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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