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，兼顧強度、高工作性和高耐久性的混凝土[1]?；炷恋哪途眯允侵富炷两Y(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、液體和固體通過擴散、滲透進入混凝土內(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度，或片面強調(diào)注重高強度而忽略混凝土的耐久性。調(diào)查表明，國內(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民經(jīng)濟、社會安定、環(huán)境保護、可持續(xù)發(fā)展等問題密切相關(guān)，是混凝土材料科學(xué)的重大研究課題，也是工程界關(guān)注的重大科技問題。因此，針對工程所處環(huán)境作用開展高性能混凝土的配合比設(shè)計研究，對提高混凝土工程質(zhì)量及其耐久性具有重要的意義。

1 試驗方案及過程

1.1 試驗材料

1.2.1 水泥

試驗采用華潤水泥（南寧）有限公司生產(chǎn)的“紅水河牌”P·Ⅱ42.5 級水泥。該水泥的化學(xué)成分見表 1，基本物理力學(xué)性能見表 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

本試驗所用粉煤灰為 Ⅲ 級粉煤灰，基本性能見表 3。試驗所用礦渣為 S75 級，基本性能見表 4。

1.2.3 細骨料

本試驗采用的細骨料為欽州河砂，細度模數(shù)為 2.6，級配處于 Ⅱ 區(qū)。

表4 礦渣的性能指標(biāo) %

1.2.4 粗骨料

本試驗采用的粗骨料為 5～31.5mm 連續(xù)級配的碎石。

1.2.5 外加劑

本試驗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 試驗方案

本文擬在研究獲得不同強度等級，來應(yīng)對不同環(huán)境作用等級，并具有良好工作性能的高性能混凝土的配合比設(shè)計方案，通過采取具有“均勻分散，齊整可比”特點的正交試驗設(shè)計方法，設(shè)計試驗方案。強度等級主要由水膠比控制，砂率對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增強混凝土密實性，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配合比參數(shù)作為主要因素設(shè)計試驗方案，其中每個因素取四個水平，各因素和水平的設(shè)計情況如表 5 所示，水膠比的選擇依次對應(yīng) C30、C35、C40、C50 四個強度等級。

表5 正交設(shè)計表

控制單方用水量為 180kg/m3，通過參考 JGJ55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》[3]計算其它原材料用量，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，每組混凝土詳細理論配合比見表 6。

表6 混凝土的理論配合比 kg/m3

1.3 試驗方法

在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室養(yǎng)護至 7d、28d、56d 后分別進行抗壓強度測試，具體按照 GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[4]進行，采用的試件尺寸為150mm×150mm×150 mm。

此外，還對混凝土進行耐久性試驗測試，包括 56d 齡期抗氯離子滲透性及 28d 齡期混凝土碳化，驗證試驗僅開展碳化深度試驗。抗氯離子滲透性按照 ASTM C1202–97 試驗法[5]進行，碳化試驗參照 GB/T50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》[6]進行。

2 試驗結(jié)果與分析

將在不同齡期下測得的混凝土抗壓強度數(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)計強度等級要求。從不同齡期抗壓強度的增長趨勢分析，各強度等級 7d 強度值為 28d 強度值的 58%～83%，其中，單摻粉煤灰的混凝土試塊早期強度發(fā)展速度相對較大。齡期為 56d 時，各組混凝土的抗壓強度值為 28d 強度值的 101%～120% 之間。低強度等級（C30 與 C35）下，復(fù)摻粉煤灰和礦渣的混凝土 28d強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，隨著混凝土強度等級的提高，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，因而其碳化深度增加不是很大?？傮w來說，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看，在保證獲得足夠強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)《客運專線高性能混凝土?xí)盒屑夹g(shù)條件》[7]，對混凝土的電通量做出了定量指標(biāo)要求，綜合統(tǒng)計見表 8。

表8 不同混凝土的電通量指標(biāo) C

通過本文的試驗結(jié)果，對照表 8，結(jié)果表明在各強度等級下，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混凝土抗壓強度的影響因素進行討論，計算各因素的極差，比較各影響因素的主次順序，具體見表 9。

表9 極差分析表

從表 9 中可以看出，影響 28d 抗壓強度的主次順序為水膠比＞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為水膠比＞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)過方差分析討論各因素對混凝土抗壓強度的影響程度，結(jié)果見表 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，其原來所占的體積變?yōu)榭障叮炷撩軐嵭栽龃?，進而混凝土各項性能有所提高。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)可以進一步提高混凝土內(nèi)部的密實度，對提高抗壓強度及抗氯離子滲透性均有較好的作用；但是對于抗碳化作用，由于過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，碳化中和作用的過程時間減少，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)，且本試驗中的摻量差異不大，因此其對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，對其它性能的影響并不明顯。

3 結(jié)論

（1）本文通過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)計強度等級，且具有較好耐久性的高性能混凝土；

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

（3）水膠比對高性能混凝土力學(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：中國建筑工業(yè)出版社，2011．

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

[4]GB/T 50081—2002．普通混凝土力學(xué)性能試驗方法[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．混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)[S]．

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

[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：同濟大學(xué)出版社, 1991．