隧道衬砌高性能混凝土基准配合比优选试验研究

王海彦 秦 伟 战启芳

（石家庄铁路职业技术学院 河北石家庄 050041）

隧道衬砌高性能混凝土基准配合比优选试验研究

王海彦 秦 伟 战启芳

（石家庄铁路职业技术学院 河北石家庄 050041）

高性能混凝土配合比设计是保证工程质量的重要环节，也是实现混凝土高性能的主要方面之一。采用正交试验的级差分析法比较了水胶比、砂率、减水剂品种三种因素对高性能混凝土强度的影响情况。根据试验结果，并结合工程实际，确定最佳的减水剂品种、合适的水胶比和砂率值，进而优化了高性能混凝土的配合比。

高性能混凝土 正交试验 极差分析法 配合比 抗压强度

1 引言

高性能混凝土是采用现代混凝土配制技术，通过选用优质原材料如水泥和集料，再掺加足够数量的矿物掺合料和高效减水剂，以获得工作性、力学性和耐久性均良好的新型混凝土。高性能混凝土的基准配合比设计，一直以来没有一种大家公认的设计方法，只有一个指导性原则[1]。

很多研究成果表明，影响高性能混凝土性能的主要因素有：胶凝材的种类及用量、砂石料的性质、水胶比、砂率、外加剂，以及高性能混凝土的养生方式等。但在实际工程中往往胶凝材的用量是一定的，砂石料从当地就近选用，且养生方式都按一般规定进行，所以可以调整的因素只有水胶比、砂率的大小以及外加剂的种类。

本试验为了比较水胶比、砂率、减水剂品种三种因素对高性能混凝土性能的影响情况，拟对C30隧道衬砌混凝土采用3因素3水平的正交试验方法确定其最佳基准配合比，进而研究水胶比、砂率、减水剂品种对混凝土性能影响的程度。

2 影响混凝土强度的因素

（1）水胶比

水胶比是影响高性能混凝土强度及耐久性的极其重要的指标。水的主要作用是：为胶凝材的水化反应提供结合水，保证高性能混凝土在施工过程中必要的工作性能。水胶比过大时，虽然混凝土具有很好的流动性，但会牺牲其黏聚性和保水性，导致混凝土内部毛细管孔隙过大，严重影响混凝土的强度和耐久性；相反若混凝土的水胶比过小时，混凝土流动性差，在浇筑的过程中难以振捣密实，同时还会妨碍水泥水化反应的进行。只有采用合适的水胶比才能保证混凝土在具有良好的工作性的同时具有较高的强度和良好的耐久性[2]。

（2）砂率

砂率直接影响混凝土的和易性以及混凝土的强度。如果砂率过小，细集料的数量过少就无法密实的填补粗集料之间的空隙，多余的空隙就全部由水泥浆体来填充，混凝土的强度不能得到最大程度的提高，倘若水泥浆体的不足以填补粗、细集料之间的空隙，就导致混凝土的和易性以及密实性都相应的不足，严重影响混凝土的强度以及耐久性。由于砂子的比表面积较大，如果砂率过大，就会导致砂子表面需要覆盖的水泥浆量增大，水泥浆量相对就显得不足，混凝土强度及耐久性也同样不能得到保证[3]。

（3）减水剂

减水剂与水泥的品种的适应性是减水剂效果能够得到最大发挥的一个很重要的条件，同时砂率的大小对减水剂的效果的影响也是十分显著的。

3 混凝土配合比初步设计

采用低水胶比、低用水量和高效减水剂是实现高性能混凝土的必要途径。隧道二衬混凝土通常设计为C30强度等级的混凝土，为了减少水泥用量，实现低碳经济的目的，胶凝材用量控制在360kg/m3，胶凝材中水泥基体占55%、粉煤灰占15%、矿粉占30%。考虑到混凝土的耐久性能，水胶比（W/B）受到严格的限制，其对应的1、2、3水平分别为0.42、0.43、0.44；根据经验选取的砂率的3个试验水平分别为41%、42%、43%；减水剂同时也有3个品种，在试验时减水剂使用量均为1%，相应的3个品种为北方牌减水剂、洪盟牌减水剂以及万砼牌减水剂，混凝土容重取2400kg/m3，拟配C30混凝土配合比初步设计方案见表1。

表1 C30混凝土配合比设计方案

4 正交试验方案确定

在实际工程中，为了寻求合理的配合比，实验室往往需要同时考察3个以上的试验因素。若进行全面试验，则试验的规模及数量很大，因试验条件和人员的限制而难于一一完成。正交试验设计就是安排多因素试验、寻求最优水平组合的一种高效率试验设计方法[4]。

正交设计就是从所有水平组合中挑选出有代表性的部分水平组合来进行试验。以3因素3水平正交试验为例，从正交试验表中27个试验点中挑选出来9个试验点如表2所示。根据极差Tj的大小，可以判断各因素对试验指标的影响主次。Tj越大表明该因素对试验指标影响程度越大，其重要程度也就越高。

表2 混凝土配合比设计正交试验方案

判断出各因素影响的强弱程度以后，就可以比较各因素内各水平的优劣，例如比较c因素的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ水平时，把a、b视为对c的各水平的影响是大体相同的，然后比较c因素各水平的影响情况，选出最优的水平。同理可以选出a、b因素的最优水平，然后将它们组合起来即为最优的试验方案。

5 试验原材料

（1）水泥：辽宁大连小野田水泥厂生产的PO42.4普通硅酸盐水泥，3d抗压强度33.6MPa，28d抗压强度56.4MPa，初凝160min，终凝210min。

（2）粉煤灰：采用辽宁本溪电厂Ⅱ级粉煤灰，比表面积500m2/kg，需水量比0.96，烧失量2.4%，SO3含量0.54%。

（3）矿粉：采用辽宁本溪钢铁厂S95矿粉，比表面积450m2/kg，7d活性指数79%、28d活性指数111%，需水量比0.98、烧失量0.57%、SO3含量2.69%。

（4）细骨料：选用Ⅱ区中粗砂，细度模数2.6，含泥量1.80%，表观密度2630kg/m3，堆积密度1281kg/m3，空隙率40%。

（5）粗骨料：采用连续级河卵石作为粗骨料，含泥量0.50%，压碎指标4.70%，针、片状颗粒含量6.10%，表观密度2616kg/m3，堆积密度1560kg/m3，空隙率41%，吸水率1.3%。

（6）拌合水和减水剂：拌合水为洁净自来水；本试验分别选用丹东北方牌洪盟减水剂、沈阳洪盟洪盟减水剂以及沈阳万砼牌洪盟减水剂，采用净浆试验测试各种减水剂的减水率如表6所示。

表6 各种减水剂的减水率试验结果

6 试验结果与分析

通过对选出9组不同配方的混凝土在不同龄期的抗压强度试验，根据试验结果，优选C30混凝土基准配合比，试验结果见表7，对试验结果的分析见表8。

表7 C30混凝土抗压强度正交试验结果

表8 C30混凝土抗压强度正交试验结果分析

由表9中对试验结果的分析可知：

（1）减水剂的品种对高性能混凝土强度影响很大，砂率对不同品种减水剂的影响也相差很大，根据本次试验可知在41%~43%的砂率范围内洪盟减水剂的效果最为理想。所以在一定的水泥品种和砂率范围内，只有选择合适的减水剂品种才能达到既减少拌和用水量又保证混凝土强度的目的。

（2）由于本次试验水胶比受制于实际生产情况，变动范围很小，最大值与最小值仅相差0.2，因而不能明显体现出水胶比对高性能混凝土强度的影响。但从试验结果来看水胶比为0.42的高性能混凝土强度明显高于水灰比为0.43和0.44的高性能混凝土，所以从混凝土耐久性的长远角度考虑选用0.42的水胶比。

7 结论

（1）通过对各龄期（3天龄期除外）高性能混凝土强度的级差大小的比较，可以发现在三个影响因素中，对混凝土强度的影响由大到小依次为减水剂品种、砂率、水胶比；

（2）通过各龄期混凝土强度均值比较可见：水胶比0.42的混凝土强度最高，水胶比0.44的混凝土强度最低，由此可见水胶比对混凝土的抗压强度有直接的影响；

（3）对于减水剂品种的影响因素中，最好的指标是水平Ⅱ，即沈阳洪盟牌减水剂，由此可见混凝土宜采用减水率为26%左右的高效减水剂；

（4）对于砂率的影响因素中，在3、7d龄期各水平的影响不是十分明显，但是在28、56d龄期Ⅲ水平混凝土的强度明显高于其它两个水平，即认为43%的砂率是最好的指标。

通过本次正交试验的级差分析法考察了水胶比、砂率、减水剂品种3种因素对混凝土强度的影响情况，最终得出在本次试验条件下各因素影响程度由大到小依次为减水剂品种、砂率、水胶比。最终找出拟配C30混凝土最佳配合比：洪盟牌减水剂1%，43%的砂率及0.42的水胶比，这个组合有效地保证了能混凝土的强度并兼顾了其耐久性。

[1]何世钦,王海超.高性能混凝土配合比设计的正交试验研究[J],工业建筑,2003,33(8 )

[2]赵国堂,李化建.高速铁路高性能高性能混凝土应用管理技术[M],中国铁道出版社,2009

[3]马安,杨芝勇. C60高性能高性能混凝土试验研究及应用[J],混凝土与水泥制品,2009(6)

[4]中建筑科学研究院.普通混凝土配合比设计规程（JGJ 55-2000）[S],北京,2001

[5]魏秀军,焦亚明,管洪海.聚羧酸减水剂JN在普通高性能混凝土中的应用研究[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

王海彦（1975－），河北张北人，博士，教授，研究方向隧道及地下工程。