高耐久性混凝土優化配比試驗研究

潘自林，顧靖超，陸立國

（1.寧夏水利工程建設中心，銀川750004；2.寧夏水利科學研究院，銀川750021）

0 引 言

陜甘寧革命老區供水工程受益范圍為寧夏鹽池縣、同心縣，甘肅環縣和陜西定邊縣，部分解決了人、畜飲水問題、發展了灌溉農業、改善了生態環境。三省區共用工程已運行近二十年，由于先天不足和投運后效益低下，工程設施、設備得不到及時與全面的維修和更新改造，水工建筑物年久失修，工程帶病帶險運行，安全隱患較多［1］。

2016年，李克強總理在寧夏考察調研期間，明確大力支持實施鹽環定揚黃工程更新改造，盡快完成工程建設并發揮效益，為鹽環定革命老區、貧困地區脫貧致富提供水利保障。

田樹民［2］通過室內硫酸鹽干濕循環加速試驗結果認為粉煤灰對于提高混凝土受硫酸鹽干濕循環腐蝕的宏觀性能效果最好。郭飛［3］開展的西北鹽漬土地區混凝土耐久性試驗結果認為水膠比越小，混凝土耐久性能越好。蘇志欣［4］實驗結果表明：摻防腐劑并沒有明顯提高抗蝕能力，抗硫水泥抗氯離子侵入性難以滿足耐久性要求。許遠榮等［5］試驗結果表明：雙摻粉煤灰和礦粉可大大提高混凝土的耐久性能。聶慶科等［6］開展的混凝土耐久性和抗硫酸鹽腐蝕試驗結果表明：摻粉煤灰的混凝土抗硫酸鹽性能要明顯優于摻礦粉，但隨摻合料摻量增加，試件抗硫酸鹽性能稍有下降；對于抗硫酸鹽，礦物摻合料優選的排序為：粉煤灰＞S95 礦粉＞S75 礦粉；在硫酸鹽侵蝕較嚴重的地區，混凝土中粉煤灰摻量應以20%為限，S95礦粉不應超過30%。

結合更新改造工程的環境特點，以工程耐久性為目標，綜合考慮工作性、耐久性和力學性能初步配制高性能混凝土；在各項性能試驗的基礎上，分析各影響因素，調整和優化混凝土配合比，提高工程質量提供保障。

1 配合比設計原則

混凝土強度耐蝕系數統一為KS150、混凝土強度等級為C30～C40、混凝土抗滲等級W6～W8、抗凍等級F200，設計性能指標詳見表1。

表1 配合比設計性能指標Tab.1 Performance index of mix ratio design

（1）結構設計強度。根據《水工混凝土試驗規程（SL 352-2006）》［7］選擇強度標準差。C30 混凝土的配制強度?cu，0=?cu，k+tб=30.0+1.645×4.5=37.4 MPa；C40 混凝土的配制強度?cu，0=?cu，k+tб=40.0+1.645×5.0=48.2 MPa。

（2）混凝土耐久性。根據《水工混凝土結構設計規范》（DL/T 5057-2009）［8］，環境條件類別應屬于強腐蝕環境（五類），對應的最大水灰（膠）比為0.40，最小水泥（膠材）用量為360 kg/m3。

（3）坍落度。鎮墩混凝土配合比拌合物的坍落度控制在60～80 mm 范圍內，其余混凝土配合比拌合物的坍落度控制在140～160 mm 范圍內，引氣混凝土的含氣量控制在3.5%～5.5%，碎石比例為（5～10 mm）∶（10～20 mm）∶（20～40 mm）=3∶2∶5。

2 試驗設計

試驗時混凝土的水灰比（水膠比）以骨料在飽和面干狀態下的混凝土單位用水量對單位膠凝材料用量的比值為準。混凝土各項性能試驗主要按《水工混凝土試驗規程》以及《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準（GB/T 50082-2009）》［9］進行。水膠比必須同時滿足混凝土結構強度和耐久性的要求。試驗混凝土配合如表2所示。

表2 混凝土優化配合比及拌合物性能Tab.2 Optimization mix proportion of concrete and performance of mixture

綜合分析水膠比、水泥品種、含氣量、摻合料品種及其配比對混凝土工作性、強度、抗滲、抗凍、抗碳化以及抗氯離子和硫酸鹽侵蝕等耐久性能的影響，開展了各配合比的工作性能、力學性能、干縮變形性能、不同膠材組合的水化熱、抗滲、抗凍、碳化、氯離子滲透、硫酸鹽侵蝕等耐久性能的試驗。

3 混凝土配合比性能試驗

3.1 混凝土的工作性能

混凝土工作性能試驗結果詳見表3。

表3 各配合比混凝土的工作性能Tab.3 Working performance of concrete with different mix proportion

單獨使用水泥且未引氣時（NHPC-8），拌合物稍有泌水；復摻礦粉、粉煤灰拌合物狀態更佳，但礦粉摻量達到40%后（NHPC-5、NHPC-12、NHPC-12）拌合物黏性明顯增加；各配合比初凝在6 h∶20 min～8 h∶50 min之間，終凝在7 h∶40 min～10 h∶20 min之間，可以滿足施工要求；1 h坍落度損失在35～50 mm之間，現場施工組織需合理安排運距，減少混凝土罐車運輸時間以確保混凝土的可泵性。

圖1 混凝土強度-水膠比關系Fig.1 Relationship between concrete strength and water-binder ratio

圖2 混凝土強度-粉煤灰摻量關系Fig.2 Relationship between concrete strength and fly ash content

3.2 混凝土的抗壓強度

各配合比混凝土的力學性能詳見表4。選定的水膠比范圍內，混凝土強度可覆蓋C30～C40 的設計強度等級要求，膠凝材料組成相同時，隨水膠比的增大，混凝土各齡期的強度降低；同水膠比時，隨粉煤灰摻量的增加，混凝土各齡期的強度降低。

表4 各配合比混凝土的力學性能Tab.4 Mechanical properties of concrete with different mix proportion

3.3 混凝土干縮變形性能

綜合水膠比、粉煤灰摻量和含氣量對混凝土干燥收縮性能的影響，試驗結果見表5和圖3。

表5 各配合比混凝土的干縮性能Tab.5 Dry shrinkage performance of concrete of each mixture ratio

圖3 混凝土干燥收縮曲線Fig.3 Drying shrinkage curve of concrete

隨著水膠比的增加，混凝土的干燥收縮隨之減小；復摻礦粉和粉煤灰的混凝土干燥收縮小；隨粉煤灰摻量增加，收縮變小；引氣混凝土干縮率略大。

3.4 膠凝材料配伍的水化熱

6 種膠凝材料配伍的3 d 和7 d 齡期水化熱，結果見表6，其水化放熱速率見圖4。

表6 不同膠凝材料配伍水化熱結果Tab.6 Hydration heat results of different cementitious materials compatibility

圖4 水化速率曲線Fig.4 Hydration rate curve

普硅水泥和抗硫水泥的水化熱接近，加入摻合料后膠凝材料水化熱明顯降低。對普硅水泥，不同比例的膠材組合水化熱可降低33.5%～38.5%（3 d）和23.9%～30.3%（7 d）；對抗硫水泥，不同比例的膠材組合水化熱可降低30.6%（3 d）和23.7%（7 d）。摻合料中粉煤灰比例越大，水化熱越小；加入摻合料后水化速率曲線中放熱峰較平緩，可以降低集中放熱引起應力與混凝土早期強度不匹配而導致開裂的風險。

3.5 抗滲性能

環境已達到強腐蝕等級，抗滲試驗中滲水壓力選擇為1.3 MPa。依照《水工混凝土試驗規程》進行了各配合比的抗滲性能試驗，所有配合比均逐級加壓至1.3 MPa。試驗中混凝土試件無一透水。混凝土的平均滲水高度和抗滲等級見表7和圖5。

表7 不同配合比混凝土的抗滲性能Tab.7 Impermeability of concrete with different mix ratios

圖5 混凝土的滲水高度Fig.5 Seepage height of concrete

隨著水膠比的降低，混凝土滲水高度減小；水膠比相同時，復摻摻合料的混凝土較單獨使用水泥的混凝土滲水高度更低；引氣混凝土的滲水高度更低。在試驗的水膠比范圍之內，各配合比抗滲性能優異，超過W12，且各配合比最大平均滲水高度只有試件高度的75%左右，其實際抗滲等級應該更高，超過《水工混凝土耐久性技術規范（DL/T 5241-2010）》［10］對中等腐蝕環境下混凝土的抗滲等級要求。

3.6 抗碳化性能

依照《水工混凝土試驗規程》進行了各配合比的加速碳化試驗，試驗結果見表8、圖6。

表8 不同配合比混凝土的抗碳化性能Tab.8 Carbonation resistance of concrete of different proportions

圖6 不同配合比混凝土的抗碳化性能Fig.6 Carbonation resistance of concrete with different mix ratios

隨著水膠比的增加，混凝土的抗碳化性能逐漸下降；在強度等級、水膠比相同的條件下，粉煤灰摻量高的混凝土碳化深度略高；引氣混凝土與非引氣混凝土、抗硫水泥與普硅水泥混凝土的碳化深度基本一致。

根據《混凝土耐久性檢驗評定標準（JGJ/T 193-2009）》［11］，在快速碳化試驗中，若28 d 碳化深度小于20 mm 的混凝土，其抗碳化性能較好，一般認為可滿足大氣環境下50 a 的耐久性要求。

3.7 抗凍性能

依照《水工混凝土試驗規程》進行了各配合比的抗凍性能試驗，試驗齡期為90 d，試驗結果見表9、圖7～圖8。

表9 各配合比混凝土的抗凍性能Tab.9 Frost resistance of concrete of each mixture ratio

圖7 各配合比混凝土的抗凍性能（相對動彈模）Fig.7 Frost resistance of concrete of each mixture ratio（relative dynamic mold）

圖8 各配合比混凝土的抗凍性能（質量損失）Fig.8 Frost resistance of concrete of each mixture ratio（mass loss）

對設計強度C30的配合比，經200次凍融循環后，各配合比最小相對動彈模為84.2%，質量損失最大為2.1%；對設計強度C40 的配合比，經250 次凍融循環后，各配合比最小相對動彈模為83.8%，質量損失最大為2.4%，依據相對動彈模下降至60%及質量損失5%的條件判斷，各配合比均達到或超過F200 的抗凍等級要求。

3.8 抗硫酸鹽侵蝕性能

依照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》進行了各配合比的硫酸鹽侵蝕性能，試驗齡期選為56 d，試驗結果見表10。

表10 各配合比混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能Tab.10 Sulphate resistance of concrete of each mixture ratio

根據《鐵路混凝土結構耐久性設計規范（TB10005-2010）》［12］，處于硫酸鹽結晶破壞Y-3 環境作用等級（環境水中硫酸根離子濃度為2 000～5 000 mg/L）下的混凝土，若要滿足100 a的設計耐久性要求，其56 d齡期混凝土抗硫酸鹽結晶破壞等級≥KS150。

對混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能而言，抗硫水泥表現好于普通水泥；普硅水泥混凝土達不到KS60，抗硫水泥引氣混凝土可以達到KS90；隨著水膠比、粉煤灰摻量的增加，混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能降低；為達到KS150，對普硅水泥混凝土，礦粉摻量不宜小于40%；對抗硫水泥混凝土，礦粉摻量可降低至30%；引氣混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能高于非引氣混凝土。

3.9 抗氯離子滲透性能

依照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》進行了各配合比的抗氯離子滲透性能（氯離子擴散系數和電通量）。考慮到大部分配合比中摻合料比例達到或超過50%，試驗齡期選為56和84 d。試驗結果見表11。

表11 各配合比混凝土的抗氯離子滲透性能Tab.11 Chloride ion permeability resistance of concrete of each mixture ratio

普硅水泥和抗硫水泥的抗氯離子滲透性能接近，復摻礦粉和粉煤灰可大幅提高混凝土的抗氯離子滲透性能；隨著水膠比的增加，混凝土的抗氯離子滲透性能降低；引氣混凝土的抗氯離子滲透性能高于非引氣混凝土。

根據《鐵路混凝土結構耐久性設計規范》，處于氯鹽L-2 環境作用等級（環境水中氯離子濃度為500～5 000 mg/L）下的混凝土，若要滿足100 a 的設計耐久性要求，其56 d 齡期混凝土氯離子擴散系數DRCM＜5.0×10-12m2/s；對C30～C45 的強度等級，56 d齡期混凝土的電通量小于1 200 C。試驗結果表明，對于水膠比小于等于0.37，膠凝材料配伍為50%水泥+30%礦渣+20%粉煤灰的混凝土，56 d 齡期混凝土氯離子擴散系數最大為3.7×10-12m2/s；電通量最大值841 C，均為可滿足100 a 設計耐久性要求的氯離子擴散系數和電通量要求。

4 結 論

（1）配合比的性能試驗結果表明，水泥與礦粉、粉煤灰配比時，抗硫水泥混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能仍優于普硅水泥混凝土，但優勢顯著減小。

（2）隨著水膠比的降低，混凝土的耐久性提升，但不利于混凝土的工作性，同時混凝土的干縮增大，干縮開裂的危險性提高。

（3）各配合比的抗滲、抗碳化、抗凍性能優異，復摻礦粉和粉煤灰同時大幅提高了混凝土的抗氯離子滲透性能。

（4）水膠比0.31，50%普硅42.5 水泥復摻30%礦粉+20%粉煤灰的引氣混凝土配合比，抗碳化性能可滿足大氣環境下（碳化）50 a 的耐久性要求；抗硫酸鹽侵蝕環境（Y3）下設計使用年限級別為100 a；氯鹽環境（L2）下設計使用年限級別為100 a。