不同环境作用下高性能混凝土的配合比设计研究*

梁凯，张世荣，乔永平，李贞，武凡，张顺

（1. 广西建筑科学研究设计院，广西 南宁 530011；2. 南宁轨道交通有限责任公司，广西 南宁 530021；3. 广西建设工程质量安全监督总站，广西 南宁 530012；4. 广西大学 环境学院，广西 南宁 530004）

0 引言

高性能混凝土（High Performance Concrete，HPC）是一种以耐久性为目的，兼顾强度、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结构在自然环境、使用环境及材料内部因素作用下保持其工作能力的性能。使用环境中的气体、液体和固体通过扩散、渗透进入混凝土内部，发生物理和化学变化，多数情况下会导致硬化混凝土性能的劣化，最终影响混凝土工程的寿命和安全性[2]。

在以往的工程中，一般只重视混凝土的强度，或片面强调注重高强度而忽略混凝土的耐久性。调查表明，国内一些工业建筑在使用 25～30 年后即需大修，而处于严酷环境下的建筑使用寿命仅 15～20 年。如何提高混凝土的耐久性与国民经济、社会安定、环境保护、可持续发展等问题密切相关，是混凝土材料科学的重大研究课题，也是工程界关注的重大科技问题。因此，针对工程所处环境作用开展高性能混凝土的配合比设计研究，对提高混凝土工程质量及其耐久性具有重要的意义。

1 试验方案及过程

1.1 试验材料

1.2.1 水泥

试验采用华润水泥（南宁）有限公司生产的“红水河牌”P·Ⅱ42.5 级水泥。该水泥的化学成分见表 1，基本物理力学性能见表 2。

表1 水泥的化学成分 %

表2 水泥的物理性能

表3 粉煤灰的性能指标 %

1.2.2 矿物掺合料

本试验所用粉煤灰为 Ⅲ 级粉煤灰，基本性能见表 3。试验所用矿渣为 S75 级，基本性能见表 4。

1.2.3 细骨料

本试验采用的细骨料为钦州河砂，细度模数为 2.6，级配处于 Ⅱ 区。

表4 矿渣的性能指标 %

1.2.4 粗骨料

本试验采用的粗骨料为 5～31.5mm 连续级配的碎石。

1.2.5 外加剂

本试验采用了两种混凝土外加剂，分别为聚羧酸高效减水剂与增效剂。其中聚羧酸高效减水剂的固含量为 15.6%，密度为 1.230g/ml，pH 值为 6.7，减水率为 21.9%。增效剂的密度为 1.005g/ml，pH 值为 10.4，掺量为胶凝材料的 0.6%。

1.2 试验方案

本文拟在研究获得不同强度等级，来应对不同环境作用等级，并具有良好工作性能的高性能混凝土的配合比设计方案，通过采取具有“均匀分散，齐整可比”特点的正交试验设计方法，设计试验方案。强度等级主要由水胶比控制，砂率对新拌混凝土的工作性能具有较大的影响作用，而抵御外界环境侵蚀的能力主要由混凝土内部结构决定。大量研究表明，矿物掺合料的掺入对增强混凝土密实性，提高混凝土耐久性具有明显作用。

因此，本文选择水胶比、粉煤灰掺量、矿渣掺量和砂率等四个配合比参数作为主要因素设计试验方案，其中每个因素取四个水平，各因素和水平的设计情况如表 5 所示，水胶比的选择依次对应 C30、C35、C40、C50 四个强度等级。

表5 正交设计表

控制单方用水量为 180kg/m3，通过参考 JGJ55—2011《普通混凝土配合比设计规程》[3]计算其它原材料用量，各组配合比使用的增效剂掺量为胶凝材料的 0.6%，通过调节高效减水剂的用量，使混凝土坍落度控制在 180～240mm，每组混凝土详细理论配合比见表 6。

表6 混凝土的理论配合比 kg/m3

1.3 试验方法

在标准养护室养护至 7d、28d、56d 后分别进行抗压强度测试，具体按照 GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》[4]进行，采用的试件尺寸为150mm×150mm×150 mm。

此外，还对混凝土进行耐久性试验测试，包括 56d 龄期抗氯离子渗透性及 28d 龄期混凝土碳化，验证试验仅开展碳化深度试验。抗氯离子渗透性按照 ASTM C1202–97 试验法[5]进行，碳化试验参照 GB/T50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》[6]进行。

2 试验结果与分析

将在不同龄期下测得的混凝土抗压强度数据、氯离子电通量及碳化深度数据列于表 7 中。

表7 混凝土力学性能与耐久性能

2.1 力学性能

表7 数据表明，试配的混凝土均能满足设计强度等级要求。从不同龄期抗压强度的增长趋势分析，各强度等级 7d 强度值为 28d 强度值的 58%～83%，其中，单掺粉煤灰的混凝土试块早期强度发展速度相对较大。龄期为 56d 时，各组混凝土的抗压强度值为 28d 强度值的 101%～120% 之间。低强度等级（C30 与 C35）下，复掺粉煤灰和矿渣的混凝土 28d强度大于单掺粉煤灰的混凝土。

2.2 耐久性能

从表 7 中的数据可以看出，随着混凝土强度等级的提高，混凝土电通量及碳化深度整体逐渐降低，即抗氯离子渗透性能与抗碳化性能有所提高。另外，随着碳化时间的增加，混凝土的碳化深度也相应增加，但因矿物掺合料的活性逐渐发挥作用，使得混凝土的结构更为密实，因而其碳化深度增加不是很大。总体来说，相同的水胶比条件下，单掺粉煤灰的试块碳化深度比双掺粉煤灰及矿渣低，具有更佳的抗碳化性能。因此，从抗碳化性能的角度来看，在保证获得足够强度及其它耐久性能的情况下，可适当减少矿物掺合料的种类及用量。

根据《客运专线高性能混凝土暂行技术条件》[7]，对混凝土的电通量做出了定量指标要求，综合统计见表 8。

表8 不同混凝土的电通量指标 C

通过本文的试验结果，对照表 8，结果表明在各强度等级下，均有能够满足普通条件下、碳化环境及氯盐侵蚀环境下混凝土 60～100 年使用年限的配合比。在本文提出的配合比设计中，采用的矿物掺合料最大掺量为 45%（粉煤灰 25%+矿渣 20%），最低掺量为粉煤灰 10%，并通过添加具有良好性能的外加剂，从而获得符合各种条件要求的高性能混凝土。在实际情况下，可以根据不同的侵蚀环境作用，综合原材料性能及经济成本应该考虑选择不同的配合比。

2.3 正交分析

本文采用正交分析的方法对混凝土抗压强度的影响因素进行讨论，计算各因素的极差，比较各影响因素的主次顺序，具体见表 9。

表9 极差分析表

从表 9 中可以看出，影响 28d 抗压强度的主次顺序为水胶比＞砂率＞矿粉掺量＞粉煤灰掺量，28d 氯离子电通量因素的主次顺序为水胶比＞粉煤灰掺量＞矿粉掺量＞砂率，而影响碳化深度因素的主次顺序水胶比＞矿粉掺量＞砂率＞粉煤灰掺量。

此外，本文还经过方差分析讨论各因素对混凝土抗压强度的影响程度，结果见表 10。

表10 混凝土性能影响因素显著性分析

表10 中的正交分析数据表明，水胶比对混凝土力学性能及耐久性能存在显著的影响，这主要是由于混凝土中的水量越少，在水泥水化后，其原来所占的体积变为空隙，混凝土密实性增大，进而混凝土各项性能有所提高。粉煤灰作为一种常用的矿物掺合料，其具有的形态效应、微集料效应和活性效应可以进一步提高混凝土内部的密实度，对提高抗压强度及抗氯离子渗透性均有较好的作用；但是对于抗碳化作用，由于过多的粉煤灰在二次反应中消耗掉大量可碳化物质，使得混凝土碱储备和液相碱溶液碱度降低，混凝土吸收CO2的能力降低，碳化中和作用的过程时间减少，最终导致混凝土抗碳化能力的降低[8]。由于矿渣活性较低，水化速度较慢，只有在后期才能发挥其活性效应，且本试验中的掺量差异不大，因此其对混凝土性能影响不太显著。砂率主要是影响新拌混凝土的工作性能，对其它性能的影响并不明显。

3 结论

（1）本文通过采用较低掺量的粉煤灰及矿渣，掺入适量的高效减水剂及增效剂，配制出了符合设计强度等级，且具有较好耐久性的高性能混凝土；

（2）不同强度等级下，本文提出的配合比均可以满足不同环境类别及作用等级的混凝土进行选用；

（3）水胶比对高性能混凝土力学性能及耐久性能均具有非常显著的影响，矿粉掺量及砂率的影响较小。

[1]吴中伟，廉慧珍．高性能混凝土[M]．北京：中国铁道出版社，1999．

[2]姚燕．高性能混凝土的体积变形及裂缝控制[M]．北京：中国建筑工业出版社，2011．

[3]JGJ55—2011．普通混凝土配合比设计规程[S]．

[4]GB/T 50081—2002．普通混凝土力学性能试验方法[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．混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准[S]．

[7]客运专线高性能混凝土暂行技术条件 ．科技基[2005]101号．

[8]Mehta[美]著，祝永年， 沈威等译．混凝土材料、性能与结构[M]．上海：同济大学出版社, 1991．