0 引言 高性能混凝土是以工程设计、施工和使用对混凝土性能特定要求为总体目标,通过原材料优选、合理掺加外加剂和矿物掺合料,采用较低的水胶比和用水量,优化配合比,根据工程服役环境和使用要求进行设计,采用绿色方式生产,采取严格施工控制措施,至少有一项耐久性能指标满足结构长期服役要求。由于高性能混凝土具有较好的耐久性,目前已广泛应用在桥梁、大坝、水闸等土木建筑工程中。现阶段我国大量使用C30~C35混凝土,实现中低强度等级混凝土高性能化,对高性能混凝土的发展具有重要的现实意义。
0 引言
高性能混凝土是以工程设计、施工和使用对混凝土性能特定要求为总体目标,通过原材料优选、合理掺加外加剂和矿物掺合料,采用较低的水胶比和用水量,优化配合比,根据工程服役环境和使用要求进行设计,采用绿色方式生产,采取严格施工控制措施,至少有一项耐久性能指标满足结构长期服役要求。由于高性能混凝土具有较好的耐久性,目前已广泛应用在桥梁、大坝、水闸等土木建筑工程中。现阶段我国大量使用C30~C35混凝土,实现中低强度等级混凝土高性能化,对高性能混凝土的发展具有重要的现实意义。
本文通过采用正交试验对混凝土配合比进行优化设计,并将实验室优化的C30高性能混凝土应用于界牌水利枢纽工程。
1 配合比优化目标
国家重点水利工程新孟河界牌枢纽工程设计使用年限为100年,工程主体结构包括节制闸、泵站和船闸,混凝土结构水上部分服役阶段主要受到碳化作用。
混凝土按水工混凝土结构设计行业标准进行设计,设计指标为C30F50W6,最大水胶比为0.45,相同水胶比条件下,与相关行业混凝土耐久性设计规范要求的混凝土强度相比低1~2个等级。因此,本文针对界牌枢纽工程C30混凝土100年设计使用年限目标,开展配合比优化设计,实现C30混凝土高性能化。
根据结构设计、施工条件及服役环境的要求,C30混凝土性能指标为:坍落度(150±30)mm,含气量3.5%±1.0%;标养条件下初凝时间为15h~20h;28d抗压强度≥36.5MPa;早期抗裂性能等级不低于L-Ⅲ级;72h收缩率≤300×10-6;28d碳化深度≤10mm;抗冻等级≥F100;抗渗等级≥W12;混凝土密实性以84d龄期氯离子扩散系数≤4.5×10-12m2/s、56d龄期电通量≤1000C进行评价。混凝土配合比参数控制目标:水胶比<0.45,用水量<160kg/m3,胶凝材料用量330kg/m3~400kg/m3,粉煤灰与矿渣粉掺量30%~50%。
2 试验材料与方法
2.1 试验材料
水泥采用P·O42.5级水泥;粉煤灰为F类Ⅱ级;矿渣粉为S95级;外加剂为缓凝型聚羧酸高性能减水剂,与引气剂复合组成引气型减水剂;粗骨料采用5mm~16mm、16mm~31.5mm两级配碎石,质量比为65∶35,含泥量0.3%,无泥块含量,压碎值5.8%,针片状颗粒含量1.4%;细骨料为长江中砂,细度模数2.76,含泥量0.72%,无泥块含量;拌和用水为自来水;纤维为纤维素纤维;抗裂防渗剂为膨胀剂和聚丙烯纤维复合产品。
2.2 试验方法
依据SL352—2006《水工混凝土试验规程》进行混凝土拌合物性能、力学性能、碳化深度、电通量和氯离子扩散系数等试验,依据GB/T50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》进行混凝土早期刀口抗裂试验和非接触法收缩试验。
本文采用正交试验开展C30高性能混凝土配合比优化试验,设计2组L9(34)正交试验来分析各因素对高性能混凝土性能的影响规律,并通过极差分析找出对其具有显著性影响的因素。甲组试验选取因素水平见表1。
3 试验结果与分析
3.1 甲组正交试验
3.1.1 甲组正交试验结果
甲组正交试验9组配合比及试验结果见表2。从表中可以看出,9组混凝土拌合物的坍落度均满足设计要求,具有良好的黏聚性和保水性,同时也满足抗压强度要求。除了第1组和第5组,其余7组水胶比、用水量同时满足要求,含气量满足设计要求的有6组;碳化深度能够满足设计要求的共有4组;能够同时满足各项性能指标的共有3组,分别是第4、第6、第7组。
3.1.2 甲组试验结果极差分析
为了分析上述因素对混凝土性能影响显著性,对正交试验结果进行极差分析,如表3所示。
由表3可知:
(1)用水量:在拌制混凝土时,用水量是影响新拌混凝土流动性的主要因素,因此,在配合比设计过程中,其他因素改变时,为了保证混凝土拌合物流动性满足施工要求,需要改变单位用水量。在试验范围内,因素D与用水量呈负相关性,即聚羧酸减水剂掺量增加用水量降低,对混凝土用水量影响最大。因素A和因素C对用水量影响较小,这是因为在配制混凝土时,如果同时提高胶凝材料用量和用水量,混凝土拌合物中浆体大量增加,导致拌合物流动性增大,甚至出现离析现象。因素B掺合料掺量在50%时,用水量最小,这是因为掺合料中粉煤灰的颗粒多为球形玻璃微珠,且较为致密,吸水性较小,同时还能起到一定的润滑作用,因此对提高混凝土拌合物流动性有利;而矿渣粉颗粒较大,且亲水性较差,矿渣增多会导致混凝土保水性变差,容易离析,因此,掺合料掺量达到50%时,为了使混凝土拌合物具有较好的流动性、黏聚性和保水性,需要减小用水量。四个因素对用水量影响排序为D>B>A>C,优选配合比为A2B3C1D3。
(2)抗压强度:随着因素A增加,对14d、28d抗压强度的影响并不明显。随着因素B增加,混凝土14d和28d抗压强度均随着因素B的增加有增加的趋势,且对28d抗压强度影响更显著,这是因为在早期只有水泥熟料发生水化反应,掺合料水化速度较慢,对早期强度影响不大;但随着水化反应的进行,掺合料中的活性成分也会继续发生水化反应,因此增加掺合料对28d抗压强度有促进作用。随着因素C增加,对14d、28d抗压强度影响不明显,两种掺合料均为活性掺合料,含有活性SiO2、Al2O3组分,二者比值增加对其抗压强度影响不大。因素d与14d抗压强度呈正相关,对28d抗压强度影响不显著。4个因素对混凝土14d、28d抗压强度影响排序分别为A>D>B>C、B>A>D>C,优方案分别为A3B3C2d3、A1B3C2d2。
(3)劈裂抗拉强度:随着因素A增加,28d劈裂抗拉强度呈先略有降低再增加的趋势,与抗压强度的变化规律基本一致。随着因素B的增加,28d劈裂抗拉强度增加,表明掺合料对提高混凝土内部浆体与骨料之间黏结力有增强作用。因素C对28d劈裂抗拉强度没有显著影响。因素D对28d劈裂抗拉强度的影响也较小。4个因素对混凝土28d劈裂抗拉强度影响排序为A>B>C>D,优方案为A3B3C3D2。
(4)碳化深度:因素A和因素D与混凝土碳化深度呈负相关性,即,增加胶凝材料用量或减水剂用量能够提高混凝土的抗碳化能力,这是因为胶凝材料增多,混凝土内部能够抵抗碳化的Ca(OH)2含量也会增多,而减水剂用量增加能够提高混凝土的密实性,阻止CO2进入混凝土内部,减弱侵蚀作用。因素B与混凝土碳化深度呈正相关性,在混凝土中掺入部分活性粉煤灰和矿渣代替水泥时,随着水化反应的进行,粉煤灰和矿渣中的活性成分会在水泥熟料水化产物Ca(OH)2的激发下,与其发生二次水化反应,消耗了能与CO2反应的Ca(OH)2,因此,碳化深度增加。因素C在粉煤灰与矿渣粉掺量比为1.0时28d碳化深度最大。4个因素对混凝土28d碳化深度影响排序为A>D>C>B,优方案为A3B1C1D3。
3.2 乙组正交试验
3.2.1 乙组正交试验结果
在甲组试验结果基础上,适当降低胶凝材料用量和掺合料掺量,同时保持粉煤灰与矿渣粉的比例为1∶1,并引入砂率和抗裂防渗功能材料两个因素,进行乙组正交试验,因素水平表如表4所示。
乙组正交试验9组混凝土配合比及试验结果见表5。从表中可以看出,9组混凝土拌合物的用水量和水灰比都能满足设计要求,除了第15组以外,其余组混凝土拌合物坍落度均能满足要求,且黏聚性和保水性较好。只有第15组的28d抗压强度不能达到设计要求,而28d碳化性能能够满足耐久性要求的只有第16组和第18组。综合新拌混凝土工作性和硬化混凝土的力学及耐久性能来看,只有第16组和第18组能够满足要求。
3.2.2 乙组试验结果极差分析
乙组正交试验结果极差分析如表6所示。
由表6可知:
(1)用水量:因素E、因素F对用水量影响不大,与甲组试验结果相一致;因素G在混凝土中掺入纤维素纤维或抗裂防渗剂后,用水量增加;因素H与用水量之间呈正相关,提高砂率意味着骨料总的比表面积增加,因此为了获得较好的新拌混凝土流动性,需要增加用水量。4个因素对混凝土用水量影响程度排序为H>G>E>F,优方案为E3F2G1H1(或E3F3G1H1)。
(2)抗压强度:4个因素对混凝土14d抗压强度的影响不显著,极差值最大的砂率仅相差2.1MPa。4个因素中对混凝土28d抗压强度的影响最显著的是砂率,极差值为4.3,且随着砂率的增加,14d和28d抗压强度均表现出先减小后增加的趋势,当砂率增大时,为了使新拌混凝土拌合物具有较好的流动性,就需要增大用水量,在胶凝材料用量不变的情况下,混凝土浆体的水胶比就会增大,因此抗压强度减小;砂率继续增大时,砂浆量会明显增多,从而提高浆体的流动性,使硬化后的浆体更加密实,强度提高。因素E为345kg/m3时28d抗压强度最低;因素F为50%时抗压强度最低,掺合料过多时,水泥水化硬化之后形成的水泥石中凝胶体减少,造成混凝土强度降低;掺入纤维素纤维能够明显提高混凝土抗压强度,掺入抗裂防渗剂的混凝土抗压强度变化不大;4个因素对混凝土14d、28d抗压强度影响排序分别为H>F>G>E、H>F>E>G,优方案分别为E3F2G2H3、E3F2G2H1。
(3)碳化深度:因素E与碳化深度呈负相关,因素F在42.5%时碳化深度最大,因素G反映在混凝土中掺入纤维素纤维或抗裂防渗剂后碳化深度增加,因素H砂率与碳化深度之间呈正相关。4个因素对混凝土碳化深度影响排序为E>F>G>H,优方案为E3F1G1H1。
3.3 正交试验结果综合分析
2组正交试验18个组合的混凝土试验结果如下:
(1)混凝土拌合物均具有良好的流动性、黏聚性和保水性。
(2)甲组正交试验结果,14d抗压强度40.6MPa~44.2MPa,28d抗压强度40.0MPa~46.8MPa,28d劈裂抗拉强度2.74MPa~4.08MPa。
在本文试验条件下,胶凝材料用量为370kg/m3~400kg/m3、掺合料掺量应控制在40%以内、粉煤灰与矿渣粉掺量对各项性能影响均不显著、高性能减水剂掺量为1.1%B~1.3%B时,考察指标性能满足设计要求。
(3)乙组正交试验结果,14d抗压强度35.8MPa~40.9MPa,28d抗压强度35.1MPa~45.6MPa。
在试验条件下第16组、第18组两组配合比各项指标均满足设计要求,满足混凝土抗碳化性能指标较佳组合为E3F1H1,即胶凝材料用量为360kg/m3、掺合料掺量为35%、砂率37%。
(4)根据混凝土水胶比与28d碳化深度试验结果拟合二者之间的关系,如表7所示。根据100年的设计使用年限,混凝土碳化深度不大于10mm,混凝土水胶比控制值不宜大于0.41。
3.4 混凝土早期抗裂与收缩性能检验
为检验混凝土的抗裂性,基于上述正交试验的优化配比开展了混凝土刀口抗裂和收缩试验,混凝土配合比和刀口抗裂试验结果如表8所示,收缩率试验结果如图1所示。
表8和图1表明:掺入纤维素纤维大幅提高混凝土抗裂能力,单位面积上总开裂面积降低,单位面积裂缝数目和每条裂缝平均开裂面积均明显降低,且早期收缩率降低,掺入抗裂防渗剂能够降低早期收缩率,但对抗裂性没有起到改进作用。
4 工程应用
界牌水利枢纽工程2018年8月~2019年12月期间浇筑主体结构混凝土,在配合比优化和现场验证试验结果基础上,确定C30高性能混凝土的施工配合比如表9所示。
施工过程中站墩、闸墩等结构部位布置冷却水管,带模养护时间保证10d以上,拆模后混凝土表面涂刷养护剂保水养护。
抗压强度检验:施工单位检验925组主体结构C30混凝土28d标准立方体抗压强度,最低为35.3MPa;14个统计批强度经评定均判为合格。站墩、闸墩和船闸闸室墙、闸首廊道13d~120d混凝土回弹强度推定值为35.2MPa~49.4MPa。
抗碳化能力检验:混凝土碳化深度共检测10组,平均值为9.4mm。站墩590d~630d、闸墩410d~540d、船闸闸室墙和闸首廊道420d的自然碳化深度平均值分别为1.8mm、3.4mm和3.1mm,预测85%的测点碳化至钢筋表面时间分别不低于292年、178年和122年。抗渗性、抗冻性检验:混凝土56d电通量为764C,84d~160d氯离子扩散系数为(2.127~4.369)×10-12m2/s,表明混凝土有良好的密实性能。抗冻性能达到F100,抗渗性能达到W12。透气性检验:站墩混凝土表面透气性系数几何均值为0.062×10-16m2,90%置信区间为[0.032,0.151]×10-16m2;闸墩混凝土透气性系数几何均值为0.092×10-16m2,90%置信区间为[0,0.772]×10-16m2。
现场检验混凝土的工作性、力学性能和耐久性能的结果表明,通过对混凝土的配合比进行优化设计,并采取加强养护等施工措施能够实现C30混凝土的高性能化。
5 结论
(1)通过对正交试验结果进行的极差分析表明,影响混凝土用水量程度从大到小的因素是:外加剂>掺合料掺量>砂率>防渗抗裂剂>胶凝材料用量>粉煤灰与矿渣粉掺量比;对抗压强度影响程度从大到小的因素依次是:砂率>掺合料掺量>胶凝材料用量>外加剂>粉煤灰与矿渣粉掺量比>防渗抗裂剂;对劈裂抗拉强度影响程度从大到小的因素依次是:胶凝材料用量>掺合料掺量>粉煤灰与矿渣粉掺量比>外加剂掺量;影响碳化深度从大到小的顺序是:胶凝材料用量>外加剂掺量>粉煤灰与矿渣粉掺量比>掺合料掺量>防渗抗裂剂>砂率。
(2)综合各项因素对C30高性能混凝土的工作性、力学性能及耐久性的影响,单位用水量影响程度最大的是减水剂的用量,抗压强度、劈裂抗拉强度及抗碳化能力影响最显著的均是胶凝材料用量,其次是砂率,掺合料及掺合料掺量比对上述力学性能及耐久性影响不显著。
(3)100年设计使用年限的C30混凝土,在碳化环境下水胶比不宜大于0.41,用水量不宜大于150kg/m3,胶凝材料用量宜在360kg/m3左右,粉煤灰和矿渣粉掺量宜为胶凝材料用量的40%左右,粉煤灰与矿渣粉掺量比宜为1∶1,能够满足混凝土强度、碳化深度等控制指标要求。
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