是：采用正交试验的方法，利用浸析法直接分析不同因素条件下混凝土抗分解性侵蚀的能力，明确了配合比各因素对于分解性侵蚀混凝土的影响，为混凝土配合比设计提供了更为准确的参考依据，配制出性能更为优异的抗分解性侵蚀混凝土配合比。
下面将结合附图做进一步详细说明。
附图说明
图1是实例2分解性侵蚀正交设计试验结果直观分析趋势图。
具体实施方式
实施例1：
本实施例提供了一种抗分解性侵蚀水工混凝土配合比设计方法，包括以下步骤：
步骤1）将水泥品种、减水剂种类、引气剂类型、掺合料掺量、水胶比这五种因素作为正交试验的考察对象，进行正交试验；
步骤2）根据正交试验中的正交表设计，按各配比成型混凝土，坍落度控制在50~90，拌合后采用湿筛法将混凝土中5mm以上骨料筛除，然后成型同形状同体积的砂浆试件，硬化后置于20℃静水养护；
步骤3）将养护相同时间后的各配比砂浆试件分别置于恒速通入CO2的水中进行侵蚀试验，侵蚀持续80-100d后，计算各组试件在侵蚀龄期过程中的CaO累计溶出比例，并通过CaO累计溶出比例进行正交试验因素分析，确定试验的主要影响因素，并在配合比各因素中进行优选；
步骤4）根据正交试验分析结果，选取试验用水泥、减水剂、引气剂种类，及掺合料掺量以及水胶比范围，按照成型混凝土强度曲线，进行抗压强度试验，得到初选配合比；
步骤5）按初选配合比成型混凝土，测试其力学与耐久性能，并根据设计要求的力学和耐久性能对初选配合比进行调整，形成最终混凝土配合比。
本发明采用正交试验的方法，利用浸析法直接分析不同因素条件下混凝土抗分解性侵蚀的能力，明确了配合比各因素对于分解性侵蚀混凝土的影响，为混凝土配合比设计提供了更为准确的参考依据，配制出性能更为优异的抗分解性侵蚀混凝土配合比。
实施例2：
在实施例1的基础上，本实施例以设计等级C30的抗分解性侵蚀混凝土为例，依次按照以下步骤进行混凝土配合比设计：
步骤1）研究某工程采用的四种水泥品种（分别是复合硅酸盐水泥、硅酸盐水泥、中热硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥）、四个粉煤灰掺量（0%、10%、20%、30%）、三种减水剂（聚羧酸高性能减水剂、萘系高效减水剂、脂肪族类高效减水剂）、三类引气剂（松香类引气剂、十二烷基苯磺酸盐类引气剂、聚氧乙烯醚硫酸钠类引气剂）以及四种水胶比（0.30、0.40、0.50、0.60）对于抗分解性溶蚀混凝土的影响，设计正交表如表1所示。
表1 实例2正交表设计
步骤2）根据正交表设计表1，按不同参数成型混凝土，按照《水工混凝土施工规范》DL/T5144-2015中4.09中规定，坍落度按照50~90控制，拌合后采用湿筛法将混凝土中5mm以上骨料筛除，然后成型40mm×40mm×50mm砂浆试件，硬化后置于20℃静水养护；
步骤3）将养护28d后的各配比砂浆试件分别置于恒速通入CO2的水中进行侵蚀试验，并在按一定侵蚀龄期对侵蚀水进行采样，并更换水，在试验过程中，每次更换水的量恒定。通过化学滴定的方式对侵蚀水中CaO的含量进行测定，侵蚀持续90d后，计算各组试件在90d侵蚀龄期过程中的CaO累计溶出比例，并通过CaO累计溶出比例进行正交试验因素分析，确定试验的主要影响因素（试验结果见表2、表3及图1所示），并在配合比各因素中进行优选（见表4）；
表2正交试验中不同混凝土CaO累计溶出比例
其中，表1和表2中的复合硅酸盐水泥为复合硅酸盐32.5水泥，硅酸盐水泥（I型）为硅酸盐I型52.5水泥，中热硅酸盐水泥为中热硅酸盐42.5水泥，普通硅酸盐水泥为普通硅酸盐42.5水泥。掺和料为粉煤灰，粉煤灰掺量（%）指占混凝土的质量百分数，水胶比为水与胶凝材料的质量比。
表3正交设计试验结果直观分析
本发明是以CaO累计溶出比例为试验指标，试验指标值越小，说明混凝土抗分解性侵蚀能力越强，因此，正交试验结果表明，五个因素的主次顺序为：水胶比>掺合料（粉煤灰）掺量>引气剂类型>减水剂种类 >水泥品种，混凝土中选用普通硅酸盐42.5水泥、松香类DH9引气剂、掺合料（粉煤灰）掺量10%，水胶比（水与胶凝材料的质量比）0.30，不添加减水剂时，混凝土抗分解性侵蚀能力越强。
表4 抗分解性侵蚀混凝土配合比各因素优选
虽然正交实验的结果优水平是不添加减水剂，但是在在工程实际中考虑到和易性等方面的因素还是需要添加少量减水剂。
步骤4）根据正交试验分析结果，选取试验用水泥、减水剂、引气剂种类、掺合料掺量以及水胶比范围，按照成型混凝土强度曲线，进行抗压强度试验，得到初选配合比；
其中，混凝土的配制强度：根据混凝土强度等级要求，按照中华人民共和国电力行业标准《水工混凝土配合比设计规程》DL/T 5330－2005中有关规定确定工程混凝土的配制强度。混凝土配制强度下式计算，混凝土强度标准差按表5取值。
式中：为混凝土配制强度，MPa；为混凝土设计龄期抗压强度标准值，MPa； 为概率度系数，依据保证率P选定，见表6，本试验中P＝90％，对应t ＝1.28；为混凝土抗压强度标准差，MPa。
表5 混凝土强度标准差
表6 保证率和概率度系数关系
试验选取了配合比配制强度见表7。
表7 混凝土配制强度表
强度曲线：按设计要求进行强度曲线试验，确定水泥的强度-水胶比的关系。试验结果表8所示：
表8 强度曲线试验结果
初选配合比：水胶比及粉煤灰掺量的选择强度曲线拟合式计算而得，初步选定混凝土各级配水胶比，由此确定的初选配合比的主要参数见表9及表10。
表9 初选配合比
表9中ZB-1A为萘系高效减水剂ZB-1A，DH9为松香类引气剂DH9。
表10 混凝土材料用量
步骤5）按初选配合比成型混凝土，测试其力学与耐久性能，并根据设计要求的力学和耐久性能对初选配合比进行调整，形成最终的混凝土配合比。
实施例3：
本实施例以设计等级C25的抗分解性侵蚀混凝土为例，依次按照以下步骤进行混凝土配合比设计：
步骤1）-步骤3）同实施例2；
步骤4）混凝土的配制强度：参照实施例2中，混凝土配制强度表见表11，强度曲线试验结果同实施例2中的表8。
表11 混凝土配制强度表
初选配合比：水胶比及粉煤灰掺量的选择强度曲线拟合式计算而得，初步选定混凝土各级配水胶比，由此确定的初选配合比的主要参数见表12及表13。
表12 初选配合比
表13混凝土材料用量
步骤5）配合比性能复核与调整：按初选配合比成型混凝土，测试其力学与耐久性等性能，并根据试验结果对初选配合比进行调整，最后形成最终的混凝土配合比。
以上实施例中的五种因素均为4水平，可根据需求选择，3-5水平均可。
本实施例没有详细叙述的方法属本行业的公知或常用技术，这里不一一叙述。
以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种抗分解性侵蚀水工混凝土配合比设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1）将水泥品种、减水剂种类、引气剂类型、掺合料掺量、水胶比这五种因素作为正交试验的考察对象，进行正交试验；
步骤2）根据正交试验中的正交表设计，按各配比成型混凝土，坍落度控制在50~90，拌合后采用湿筛法将混凝土中5mm以上骨料筛除，然后成型同形状同体积的砂浆试件，硬化后置于20℃静水养护；
步骤3）将养护相同时间后的各配比砂浆试件分别置于恒速通入CO2的水中进行侵蚀试验，侵蚀持续80-100d后，计算各组试件在侵蚀龄期过程中的CaO累计溶出比例，并通过CaO累计溶出比例进行正交试验因素分析，确定试验的主要影响因素，并在配合比各因素中进行优选；
步骤4）根据正交试验分析结果，选取试验用水泥、减水剂、引气剂种类，及掺合料掺量以及水胶比范围，按照成型混凝土强度曲线，进行抗压强度试验，得到初选配合比；
步骤5）按初选配合比成型混凝土，测试其力学与耐久性能，并根据设计要求的力学和耐久性能对初选配合比进行调整，形成最终的混凝土配合比。
2.根据权利要求1所述的一种抗分解性侵蚀水工混凝土配合比设计方法，其特征在于：五种因素均为3-5水平。
3.根据权利要求1或2所述的一种抗分解性侵蚀水工混凝土配合比设计方法，其特征在于：掺合料掺量占混凝土的质量百分数为0%-30%，水胶质量比为0.30-0.60。
4.根据权利要求1所述的一种抗分解性侵蚀水工混凝土配合比设计方法，其特征在于：侵蚀试验过程中，每隔固定侵蚀龄期对侵蚀水进行采样，并更换水，在试验过程中，每次更换水的量恒定，通过化学滴定的方式对侵蚀水中CaO的含量进行测定。
5.根据权利要求1所述的一种抗分解性侵蚀水工混凝土配合比设计方法，其特征在于：所述砂浆试件的尺寸为40mm×40mm×50mm。
6.根据权利要求1所述的一种抗分解性侵蚀水工混凝土配合比设计方法，其特征在于：所述成型混凝土强度曲线按照《水工混凝土配合比设计规程》DL/T 5330-2015规定，所述耐久性能满足《水工混凝土耐久性技术规范》DL/T 5241-2010中对于侵蚀环境中混凝土配合比设计要求。
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