隧道襯砌高性能混凝土基準配合比優選試驗研究

王海彥 秦 偉 戰啟芳

（石家莊鐵路職業技術學院 河北石家莊 050041）

隧道襯砌高性能混凝土基準配合比優選試驗研究

王海彥 秦 偉 戰啟芳

（石家莊鐵路職業技術學院 河北石家莊 050041）

高性能混凝土配合比設計是保證工程質量的重要環節，也是實現混凝土高性能的主要方面之一。采用正交試驗的級差分析法比較了水膠比、砂率、減水劑品種三種因素對高性能混凝土強度的影響情況。根據試驗結果，并結合工程實際，確定最佳的減水劑品種、合適的水膠比和砂率值，進而優化了高性能混凝土的配合比。

高性能混凝土 正交試驗 極差分析法 配合比 抗壓強度

1 引言

高性能混凝土是采用現代混凝土配制技術，通過選用優質原材料如水泥和集料，再摻加足夠數量的礦物摻合料和高效減水劑，以獲得工作性、力學性和耐久性均良好的新型混凝土。高性能混凝土的基準配合比設計，一直以來沒有一種大家公認的設計方法，只有一個指導性原則[1]。

很多研究成果表明，影響高性能混凝土性能的主要因素有：膠凝材的種類及用量、砂石料的性質、水膠比、砂率、外加劑，以及高性能混凝土的養生方式等。但在實際工程中往往膠凝材的用量是一定的，砂石料從當地就近選用，且養生方式都按一般規定進行，所以可以調整的因素只有水膠比、砂率的大小以及外加劑的種類。

本試驗為了比較水膠比、砂率、減水劑品種三種因素對高性能混凝土性能的影響情況，擬對C30隧道襯砌混凝土采用3因素3水平的正交試驗方法確定其最佳基準配合比，進而研究水膠比、砂率、減水劑品種對混凝土性能影響的程度。

2 影響混凝土強度的因素

（1）水膠比

水膠比是影響高性能混凝土強度及耐久性的極其重要的指標。水的主要作用是：為膠凝材的水化反應提供結合水，保證高性能混凝土在施工過程中必要的工作性能。水膠比過大時，雖然混凝土具有很好的流動性，但會犧牲其黏聚性和保水性，導致混凝土內部毛細管孔隙過大，嚴重影響混凝土的強度和耐久性；相反若混凝土的水膠比過小時，混凝土流動性差，在澆筑的過程中難以振搗密實，同時還會妨礙水泥水化反應的進行。只有采用合適的水膠比才能保證混凝土在具有良好的工作性的同時具有較高的強度和良好的耐久性[2]。

（2）砂率

砂率直接影響混凝土的和易性以及混凝土的強度。如果砂率過小，細集料的數量過少就無法密實的填補粗集料之間的空隙，多余的空隙就全部由水泥漿體來填充，混凝土的強度不能得到最大程度的提高，倘若水泥漿體的不足以填補粗、細集料之間的空隙，就導致混凝土的和易性以及密實性都相應的不足，嚴重影響混凝土的強度以及耐久性。由于砂子的比表面積較大，如果砂率過大，就會導致砂子表面需要覆蓋的水泥漿量增大，水泥漿量相對就顯得不足，混凝土強度及耐久性也同樣不能得到保證[3]。

（3）減水劑

減水劑與水泥的品種的適應性是減水劑效果能夠得到最大發揮的一個很重要的條件，同時砂率的大小對減水劑的效果的影響也是十分顯著的。

3 混凝土配合比初步設計

采用低水膠比、低用水量和高效減水劑是實現高性能混凝土的必要途徑。隧道二襯混凝土通常設計為C30強度等級的混凝土，為了減少水泥用量，實現低碳經濟的目的，膠凝材用量控制在360kg/m3，膠凝材中水泥基體占55%、粉煤灰占15%、礦粉占30%。考慮到混凝土的耐久性能，水膠比（W/B）受到嚴格的限制，其對應的1、2、3水平分別為0.42、0.43、0.44；根據經驗選取的砂率的3個試驗水平分別為41%、42%、43%；減水劑同時也有3個品種，在試驗時減水劑使用量均為1%，相應的3個品種為北方牌減水劑、洪盟牌減水劑以及萬砼牌減水劑，混凝土容重取2400kg/m3，擬配C30混凝土配合比初步設計方案見表1。

表1 C30混凝土配合比設計方案

4 正交試驗方案確定

在實際工程中，為了尋求合理的配合比，實驗室往往需要同時考察3個以上的試驗因素。若進行全面試驗，則試驗的規模及數量很大，因試驗條件和人員的限制而難于一一完成。正交試驗設計就是安排多因素試驗、尋求最優水平組合的一種高效率試驗設計方法[4]。

正交設計就是從所有水平組合中挑選出有代表性的部分水平組合來進行試驗。以3因素3水平正交試驗為例，從正交試驗表中27個試驗點中挑選出來9個試驗點如表2所示。根據極差Tj的大小，可以判斷各因素對試驗指標的影響主次。Tj越大表明該因素對試驗指標影響程度越大，其重要程度也就越高。

表2 混凝土配合比設計正交試驗方案

判斷出各因素影響的強弱程度以后，就可以比較各因素內各水平的優劣，例如比較c因素的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ水平時，把a、b視為對c的各水平的影響是大體相同的，然后比較c因素各水平的影響情況，選出最優的水平。同理可以選出a、b因素的最優水平，然后將它們組合起來即為最優的試驗方案。

5 試驗原材料

（1）水泥：遼寧大連小野田水泥廠生產的PO42.4普通硅酸鹽水泥，3d抗壓強度33.6MPa，28d抗壓強度56.4MPa，初凝160min，終凝210min。

（2）粉煤灰：采用遼寧本溪電廠Ⅱ級粉煤灰，比表面積500m2/kg，需水量比0.96，燒失量2.4%，SO3含量0.54%。

（3）礦粉：采用遼寧本溪鋼鐵廠S95礦粉，比表面積450m2/kg，7d活性指數79%、28d活性指數111%，需水量比0.98、燒失量0.57%、SO3含量2.69%。

（4）細骨料：選用Ⅱ區中粗砂，細度模數2.6，含泥量1.80%，表觀密度2630kg/m3，堆積密度1281kg/m3，空隙率40%。

（5）粗骨料：采用連續級河卵石作為粗骨料，含泥量0.50%，壓碎指標4.70%，針、片狀顆粒含量6.10%，表觀密度2616kg/m3，堆積密度1560kg/m3，空隙率41%，吸水率1.3%。

（6）拌合水和減水劑：拌合水為潔凈自來水；本試驗分別選用丹東北方牌洪盟減水劑、沈陽洪盟洪盟減水劑以及沈陽萬砼牌洪盟減水劑，采用凈漿試驗測試各種減水劑的減水率如表6所示。

表6 各種減水劑的減水率試驗結果

6 試驗結果與分析

通過對選出9組不同配方的混凝土在不同齡期的抗壓強度試驗，根據試驗結果，優選C30混凝土基準配合比，試驗結果見表7，對試驗結果的分析見表8。

表7 C30混凝土抗壓強度正交試驗結果

表8 C30混凝土抗壓強度正交試驗結果分析

由表9中對試驗結果的分析可知：

（1）減水劑的品種對高性能混凝土強度影響很大，砂率對不同品種減水劑的影響也相差很大，根據本次試驗可知在41%~43%的砂率范圍內洪盟減水劑的效果最為理想。所以在一定的水泥品種和砂率范圍內，只有選擇合適的減水劑品種才能達到既減少拌和用水量又保證混凝土強度的目的。

（2）由于本次試驗水膠比受制于實際生產情況，變動范圍很小，最大值與最小值僅相差0.2，因而不能明顯體現出水膠比對高性能混凝土強度的影響。但從試驗結果來看水膠比為0.42的高性能混凝土強度明顯高于水灰比為0.43和0.44的高性能混凝土，所以從混凝土耐久性的長遠角度考慮選用0.42的水膠比。

7 結論

（1）通過對各齡期（3天齡期除外）高性能混凝土強度的級差大小的比較，可以發現在三個影響因素中，對混凝土強度的影響由大到小依次為減水劑品種、砂率、水膠比；

（2）通過各齡期混凝土強度均值比較可見：水膠比0.42的混凝土強度最高，水膠比0.44的混凝土強度最低，由此可見水膠比對混凝土的抗壓強度有直接的影響；

（3）對于減水劑品種的影響因素中，最好的指標是水平Ⅱ，即沈陽洪盟牌減水劑，由此可見混凝土宜采用減水率為26%左右的高效減水劑；

（4）對于砂率的影響因素中，在3、7d齡期各水平的影響不是十分明顯，但是在28、56d齡期Ⅲ水平混凝土的強度明顯高于其它兩個水平，即認為43%的砂率是最好的指標。

通過本次正交試驗的級差分析法考察了水膠比、砂率、減水劑品種3種因素對混凝土強度的影響情況，最終得出在本次試驗條件下各因素影響程度由大到小依次為減水劑品種、砂率、水膠比。最終找出擬配C30混凝土最佳配合比：洪盟牌減水劑1%，43%的砂率及0.42的水膠比，這個組合有效地保證了能混凝土的強度并兼顧了其耐久性。

[1]何世欽,王海超.高性能混凝土配合比設計的正交試驗研究[J],工業建筑,2003,33(8 )

[2]趙國堂,李化建.高速鐵路高性能高性能混凝土應用管理技術[M],中國鐵道出版社,2009

[3]馬安,楊芝勇. C60高性能高性能混凝土試驗研究及應用[J],混凝土與水泥制品,2009(6)

[4]中建筑科學研究院.普通混凝土配合比設計規程（JGJ 55-2000）[S],北京,2001

[5]魏秀軍,焦亞明,管洪海.聚羧酸減水劑JN在普通高性能混凝土中的應用研究[J],商品混凝土,2008年(1)

Study of Orthogonal Test of High-Performance Concrete Mix

WANG Hai-yan QIN Wei ZHAN Qi-fang
（Shijiazhuang Institute of Railway Technology Shijiazhuang Hebei 050041 China）

This thesis adopts the differential analysis of orthogonal test to compare the influence of the three factors of water-cement ratio, sand ratio and superplasticizer species to high-performance concrete strength. And it select the best variety of superplasticizer, suitable water-cement ratio and sand ratio according to the result of orthogonal test and practical situation, and thus optimize the mix design of high-performance concrete.

high-performance concrete orthogonal test maximum difference analysis combination ratio compressive strength

A

1673-1816(2016)04-0034-05

2016-02-16

王海彥（1975－），河北張北人，博士，教授，研究方向隧道及地下工程。