陳慧敏

(青海省水利水電勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，青海 西寧 810001)

近年來(lái)，我國(guó)加大了基礎(chǔ)建設(shè)的投資發(fā)展，高速公路、高速鐵路相繼迅速發(fā)展，大大提高了人們出行的便捷性；同時(shí)也加強(qiáng)了地域間相互交流，促進(jìn)了各區(qū)域經(jīng)濟(jì)、文化的繁榮發(fā)展。在項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中，環(huán)境惡劣、地質(zhì)復(fù)雜的工程項(xiàng)目對(duì)混凝土的設(shè)計(jì)和施工提出了更嚴(yán)苛的要求[1-3]?；诖?，早期強(qiáng)度高、后期強(qiáng)度發(fā)展穩(wěn)定、工作性能穩(wěn)定、體積穩(wěn)定性好、服役過(guò)程中耐久性能良好的高性能混凝土(High Performance Concrete，HPC)應(yīng)運(yùn)而生[4-7]。

20世紀(jì)90年代，高性能混凝土的這一概念首先由美國(guó)NIST(國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院)和ACI(美國(guó)混凝土協(xié)會(huì))提出，并繼而得到了世界各地混凝土專家的響應(yīng)。目前，就高性能混凝土還沒(méi)有統(tǒng)一的定義[8]，不同國(guó)家的專家對(duì)于高性能混凝土的見解具有很高程度的相似性[9-10]，主要體現(xiàn)在耐久性能優(yōu)異[11]、體積穩(wěn)定性能高[12-13]、工作性能良好[14]以及具有高強(qiáng)度[15]等方面。國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究者就高性能混凝土性能展開了大量研究：如有學(xué)者提出高效減水劑、優(yōu)質(zhì)礦物摻合料是高性能混凝土強(qiáng)度發(fā)展以及后期服役過(guò)程中耐久性的關(guān)鍵[16-17]；提出科學(xué)化設(shè)計(jì)高性能混凝土配合比，在滿足工作性、耐久性要求的基礎(chǔ)上，盡可能多摻加粉煤灰、礦渣粉等礦物摻合料，同時(shí)提出摻加與水泥相容性較好的高性能外加劑[18]；還有指出粉煤灰顆粒的預(yù)處理可以改善顆粒組成與特性，達(dá)到提高混凝土氯離子抗侵入能力[19]；還有發(fā)現(xiàn)利用適當(dāng)比例的礦物摻和料替代水泥時(shí)，混凝土兼具抗?jié)B性能和抗腐蝕能力[20]。

相關(guān)研究人員的研究集中于礦物摻合料的摻量與類型，高性能混凝土與普通混凝土配合比設(shè)計(jì)相同，其強(qiáng)度和服役過(guò)程中的耐久性受水膠比、砂率、復(fù)合礦物摻合料摻量以及單位用水量等因素影響，因此系統(tǒng)展開水膠比、砂率、復(fù)合礦物摻合料摻量對(duì)高性能混凝土工作性能、力學(xué)性能、耐久性能的研究極其重要。本文就水膠比、砂率、復(fù)合礦物摻合料摻量展開3因素3水平研究，分析混凝土早期工作性能、力學(xué)性能以及耐久性能的試驗(yàn)情況，旨在得出最佳條件下高性能混凝土在施工過(guò)程中的利用率以及對(duì)工程指導(dǎo)的理論意義。

1 試驗(yàn)材料與方法

設(shè)計(jì)要求：T2碳化環(huán)境要求；28 d設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度等級(jí)C50，混凝土坍落度180～220 mm，混凝土含氣量3.0%～6.0%，混凝土堿含量小于等于3.0 kg/m3，28 d電通量值小于1 000 C，28 d凍融循環(huán)損失率小于5%。

1.1 原材料

水泥：吉林亞泰山泉有限責(zé)任公司生產(chǎn)的P·O 52.5 低堿水泥；復(fù)合礦物摻合料：阜新金山煤矸石有限責(zé)任公司生產(chǎn)的Ⅰ類粉煤灰，甘肅三積新型材料有限公司有限責(zé)任公司生產(chǎn)的S95級(jí)礦粉，摻加于混凝土中的復(fù)合礦物摻合料采取“50%Ⅰ類粉煤灰+50%S95級(jí)礦粉”；集料：涼水鄉(xiāng)海關(guān)砂廠提供的細(xì)度模數(shù)2.8、含泥量0.8%的中砂，水電十四局4#支洞碎石場(chǎng)提供的粒徑5～20 mm、含泥量0.3%、壓碎指標(biāo)8%的碎石；TB-16聚羧酸高效減水劑：河北同邦抗有限公司提供。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3因素3水平的正交因素表，結(jié)果如表1所示；正交試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表1 正交因素水平表Tab. 1 Factors and levels under investigation

表2 L9(34)正交試驗(yàn)結(jié)果表Tab.2 Experiment arranged according to the L9 (34) orthogonal table

1.2.2拌合物性能測(cè)定

混凝土工作性能依據(jù) GB 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試；硬化混凝土抗壓強(qiáng)度依據(jù) GB 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)試；混凝土的電通量、凍融循環(huán)損失率依據(jù)GB/T 50082—2019《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》方法測(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)制約混凝土硬化強(qiáng)度中水膠比、砂率、復(fù)合礦物摻合料摻量的影響因素和水平進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以28 d的混凝土抗壓強(qiáng)度計(jì)算出極差和方差，具體結(jié)果如表3所示。

表3 L9(34)正交分析的試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Experiment results of L9 (34) orthogonal analysis

由表3可知，水膠比的變化對(duì)混凝土強(qiáng)度的極差影響可以達(dá)到4.6；而砂率的變化對(duì)強(qiáng)度的影響只有1.5，可見水膠比水平比砂率水平影響重要。由此可以得出：

(1)水膠比對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響最大；其次是復(fù)合礦物摻合料摻量，最后是砂率；

王金貴是李光北工作的那家工廠的老板，待人熱情，體恤工人，青瓷和他之間本不該有任何交集，一切皆因李光北生病住院。王金貴提著大包小包的禮品來(lái)看他，而且還親手把一千塊錢塞到青瓷手里，對(duì)她說(shuō)：“好好照顧老李！”

(2)水膠比為0.32時(shí)最為有利，復(fù)合礦物摻合料摻量為20%、砂率為40%時(shí)最為有利；

(3)高性能混凝土高強(qiáng)度條件：水膠比為0.32、復(fù)合礦物摻合料摻量為20%、砂率為40%，此時(shí)混凝土最大強(qiáng)度可達(dá)到64.8 MPa。

2.2 工作性發(fā)展趨勢(shì)

為滿足綠色高性能混凝土的質(zhì)量要求，混凝土自出機(jī)到現(xiàn)場(chǎng)澆筑嚴(yán)格控制在2 h以內(nèi)；新拌混凝土2 h內(nèi)坍落度值的變化對(duì)混凝土施工效率及后期服役過(guò)程中的耐久性至關(guān)重要。在不同水膠比(W1、W2、W3)、復(fù)合礦物摻合料(K1、K2、K3)、砂率(S1、S2、S3)條件下，9種混凝土配合比新拌坍落度值和2 h后坍落度值變化情況如表4、圖1所示。

表4 3水平3因素作用下拌合物變化情況Tab.4 Development of mixture under the influence of three levels and three factors

圖1 新拌混凝土坍落值變化規(guī)律Fig.1 Law of development of slump value of fresh concrete

綜合表4、圖1可知：

(1)新拌混凝土的坍落度值較高。其中W3為230 mm、K3為225 mm，高于設(shè)計(jì)的規(guī)范要求180～220 mm；

(2)對(duì)比不同水膠比、復(fù)合礦物摻合料、不同砂率2 h內(nèi)坍落度變化情況，W2、K2、S2為相同配合比，其中不同水膠比、復(fù)合礦物摻合料、不同砂率坍落度極差變化情況大小依次為W(10 mm)、K(5 mm)、S(0 mm)，即調(diào)整水膠比、復(fù)合礦物摻合料、砂率的變化，這與正交試驗(yàn)得出的結(jié)論一致。

分析相關(guān)規(guī)律，可知其主要原因如下：

(1)新拌混凝土中拌和用水的摻加一方面參與水泥水化反應(yīng)，隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，混凝土強(qiáng)度逐漸增大，后期服役過(guò)程的耐久性逐漸增大。另一方面，水膠比的增大提高了新拌混凝土中自有水，新拌混凝土的流動(dòng)度隨之增大；

(3)由影響混凝土硬化漿體強(qiáng)度的3因素3水平和新拌混凝土早期坍落度值變化規(guī)律可知，砂率變化對(duì)混凝土早期、易性以及后期的耐久性最不敏感，砂率的增大提高了混凝土拌合物中砂子的用量；相較于碎石，砂子蓄水量較大，其與水泥漿的包裹性較好，保持水膠比不變的條件下，砂率增大提高了拌合物中砂子的用量。由于砂子蓄水量較大，拌合物中自由水相對(duì)降低，致使早期混凝土坍落度值減小。

2.3 強(qiáng)度變化情況

標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，混凝土硬化漿體28 d 抗壓強(qiáng)度隨水膠比、復(fù)合礦物摻合料、砂率變化情況如圖2所示。

圖2 混凝土硬化漿體28 d抗壓強(qiáng)度變化情況Fig.2 28 d strength development of hardenedconcrete paste

由圖2可知，分析不同水膠比W1(0.31，20%，40%)、W2(0.32，20%，40%)、W3(0.33，20%，40%)下混凝土硬化漿體變化情況可知，當(dāng)水膠比為0.32時(shí)，強(qiáng)度達(dá)到最大值，W1、W3相較于W2分別為97.68%、83.64%；復(fù)合礦物摻合料不同摻量下強(qiáng)度變化趨勢(shì)如K1(0.32，10%，40%)、K2(0.32，20%，40%)、K3(0.32，30%，40%)所示，隨著復(fù)合礦物摻合料的增加，抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增后降變化趨勢(shì)，復(fù)合礦物摻合料摻量為20%時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值，K1、K3相較于K2分別為91.82%、90.89%；S1(0.32，20%，38%)、S2(0.32，20%，40%)、S3(0.32，20%，42%)為不同砂率下抗壓強(qiáng)度變化情況，提高砂率，抗壓強(qiáng)度呈先增后減的變化趨勢(shì)，砂率為40%時(shí)抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值，S1、S3相較于S2分別為96.14%、96.91%。

對(duì)比圖2中W、K、S混凝土硬化漿體強(qiáng)度變化，其中W2、K2、S2均為同一配合比，且為同組配合比中的最大值；W、K、S中強(qiáng)度的極差值呈 W(10.6 MPa)、K(5.9 MPa)、S(2.5 MPa)，即水膠比發(fā)生變化時(shí)對(duì)強(qiáng)度的影響趨勢(shì)最大；其次是復(fù)合礦物摻合料摻量，最后是砂率的變化值。這與早期工作性、正交試驗(yàn)分析結(jié)果相同。

分析相關(guān)規(guī)律，可知其主要原因如下：

(1)水膠比是制約強(qiáng)度的關(guān)鍵，理想狀態(tài)下水泥完全水化需要的水膠比為0.27，但由于水泥顆粒較細(xì)，極易形成團(tuán)聚現(xiàn)象，水分子形態(tài)也無(wú)法完全支鏈參與水泥完全水化，因此通常高性能混凝土水膠比設(shè)計(jì)不低于0.30；水膠比的增大勢(shì)必會(huì)造成混凝土中自由水的增多，參與水泥水化的自由水蒸發(fā)在混凝土表面或內(nèi)部形成缺陷，繼而影響混凝土的耐久性；水膠比較小時(shí)，混凝土拌合物的粘聚性增大，混凝土的勻質(zhì)性降低，凝結(jié)硬化后的混凝土結(jié)構(gòu)因勻質(zhì)性較低導(dǎo)致服役過(guò)程中耐久性能降低。因此合理范圍內(nèi)適當(dāng)增大水膠比可以提高混凝土強(qiáng)度，增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)服役過(guò)程的耐久性；

(2)復(fù)合礦物摻合料的中粉煤灰和礦粉的比例為1∶1，礦物摻合料早期不參與膠凝組分的水化反應(yīng)，隨著反應(yīng)齡期的增加，混凝土漿體孔溶液堿性隨之增大，此時(shí)礦物摻合料開始參與反應(yīng)，高堿環(huán)境下發(fā)生肢解、重組，生成的水化產(chǎn)物填充于早期水泥水化反應(yīng)的空隙中，提高混凝土硬化漿體整體的密實(shí)性；當(dāng)摻入的礦物摻合料超過(guò)一定限值時(shí)，早期水泥參與水化反應(yīng)生成的有效堿不足以肢解摻入的礦物摻合料，加之礦物摻合料自身水化作用微弱，非強(qiáng)堿環(huán)境下幾乎不參與水化反應(yīng)。因此，適量復(fù)合礦物摻合料的增加有益于混凝土硬化漿體強(qiáng)度的提高；

(3)砂率可以起到調(diào)節(jié)混凝土、易性，作為連接膠凝材料和粗集料的媒介，憑借不同粒徑間的搭配包裹水泥漿體填充于粗骨料的大尺寸空隙中，達(dá)到提升強(qiáng)度的效果。砂率提高帶來(lái)的是混凝土單位體積內(nèi)砂用量的增大，新拌混凝土中水泥漿包裹砂子的能力下降或者不足以包裹增多的砂子，致使膠結(jié)粗骨料的性能下降、最終強(qiáng)度降低。

2.4 凍融性能影響

依據(jù)GB/T 50082—2019《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中試驗(yàn)方法對(duì)混凝土進(jìn)行200次凍融循環(huán)，以檢測(cè)混凝土質(zhì)量損失率。不同水膠比、復(fù)合礦物摻合料不同摻量、不同砂率下200次凍融循環(huán)后質(zhì)量損失率結(jié)果如圖3所示。其中 W 為不同水膠比下混凝土硬化漿體經(jīng)200次凍融循環(huán)后質(zhì)量損失率變化。

圖3 混凝土硬化漿體200次凍融循環(huán)質(zhì)量損失率Fig.3 Mass loss rate of concrete hardened pasteafter 200 freeze-thaw cycles

由圖3可知，隨著水膠比的增大，質(zhì)量損失率呈現(xiàn)先減小后增大趨勢(shì)，當(dāng)水膠比為0.32時(shí)，質(zhì)量損失率值最低，W1、W3相較于W2分別為120.00%、277.65%；復(fù)合礦物摻合料不同摻量下，混凝土硬化漿體經(jīng)200次凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失率變化如 K1、K2、K3所示，其變化趨勢(shì)與不同水膠比下的凍融循環(huán)損失率一致，均為先減后增趨勢(shì)，其中K2配合比，復(fù)合礦物摻合料摻量為20%時(shí)，質(zhì)量損失率最小，K1、K3相較于K2分別為 252.00%、240.00%；S1、S2、S3為不同砂率下的質(zhì)量損失率，當(dāng)砂率為40%時(shí)，質(zhì)量損失率達(dá)到最小值，S1、S3相較于S2分別為 133.00%、123.53%。

對(duì)比圖3中W、K、S 28 d混凝土硬化漿體200次凍融循環(huán)質(zhì)量損失率發(fā)展趨勢(shì)，W2、K2、S2均屬同一配合比，其質(zhì)量損失率相同，W、K、S 質(zhì)量損失率的極差值呈 W(1.51%)、K(1.29%)、S(0.28%)，即水膠比改變對(duì)質(zhì)量損失率影響最大，其次是復(fù)合礦物摻合料不同摻量，最后是砂率，與正交試驗(yàn)、早期工作性、強(qiáng)度的分析結(jié)果相同。凍融循環(huán)質(zhì)量損失率變化一定程度上體現(xiàn)為混凝土強(qiáng)度的穩(wěn)定性，混凝土凝結(jié)強(qiáng)度大，其空隙率較低、微結(jié)構(gòu)密實(shí)度高，歷經(jīng)凍融循環(huán)后，混凝土硬化漿體表面剝蝕率較低，質(zhì)量損失率也就隨之減小。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)通過(guò)正交試驗(yàn)分析結(jié)果可知，水膠比對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響最大。其次是復(fù)合礦物摻合料摻量，再次是砂率；

(2)本次高性能混凝土高強(qiáng)度的配合比條件是水膠比為0.32、復(fù)合礦物摻合料為20%、砂率為40%，此時(shí)混凝土強(qiáng)度達(dá)到64.8 MPa；

(3)水膠比、復(fù)合礦物摻合料摻量、砂率貢獻(xiàn)于混凝土強(qiáng)度的機(jī)理，分別歸結(jié)于混凝土勻質(zhì)性、礦物摻合料處于高堿環(huán)境下的水化、包裹水泥漿膠結(jié)粗骨料性能，高強(qiáng)度下混凝土硬化漿體表面剝蝕率較低，即凍融循環(huán)后質(zhì)量損失率較小。