不同環(huán)境作用下高性能混凝土的配合比設(shè)計(jì)研究*

梁凱，張世榮，喬永平，李貞，武凡，張順

（1. 廣西建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，廣西 南寧 530011；2. 南寧軌道交通有限責(zé)任公司，廣西 南寧 530021；3. 廣西建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督總站，廣西 南寧 530012；4. 廣西大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，廣西 南寧 530004）

0 引言

高性能混凝土（High Performance Concrete，HPC）是一種以耐久性為目的，兼顧強(qiáng)度、高工作性和高耐久性的混凝土[1]。混凝土的耐久性是指混凝土結(jié)構(gòu)在自然環(huán)境、使用環(huán)境及材料內(nèi)部因素作用下保持其工作能力的性能。使用環(huán)境中的氣體、液體和固體通過(guò)擴(kuò)散、滲透進(jìn)入混凝土內(nèi)部，發(fā)生物理和化學(xué)變化，多數(shù)情況下會(huì)導(dǎo)致硬化混凝土性能的劣化，最終影響混凝土工程的壽命和安全性[2]。

在以往的工程中，一般只重視混凝土的強(qiáng)度，或片面強(qiáng)調(diào)注重高強(qiáng)度而忽略混凝土的耐久性。調(diào)查表明，國(guó)內(nèi)一些工業(yè)建筑在使用 25～30 年后即需大修，而處于嚴(yán)酷環(huán)境下的建筑使用壽命僅 15～20 年。如何提高混凝土的耐久性與國(guó)民經(jīng)濟(jì)、社會(huì)安定、環(huán)境保護(hù)、可持續(xù)發(fā)展等問(wèn)題密切相關(guān)，是混凝土材料科學(xué)的重大研究課題，也是工程界關(guān)注的重大科技問(wèn)題。因此，針對(duì)工程所處環(huán)境作用開(kāi)展高性能混凝土的配合比設(shè)計(jì)研究，對(duì)提高混凝土工程質(zhì)量及其耐久性具有重要的意義。

1 試驗(yàn)方案及過(guò)程

1.1 試驗(yàn)材料

1.2.1 水泥

試驗(yàn)采用華潤(rùn)水泥（南寧）有限公司生產(chǎn)的“紅水河牌”P(pán)·Ⅱ42.5 級(jí)水泥。該水泥的化學(xué)成分見(jiàn)表 1，基本物理力學(xué)性能見(jiàn)表 2。

表1 水泥的化學(xué)成分 %

表2 水泥的物理性能

表3 粉煤灰的性能指標(biāo) %

1.2.2 礦物摻合料

本試驗(yàn)所用粉煤灰為 Ⅲ 級(jí)粉煤灰，基本性能見(jiàn)表 3。試驗(yàn)所用礦渣為 S75 級(jí)，基本性能見(jiàn)表 4。

1.2.3 細(xì)骨料

本試驗(yàn)采用的細(xì)骨料為欽州河砂，細(xì)度模數(shù)為 2.6，級(jí)配處于 Ⅱ 區(qū)。

表4 礦渣的性能指標(biāo) %

1.2.4 粗骨料

本試驗(yàn)采用的粗骨料為 5～31.5mm 連續(xù)級(jí)配的碎石。

1.2.5 外加劑

本試驗(yàn)采用了兩種混凝土外加劑，分別為聚羧酸高效減水劑與增效劑。其中聚羧酸高效減水劑的固含量為 15.6%，密度為 1.230g/ml，pH 值為 6.7，減水率為 21.9%。增效劑的密度為 1.005g/ml，pH 值為 10.4，摻量為膠凝材料的 0.6%。

1.2 試驗(yàn)方案

本文擬在研究獲得不同強(qiáng)度等級(jí)，來(lái)應(yīng)對(duì)不同環(huán)境作用等級(jí)，并具有良好工作性能的高性能混凝土的配合比設(shè)計(jì)方案，通過(guò)采取具有“均勻分散，齊整可比”特點(diǎn)的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案。強(qiáng)度等級(jí)主要由水膠比控制，砂率對(duì)新拌混凝土的工作性能具有較大的影響作用，而抵御外界環(huán)境侵蝕的能力主要由混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定。大量研究表明，礦物摻合料的摻入對(duì)增強(qiáng)混凝土密實(shí)性，提高混凝土耐久性具有明顯作用。

因此，本文選擇水膠比、粉煤灰摻量、礦渣摻量和砂率等四個(gè)配合比參數(shù)作為主要因素設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，其中每個(gè)因素取四個(gè)水平，各因素和水平的設(shè)計(jì)情況如表 5 所示，水膠比的選擇依次對(duì)應(yīng) C30、C35、C40、C50 四個(gè)強(qiáng)度等級(jí)。

表5 正交設(shè)計(jì)表

控制單方用水量為 180kg/m3，通過(guò)參考 JGJ55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》[3]計(jì)算其它原材料用量，各組配合比使用的增效劑摻量為膠凝材料的 0.6%，通過(guò)調(diào)節(jié)高效減水劑的用量，使混凝土坍落度控制在 180～240mm，每組混凝土詳細(xì)理論配合比見(jiàn)表 6。

表6 混凝土的理論配合比 kg/m3

1.3 試驗(yàn)方法

在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至 7d、28d、56d 后分別進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試，具體按照 GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[4]進(jìn)行，采用的試件尺寸為150mm×150mm×150 mm。

此外，還對(duì)混凝土進(jìn)行耐久性試驗(yàn)測(cè)試，包括 56d 齡期抗氯離子滲透性及 28d 齡期混凝土碳化，驗(yàn)證試驗(yàn)僅開(kāi)展碳化深度試驗(yàn)。抗氯離子滲透性按照 ASTM C1202–97 試驗(yàn)法[5]進(jìn)行，碳化試驗(yàn)參照 GB/T50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》[6]進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

將在不同齡期下測(cè)得的混凝土抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)、氯離子電通量及碳化深度數(shù)據(jù)列于表 7 中。

表7 混凝土力學(xué)性能與耐久性能

2.1 力學(xué)性能

表7 數(shù)據(jù)表明，試配的混凝土均能滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)要求。從不同齡期抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)趨勢(shì)分析，各強(qiáng)度等級(jí) 7d 強(qiáng)度值為 28d 強(qiáng)度值的 58%～83%，其中，單摻粉煤灰的混凝土試塊早期強(qiáng)度發(fā)展速度相對(duì)較大。齡期為 56d 時(shí)，各組混凝土的抗壓強(qiáng)度值為 28d 強(qiáng)度值的 101%～120% 之間。低強(qiáng)度等級(jí)（C30 與 C35）下，復(fù)摻粉煤灰和礦渣的混凝土 28d強(qiáng)度大于單摻粉煤灰的混凝土。

2.2 耐久性能

從表 7 中的數(shù)據(jù)可以看出，隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高，混凝土電通量及碳化深度整體逐漸降低，即抗氯離子滲透性能與抗碳化性能有所提高。另外，隨著碳化時(shí)間的增加，混凝土的碳化深度也相應(yīng)增加，但因礦物摻合料的活性逐漸發(fā)揮作用，使得混凝土的結(jié)構(gòu)更為密實(shí)，因而其碳化深度增加不是很大。總體來(lái)說(shuō)，相同的水膠比條件下，單摻粉煤灰的試塊碳化深度比雙摻粉煤灰及礦渣低，具有更佳的抗碳化性能。因此，從抗碳化性能的角度來(lái)看，在保證獲得足夠強(qiáng)度及其它耐久性能的情況下，可適當(dāng)減少礦物摻合料的種類及用量。

根據(jù)《客運(yùn)專線高性能混凝土?xí)盒屑夹g(shù)條件》[7]，對(duì)混凝土的電通量做出了定量指標(biāo)要求，綜合統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表 8。

表8 不同混凝土的電通量指標(biāo) C

通過(guò)本文的試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)照表 8，結(jié)果表明在各強(qiáng)度等級(jí)下，均有能夠滿足普通條件下、碳化環(huán)境及氯鹽侵蝕環(huán)境下混凝土 60～100 年使用年限的配合比。在本文提出的配合比設(shè)計(jì)中，采用的礦物摻合料最大摻量為 45%（粉煤灰 25%+礦渣 20%），最低摻量為粉煤灰 10%，并通過(guò)添加具有良好性能的外加劑，從而獲得符合各種條件要求的高性能混凝土。在實(shí)際情況下，可以根據(jù)不同的侵蝕環(huán)境作用，綜合原材料性能及經(jīng)濟(jì)成本應(yīng)該考慮選擇不同的配合比。

2.3 正交分析

本文采用正交分析的方法對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響因素進(jìn)行討論，計(jì)算各因素的極差，比較各影響因素的主次順序，具體見(jiàn)表 9。

表9 極差分析表

從表 9 中可以看出，影響 28d 抗壓強(qiáng)度的主次順序?yàn)樗z比＞砂率＞礦粉摻量＞粉煤灰摻量，28d 氯離子電通量因素的主次順序?yàn)樗z比＞粉煤灰摻量＞礦粉摻量＞砂率，而影響碳化深度因素的主次順序水膠比＞礦粉摻量＞砂率＞粉煤灰摻量。

此外，本文還經(jīng)過(guò)方差分析討論各因素對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響程度，結(jié)果見(jiàn)表 10。

表10 混凝土性能影響因素顯著性分析

表10 中的正交分析數(shù)據(jù)表明，水膠比對(duì)混凝土力學(xué)性能及耐久性能存在顯著的影響，這主要是由于混凝土中的水量越少，在水泥水化后，其原來(lái)所占的體積變?yōu)榭障叮炷撩軐?shí)性增大，進(jìn)而混凝土各項(xiàng)性能有所提高。粉煤灰作為一種常用的礦物摻合料，其具有的形態(tài)效應(yīng)、微集料效應(yīng)和活性效應(yīng)可以進(jìn)一步提高混凝土內(nèi)部的密實(shí)度，對(duì)提高抗壓強(qiáng)度及抗氯離子滲透性均有較好的作用；但是對(duì)于抗碳化作用，由于過(guò)多的粉煤灰在二次反應(yīng)中消耗掉大量可碳化物質(zhì)，使得混凝土堿儲(chǔ)備和液相堿溶液堿度降低，混凝土吸收CO2的能力降低，碳化中和作用的過(guò)程時(shí)間減少，最終導(dǎo)致混凝土抗碳化能力的降低[8]。由于礦渣活性較低，水化速度較慢，只有在后期才能發(fā)揮其活性效應(yīng)，且本試驗(yàn)中的摻量差異不大，因此其對(duì)混凝土性能影響不太顯著。砂率主要是影響新拌混凝土的工作性能，對(duì)其它性能的影響并不明顯。

3 結(jié)論

（1）本文通過(guò)采用較低摻量的粉煤灰及礦渣，摻入適量的高效減水劑及增效劑，配制出了符合設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)，且具有較好耐久性的高性能混凝土；

（2）不同強(qiáng)度等級(jí)下，本文提出的配合比均可以滿足不同環(huán)境類別及作用等級(jí)的混凝土進(jìn)行選用；

（3）水膠比對(duì)高性能混凝土力學(xué)性能及耐久性能均具有非常顯著的影響，礦粉摻量及砂率的影響較小。

[1]吳中偉，廉慧珍．高性能混凝土[M]．北京：中國(guó)鐵道出版社，1999．

[2]姚燕．高性能混凝土的體積變形及裂縫控制[M]．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011．

[3]JGJ55—2011．普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程[S]．

[4]GB/T 50081—2002．普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法[S]．

[5]Standard test method for electrical indication of concrete’s ability to resist chloride ion penetration. ASTM C1202: 622-630

[6]GB/T50082—2009．混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S]．

[7]客運(yùn)專線高性能混凝土?xí)盒屑夹g(shù)條件 ．科技基[2005]101號(hào)．

[8]Mehta[美]著，祝永年， 沈威等譯．混凝土材料、性能與結(jié)構(gòu)[M]．上海：同濟(jì)大學(xué)出版社, 1991．