高耐久性混凝土优化配比试验研究

2021-08-07潘自林顾靖超陆立国

中国农村水利水电 2021年7期

潘自林，顾靖超，陆立国

（1.宁夏水利工程建设中心，银川750004；2.宁夏水利科学研究院，银川750021）

0 引言

陕甘宁革命老区供水工程受益范围为宁夏盐池县、同心县，甘肃环县和陕西定边县，部分解决了人、畜饮水问题、发展了灌溉农业、改善了生态环境。三省区共用工程已运行近二十年，由于先天不足和投运后效益低下，工程设施、设备得不到及时与全面的维修和更新改造，水工建筑物年久失修，工程带病带险运行，安全隐患较多［1］。

2016年，李克强总理在宁夏考察调研期间，明确大力支持实施盐环定扬黄工程更新改造，尽快完成工程建设并发挥效益，为盐环定革命老区、贫困地区脱贫致富提供水利保障。

田树民［2］通过室内硫酸盐干湿循环加速试验结果认为粉煤灰对于提高混凝土受硫酸盐干湿循环腐蚀的宏观性能效果最好。郭飞［3］开展的西北盐渍土地区混凝土耐久性试验结果认为水胶比越小，混凝土耐久性能越好。苏志欣［4］实验结果表明：掺防腐剂并没有明显提高抗蚀能力，抗硫水泥抗氯离子侵入性难以满足耐久性要求。许远荣等［5］试验结果表明：双掺粉煤灰和矿粉可大大提高混凝土的耐久性能。聂庆科等［6］开展的混凝土耐久性和抗硫酸盐腐蚀试验结果表明：掺粉煤灰的混凝土抗硫酸盐性能要明显优于掺矿粉，但随掺合料掺量增加，试件抗硫酸盐性能稍有下降；对于抗硫酸盐，矿物掺合料优选的排序为：粉煤灰＞S95 矿粉＞S75 矿粉；在硫酸盐侵蚀较严重的地区，混凝土中粉煤灰掺量应以20%为限，S95矿粉不应超过30%。

结合更新改造工程的环境特点，以工程耐久性为目标，综合考虑工作性、耐久性和力学性能初步配制高性能混凝土；在各项性能试验的基础上，分析各影响因素，调整和优化混凝土配合比，提高工程质量提供保障。

1 配合比设计原则

混凝土强度耐蚀系数统一为KS150、混凝土强度等级为C30～C40、混凝土抗渗等级W6～W8、抗冻等级F200，设计性能指标详见表1。

表1 配合比设计性能指标Tab.1 Performance index of mix ratio design

（1）结构设计强度。根据《水工混凝土试验规程（SL 352-2006）》［7］选择强度标准差。C30 混凝土的配制强度ƒcu，0=ƒcu，k+tб=30.0+1.645×4.5=37.4 MPa；C40 混凝土的配制强度ƒcu，0=ƒcu，k+tб=40.0+1.645×5.0=48.2 MPa。

（2）混凝土耐久性。根据《水工混凝土结构设计规范》（DL/T 5057-2009）［8］，环境条件类别应属于强腐蚀环境（五类），对应的最大水灰（胶）比为0.40，最小水泥（胶材）用量为360 kg/m3。

（3）坍落度。镇墩混凝土配合比拌合物的坍落度控制在60～80 mm 范围内，其余混凝土配合比拌合物的坍落度控制在140～160 mm 范围内，引气混凝土的含气量控制在3.5%～5.5%，碎石比例为（5～10 mm）∶（10～20 mm）∶（20～40 mm）=3∶2∶5。

2 试验设计

试验时混凝土的水灰比（水胶比）以骨料在饱和面干状态下的混凝土单位用水量对单位胶凝材料用量的比值为准。混凝土各项性能试验主要按《水工混凝土试验规程》以及《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准（GB/T 50082-2009）》［9］进行。水胶比必须同时满足混凝土结构强度和耐久性的要求。试验混凝土配合如表2所示。

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

综合分析水胶比、水泥品种、含气量、掺合料品种及其配比对混凝土工作性、强度、抗渗、抗冻、抗碳化以及抗氯离子和硫酸盐侵蚀等耐久性能的影响，开展了各配合比的工作性能、力学性能、干缩变形性能、不同胶材组合的水化热、抗渗、抗冻、碳化、氯离子渗透、硫酸盐侵蚀等耐久性能的试验。

3 混凝土配合比性能试验

3.1 混凝土的工作性能

混凝土工作性能试验结果详见表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

单独使用水泥且未引气时（NHPC-8），拌合物稍有泌水；复掺矿粉、粉煤灰拌合物状态更佳，但矿粉掺量达到40%后（NHPC-5、NHPC-12、NHPC-12）拌合物黏性明显增加；各配合比初凝在6 h∶20 min～8 h∶50 min之间，终凝在7 h∶40 min～10 h∶20 min之间，可以满足施工要求；1 h坍落度损失在35～50 mm之间，现场施工组织需合理安排运距，减少混凝土罐车运输时间以确保混凝土的可泵性。

图1 混凝土强度-水胶比关系Fig.1 Relationship between concrete strength and water-binder ratio

图2 混凝土强度-粉煤灰掺量关系Fig.2 Relationship between concrete strength and fly ash content

3.2 混凝土的抗压强度

各配合比混凝土的力学性能详见表4。选定的水胶比范围内，混凝土强度可覆盖C30～C40 的设计强度等级要求，胶凝材料组成相同时，随水胶比的增大，混凝土各龄期的强度降低；同水胶比时，随粉煤灰掺量的增加，混凝土各龄期的强度降低。

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

3.3 混凝土干缩变形性能

综合水胶比、粉煤灰掺量和含气量对混凝土干燥收缩性能的影响，试验结果见表5和图3。

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

图3 混凝土干燥收缩曲线Fig.3 Drying shrinkage curve of concrete

随着水胶比的增加，混凝土的干燥收缩随之减小；复掺矿粉和粉煤灰的混凝土干燥收缩小；随粉煤灰掺量增加，收缩变小；引气混凝土干缩率略大。

3.4 胶凝材料配伍的水化热

6 种胶凝材料配伍的3 d 和7 d 龄期水化热，结果见表6，其水化放热速率见图4。

表6 不同胶凝材料配伍水化热结果Tab.6 Hydration heat results of different cementitious materials compatibility

图4 水化速率曲线Fig.4 Hydration rate curve

普硅水泥和抗硫水泥的水化热接近，加入掺合料后胶凝材料水化热明显降低。对普硅水泥，不同比例的胶材组合水化热可降低33.5%～38.5%（3 d）和23.9%～30.3%（7 d）；对抗硫水泥，不同比例的胶材组合水化热可降低30.6%（3 d）和23.7%（7 d）。掺合料中粉煤灰比例越大，水化热越小；加入掺合料后水化速率曲线中放热峰较平缓，可以降低集中放热引起应力与混凝土早期强度不匹配而导致开裂的风险。

3.5 抗渗性能

环境已达到强腐蚀等级，抗渗试验中渗水压力选择为1.3 MPa。依照《水工混凝土试验规程》进行了各配合比的抗渗性能试验，所有配合比均逐级加压至1.3 MPa。试验中混凝土试件无一透水。混凝土的平均渗水高度和抗渗等级见表7和图5。

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

图5 混凝土的渗水高度Fig.5 Seepage height of concrete

随着水胶比的降低，混凝土渗水高度减小；水胶比相同时，复掺掺合料的混凝土较单独使用水泥的混凝土渗水高度更低；引气混凝土的渗水高度更低。在试验的水胶比范围之内，各配合比抗渗性能优异，超过W12，且各配合比最大平均渗水高度只有试件高度的75%左右，其实际抗渗等级应该更高，超过《水工混凝土耐久性技术规范（DL/T 5241-2010）》［10］对中等腐蚀环境下混凝土的抗渗等级要求。

3.6 抗碳化性能

依照《水工混凝土试验规程》进行了各配合比的加速碳化试验，试验结果见表8、图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

图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

随着水胶比的增加，混凝土的抗碳化性能逐渐下降；在强度等级、水胶比相同的条件下，粉煤灰掺量高的混凝土碳化深度略高；引气混凝土与非引气混凝土、抗硫水泥与普硅水泥混凝土的碳化深度基本一致。

根据《混凝土耐久性检验评定标准（JGJ/T 193-2009）》［11］，在快速碳化试验中，若28 d 碳化深度小于20 mm 的混凝土，其抗碳化性能较好，一般认为可满足大气环境下50 a 的耐久性要求。

3.7 抗冻性能

依照《水工混凝土试验规程》进行了各配合比的抗冻性能试验，试验龄期为90 d，试验结果见表9、图7～图8。

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

图7 各配合比混凝土的抗冻性能（相对动弹模）Fig.7 Frost resistance of concrete of each mixture ratio（relative dynamic mold）

图8 各配合比混凝土的抗冻性能（质量损失）Fig.8 Frost resistance of concrete of each mixture ratio（mass loss）

对设计强度C30的配合比，经200次冻融循环后，各配合比最小相对动弹模为84.2%，质量损失最大为2.1%；对设计强度C40 的配合比，经250 次冻融循环后，各配合比最小相对动弹模为83.8%，质量损失最大为2.4%，依据相对动弹模下降至60%及质量损失5%的条件判断，各配合比均达到或超过F200 的抗冻等级要求。

3.8 抗硫酸盐侵蚀性能

依照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行了各配合比的硫酸盐侵蚀性能，试验龄期选为56 d，试验结果见表10。

表10 各配合比混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能Tab.10 Sulphate resistance of concrete of each mixture ratio

根据《铁路混凝土结构耐久性设计规范（TB10005-2010）》［12］，处于硫酸盐结晶破坏Y-3 环境作用等级（环境水中硫酸根离子浓度为2 000～5 000 mg/L）下的混凝土，若要满足100 a的设计耐久性要求，其56 d龄期混凝土抗硫酸盐结晶破坏等级≥KS150。

对混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能而言，抗硫水泥表现好于普通水泥；普硅水泥混凝土达不到KS60，抗硫水泥引气混凝土可以达到KS90；随着水胶比、粉煤灰掺量的增加，混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能降低；为达到KS150，对普硅水泥混凝土，矿粉掺量不宜小于40%；对抗硫水泥混凝土，矿粉掺量可降低至30%；引气混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能高于非引气混凝土。

3.9 抗氯离子渗透性能

依照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行了各配合比的抗氯离子渗透性能（氯离子扩散系数和电通量）。考虑到大部分配合比中掺合料比例达到或超过50%，试验龄期选为56和84 d。试验结果见表11。

表11 各配合比混凝土的抗氯离子渗透性能Tab.11 Chloride ion permeability resistance of concrete of each mixture ratio

普硅水泥和抗硫水泥的抗氯离子渗透性能接近，复掺矿粉和粉煤灰可大幅提高混凝土的抗氯离子渗透性能；随着水胶比的增加，混凝土的抗氯离子渗透性能降低；引气混凝土的抗氯离子渗透性能高于非引气混凝土。

根据《铁路混凝土结构耐久性设计规范》，处于氯盐L-2 环境作用等级（环境水中氯离子浓度为500～5 000 mg/L）下的混凝土，若要满足100 a 的设计耐久性要求，其56 d 龄期混凝土氯离子扩散系数DRCM＜5.0×10-12m2/s；对C30～C45 的强度等级，56 d龄期混凝土的电通量小于1 200 C。试验结果表明，对于水胶比小于等于0.37，胶凝材料配伍为50%水泥+30%矿渣+20%粉煤灰的混凝土，56 d 龄期混凝土氯离子扩散系数最大为3.7×10-12m2/s；电通量最大值841 C，均为可满足100 a 设计耐久性要求的氯离子扩散系数和电通量要求。