基于RSM-BBD的高原地区桥墩混凝土性能试验研究.pdf
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1、第 42 卷 第 7 期2023 年 7 月硅 酸 盐 通 报BULLETINOFTHECHINESECERAMICSOCIETYVol.42 No.7July,2023基于 RSM-BBD 的高原地区桥墩混凝土性能试验研究彭勇军1,刘娟红2,李 华2,李 康3,4(1.中铁十八局集团第二工程有限公司,唐山 063000;2.北京科技大学土木与资源工程学院,北京 100083;3.中国铁道科学研究院,研究生部,北京 100081;4.中国铁道科学研究院集团有限公司,高速铁路轨道技术国家重点实验室,北京 100081)摘要:针对高原地区桥墩混凝土服役环境的特点,探究矿物掺合料对桥墩混凝土性能的影
2、响效果。采用 Box-Behnken Design 响应面法(RSM-BBD)设计了 15 组试验,详细研究了粉煤灰、矿渣和硅灰掺量对混凝土强度和冻融性能的影响规律。以 28 d 抗压强度、200 次冻融循环后混凝土质量损失率和相对动弹性模量为响应值构建响应面模型,旨在揭示响应参数和目标响应值的相关关系及多目标响应值条件下桥墩混凝土的合理配合比。结果表明,与基准组混凝土相比,适量的矿物掺合料有利于提高混凝土强度,增强混凝土的耐低温冻融性能。混凝土的强度和抗冻融性能主要受单因素的影响,其中矿渣和硅灰能提高混凝土的抗压强度,粉煤灰和硅灰则可以提高混凝土的抗冻融性能。各因素的交互作用对混凝土各性能有
3、不同程度的影响,其中矿渣和硅灰掺量的交互作用对 28 d 抗压强度影响显著,粉煤灰与硅灰掺量的交互作用对质量损失率影响显著,粉煤灰与矿渣掺量的交互作用对相对动弹性模量影响显著。基于目标响应值和响应优化,本试验条件下矿物掺合料的合理配合比为粉煤灰、矿渣和硅灰掺量分别为 20%、15%和 10%(质量分数)。关键词:桥墩混凝土;BBD 响应面法;矿物掺合料;抗压强度;冻融循环;质量损失率;相对动弹性模量中图分类号:TU528文献标志码:A文章编号:1001-1625(2023)07-2401-08Experimental Study on Performance of Bridge Pier Co
4、ncrete inPlateau Area Based on RSM-BBDPENG Yongjun1,LIU Juanhong2,LI Hua2,LI Kang3,4(1.China Railway Eighteenth Bureau Group Second Engineering Limited Company,Tangshan 063000,China;2.School of Civil and Resource Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China;3.Postgra
5、duate Department,China Academy of Railway Sciences,Beijing 100081,China;4.State Key Laboratory for Track Technology of High-Speed Railway,China Academy ofRailway Sciences Corporation Limited,Beijing 100081,China)收稿日期:2023-03-20;修订日期:2023-04-23基金项目:中国铁道科学研究院集团有限公司科研项目(2021YJ059)作者简介:彭勇军(1981),男,高级工程师
6、。主要从事桥梁及建筑材料的研究。E-mail:809897249 Abstract:According to the service environment characteristics of bridge pier concrete in plateau area,the effect of mineraladmixture on concrete performance was investigated.The Box-Behnken Design response surface method(RSM-BBD)wasused to design 15 groups of tests,a
7、nd the effects of fly ash,slag and silica fume content on the strength and freeze-thawproperties of concrete were studied in detail.The response surface model was built with 28 d compressive strength,massloss rate and relative dynamic elastic modulus of concrete after 200 times freeze-thaw cycles as
8、 response values to reveal thecorrelation between response parameters with target response values,and the optimal ratio of bridge pier concrete undermulti-target response values.The results show that,compared with the concrete of reference group,the appropriate mineraladmixture is beneficial to impr
9、ove the strength and enhance the freeze-thaw resistance of concrete at low temperature.Thestrength and freeze-thaw resistance of concrete are mainly affected by a single factor,among which slag and silica fume can2402水泥混凝土硅 酸 盐 通 报 第 42 卷improve the compressive strength,while fly ash and silica fume
10、 can enhance the freeze-thaw resistance of concrete.Theinteraction of various factors has different degrees of influence on the performance of concrete.The interaction between slagand silica fume content has a significant effect on 28 d compressive strength.The interaction between fly ash and silica
11、 fumecontent has a significant effect on mass loss rate.The interaction between fly ash and slag content has a significant effect onrelative dynamic elastic modulus.Based on target response values and response optimization,the reasonable ratio of mineraladmixtures under the experimental conditions i
12、s 20%,15%and 10%(mass fraction)of fly ash,slag and silica fume,respectively.Key words:bridge pier concrete;RSM-BBD;mineral admixture;compressive strength;freeze-thaw cycle;mass loss rate;relative dynamic elastic modulus0 引 言桥墩主要用来支撑桥跨结构,并将桥梁整体的恒载和活载传递至地基,其对桥梁安全服役的重要性不言而喻。与一般混凝土结构不同,桥墩下部往往位于河流之中,除了面临
13、水流的冲刷,低温环境下的冻融破坏尤为突出。高原地区具有气压低、风速大、温差大、地质结构复杂的特点,势必影响桥墩混凝土的服役安全。据研究,低气压环境会影响引气剂效果,造成引气混凝土含气量降低,塌落度减小1-2。低温环境会延缓水泥的水化进程,产生冻胀应力,造成混凝土内部结构疏松,性能劣化3。冻融循环将造成混凝土质量和强度损失率增加,相对动弹性模量下降,导致桥墩刚度下降,显著影响桥梁的横向动力响应4。由于可能存在的盐冻现象和温度变化的滞后效应,距离混凝土表面越近,冻融损伤程度越严重5-6。混凝土中掺入适量矿物掺合料有利于减少水泥用量,提高耐久性,具有节约资源、保护环境、实现建筑物全生命周期效益最大化
14、的作用,在实际工程中广泛运用7。近年来,相关学者针对矿物掺合料做了大量的研究。吴凯等8发现,适量矿物掺合料可以改善混凝土的孔结构;王喆等9发现,钢渣、矿渣、粉煤灰和石灰石粉复合使用可以提高混凝土的抗氯离子渗透性能和长期力学特性;李玉平等10发现,复掺偏高岭土和粉煤灰能显著优化轻骨料混凝土的微观性能,复掺总量达到 10%(质量分数)时混凝土抗压强度最大;杭美艳等11发现,复合矿物掺合料既能降低混凝土水化热,又能减轻其开裂程度;刘娟红等12发现粉煤灰和矿渣等复合矿物掺合料能促进火山灰反应,降低 Ca(OH)2含量,提高混凝土的密实性和抗渗性。此外,养护条件13-14也会对桥墩混凝土性能产生重要影响
15、。虽然矿物掺合料在提升混凝土抗冻性能方面的效果得到许多研究人员的证实15-17,但是更多的是基于单因素试验研究,评价每一种因素对于混凝土抗冻性能的影响,对于各因素交互作用的影响并未有过多阐述。响应面法(response surface method,RSM)通过综合优化数学建模和试验设计,利用局部具有代表性点的试验结果,拟合全局因素和结果之间的函数关系,并可得出各因素的最优水平值18。同时,具有比传统正交试验更高的预测精度,RSM 已被广泛用于材料配合比设计领域19。基于此,本文利用 Box-Behnken Design响应面法(RSM-BBD)对混凝土矿物掺合料的种类和掺量进行设计,结合相关
16、学者在高海拔地区桥梁混凝土技术方面的研究基础20,针对高原地区的环境特点,通过调整粉煤灰、矿渣和硅灰的掺量探求混凝土力学和抗冻融性能的变化规律,对高原地区桥墩混凝土的制备提供参考意见。1 实 验1.1 原材料PO 42.5 普通硅酸盐水泥由嘉华特种水泥股份有限公司生产,其 28 d 抗压强度为 47.9 MPa;矿物掺合料选用级粉煤灰、S95 级磨细矿渣和硅灰,粉煤灰的细度(45 m)筛余为 6.5%,需水量比为 92%,矿渣和硅灰的比表面积分别为486 和2.38 104m2/kg。水泥、粉煤灰、矿渣和硅灰的主要化学成分见表1。粗细骨料为中国水利水电第九工程局有限公司生产的砂石,其中粗骨料碎
17、石表观密度为 2 740 kg/m3,松散堆积密度为 1 520 kg/m3,针片状含量为 4.1%,压碎值为 17.4%,含泥量为 0.1%;细骨料机制砂堆积孔隙率为41%,细度模数为 2.8。减水剂为聚羧酸高性能减水剂,减水率为 31%,含固量为 26.3%。第 7 期彭勇军等:基于 RSM-BBD 的高原地区桥墩混凝土性能试验研究2403表 1 水泥和矿物掺合料的主要化学成分Table 1 Main chemical composition of cement and mineral admixturesCementitiousmaterialMass fraction/%SiO2Al2
18、O3Fe2O3CaOMgOSO3Na2OeqCement20.944.863.7362.893.560.960.92Fly ash32.1114.380.6638.239.562.810.64Slag52.4133.843.963.081.130.960.31Silica fume94.201.300.800.200.9001.801.2 配合比根据已有的工程经验和研究成果,为了保证混凝土的强度等级不低于 C50,试验控制混凝土总胶凝材料用量、砂石掺量和水胶比不变,其中胶凝材料总量为 540 kg/m3,砂掺量为 645 kg/m3,碎石掺量为1 100 kg/m3,减水剂掺量为 7.39 k
19、g/m3,水胶比为 0.3。本次试验重点在于探究粉煤灰掺量(X)、矿渣掺量(Y)和硅灰掺量(Z)3 种因素对混凝土抗压强度(R1)、200 次冻融循环后的质量损失率(R2)和 200 次冻融循环后的相对动弹性模量(R3)的影响规律。各因素的水平:粉煤灰的掺量依次为 0%、10%和 20%(质量分数),矿渣的掺量依次为 0%、10%和 20%(质量分数),硅灰的掺量依次为 0%、5%和 10%(质量分数)。自变量因素编码及水平设置如表2 所示,利用 Design-Export 软件进行混凝土配合比设计,结果如表3 所示。软件在分析 3 因素、3 水平响应面试验时,需要进行 15 组试验。为了对比
20、评价矿物掺合料的影响效果,本次试验同时设置纯水泥组作为基准组(S)。表 2 试验自变量因素编码及水平Table 2 Codes and levels of experimental independent variable factorsFactorLevel-101X/%01020Y/%01020Z/%05101.3 试验方法本次冻融循环试验主要根据普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准(GB/T 500822009)进行操作。采用快冻法,试块尺寸为 100 mm 100 mm 400 mm,标养 24 d 后将试块取出,在(20 2)水中浸泡 4 d,取出试块擦干表面水分,采用 DT-1
21、2 型动弹性模量监测仪和天平测定试块的初始横向基频 f0i和初始质量 W0i,之后进行冻融试验。冻融设备为混凝土全自动快速冻融试验机,冻结温度为-18 -14,融化温度设定为5 8,一次冻融循环时间为2 4 h。达到200 次冻融循环之后,将试块取出,清理干净混凝土表面浮渣并擦干水分,继续测量横向基频 f200i和质量 W200i。试块的质量损失率 W200i和相对动弹性模量P200i分别按照式(1)、(2)计算。W200i=W0i-W200iW0i100%(1)P200i=f2200if20i(2)2 结果与讨论2.1 响应面试验及预测结果响应面试验结果如表 3 所示,利用 Design-E
22、xport 软件对试验结果进行多元回归拟合,得出响应面函数,如式(3)(5)所示。R1=68.57-2.74X+1.87Y+3.71Z+1.03XY-0.90XZ+1.17YZ+1.94X2-1.08Y2+0.99Z2(3)R2=1.59-0.66X+0.15Y-0.48Z-0.10XY+0.14XZ+0.05YZ+0.43X2+0.10Y2+0.087Z2(4)2404水泥混凝土硅 酸 盐 通 报 第 42 卷R3=76.80+2.79X-3.00Y+3.46Z+0.80XY-0.73XZ-0.35YZ+0.84X2-0.24Y2+0.89Z2(5)表 3 响应面试验结果Table 3 Ac
23、tual results of RMS-BBDRun No.FactorActual resultX/%Y/%Z/%R1/MPaR2/%R3/%100571.72.4878.22010069.53.4871.330101078.22.2780.34020573.42.8970.95100063.82.1377.161001069.41.0584.171010568.11.6476.981010569.31.5276.491010568.31.6277.1101020065.22.4271.51110201075.51.5477.112200563.41.5782.3132010066.61.6
24、678.21420101071.71.0284.3152020569.21.5678.22.2 响应面模型可靠性分析对响应面函数模型进行方差分析以验证其可靠性,结果如表 4 所示。混凝土各指标实际值和预测值对比如图 1 所示。从表 4 可以看出,所建立的模型 P 值均小于 0.01,说明回归效果显著,失拟项 P 值大于0.05,这说明混凝土各指标的实测值与预测值具有较好的吻合度。从图 1 可以看出,各数据点基本都沿着直线 y=x 均匀分布,模拟的预测值和实际值接近,说明设计的回归方程模型能够有效预测试验结果21。表 4 响应面回归模型方差分析Table 4 Variance analysis
25、of RMS-BBD regression modelSourceSum of squareMean squareF-valueP-valueR1R2R3R1R2R3R1R2R3R1R2R3Model234.106.350240.8226.010.71026.7650.4330.96106.820.000 20.000 70.000 1X59.953.52062.1659.953.52062.16116.22154.66248.150.000 10.000 10.000 1Y28.120.17072.0028.120.17072.0054.527.64287.430.000 70.039 70
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