提高普通混凝土强度和耐久性的正交试验研究

　　普通混凝土强度耐久性正交试验单方用水量复合掺合料水胶比泵送施工塌落度损失控制扩展度普通混凝土的结构特点及其耐久性问题1.1普通混凝土的结构形成及其特点普通混凝土是指当前国内普遍使用的C50、C40、C30、C20及其以下等级的混凝土。混凝土的物理力学性能受其结构的密实性与均匀性所支配。有害离子、水分是通过混凝土的毛细管和缺陷，扩散和渗透到混凝土的内部，通过物理化学作用，造成混凝土内部的损伤和开裂，从而导致混凝土的劣化。在力学上，混凝土是整体受力，那里比较薄弱，就在那里出现缺口而引起破坏。混凝土结构密实性和均匀性是提高普通混凝土性能的技术关键。

　　混凝土拌合物浇注成型后，在未凝结硬化之前，由于重力作用而产生沉降。由于粗骨料的表观密度比水泥砂浆大，会往下沉，把砂浆往上挤，*后形成粗骨料在底下，水与水泥浆浮在上部，形成所谓的外分层。在粗骨料与粗骨料之间的区域里，也会发生沉降作用，小石子沉积在下层粗骨料的上方，水分浮至上层粗骨料的下方，停滞不动，形成“水囊”即内分层。水分较多，流动性大的拌合物，分层现象更加严重。此外，吸附现象也会引起不均匀，如骨料表面，具有高的自由能，力图吸附水泥粒子来降低表面能，因此，骨料之间的水泥浆稠度也是不均匀的。

　　普通混凝土由于工作度需要，实际用水量超过化合水用量。多余的自由水蒸发，形成气孔或泌水时形成连通的毛细管。由于内分层形成的“水囊”在水分蒸发后形成直径在001~0.1mm左右较粗的空腔，对混凝土性能的不利影响极大。另外，普通混凝土体积不均匀变化也会引起开裂。

　　2普通混凝土的耐久性问题自1830年前后混凝土问世至今己160多年了Q〕。随着混凝土建筑物运行时间的长，其各项力学性能逐渐退化，人们称之为“老化”；非正常速度的老化以及在外界荷载及环境条件等因素作用下混凝土建筑物的损坏，被称之为“病害”。老化与病害的出现影响了混凝土的正常使用及建筑物的正常运行，从而产生了混凝土耐久性问题。

　　关于混凝土的耐久性至今还没有一个可被大家公认的定义，因为耐久性的含义广泛，包含的内容丰富。

　　国际材料结构试验研究会（RILEM）在1973年编的混凝土耐久性技术规程草案中认为：使用正常材料拌制的混凝土，只要仔细设计和施工，在普通的气象条件和使用条件下就可以认为具有充分的耐久性。“也有人认为，所谓耐久性就是对破坏或者侵蚀的抵抗能力。

　　简言之，是混凝土对破坏的抵抗力。混凝土的耐久性从广义上说应包括：大气对混凝土的腐蚀作用（如干湿、温度、冻融及碳化作用）、渗透水对混凝土的作用、碱活性骨料反应的作用、环境水侵蚀及磨损作用等。

　　通常，混凝土是一种很耐久的结构材料。如果根据使用暴露环境对混凝土正确地设计，同时很认真地按照要求施工和养护，混凝土的使用寿命可以达到百年、甚至更久。然而国内外都出现了相当多的混凝土结构物没有达到预期的使用年限受环境作用而过早地破坏的实例。在1991年召开的第二届混凝土耐久性国际学术会议上，Mehta教授在题为混凝土耐久性50年进展〉主旨报告中指出：当今世界，混凝土破坏原因，按重要性递降顺序排列是：钢筋腐蚀、寒冷气候下的冻害、侵蚀环境的物理化学作用。“现在总的一致意见是：40年代以来，混凝土建筑工业的迅猛发展，通过硅酸盐水泥组成变化，导致塌落度大的混凝土拌和物生产和应用。这种混凝土强度能符合要求，但从钢筋保护和混凝土耐冻、耐腐蚀角度看，则不满意。

　　也就是说，当今更多的混凝土结构，比50年前更不耐久当今混凝土结构耐久性问题的日益严重，除冰盐应用的日，水、土、大气污染加剧，也有促进作用“。

　　的结构不均匀、抗渗性差、寿命短等问题，通过调整混凝土内部各组成的比例；限制混凝土单方用水量；以部分矿物质粉体代替部分水泥；掺入新型高效减水剂以及改善施工工艺等技术措施，使混凝土拌和物结构均匀，塌落度损失得到控制，保证了混凝土具有高的工作性能；硬化后的混凝土具有高的抗渗性与耐久性。

　　试验原材料1水泥小野田525普通硅酸盐水泥；22碎石盐田港碎石场，粒径5 3砂东莞产，细度模数2.6，比重2. 61，容重24粉体I级粉煤灰，产于深圳玛湾电厂；矿渣为韶关磨细矿渣；FA+SG为复合超细粉。

　　5外加剂FFDT（属于高效缓凝剂）为复合外加剂。

　　粉体的化学成分及水泥的矿物成分见表1.粉体的化学成分名称化学成分烧失量水泥粉煤灰矿渣矿物名称矿物含量正交试验3.1影响因素和考核指标的选择水胶比无论什么种类的混凝土，水胶比始终是影响混凝土性能*重要的因素之一。由于普通混凝土的水胶比通常在0.4以上；同时考虑到为改善混凝土的性能，混凝土水胶比不能太高（美国从60年代以来〔2〕坝工混凝土水灰比按照如下要求选择：外部混凝土水灰比W/C=0.4~0.45，内部混凝土水灰比W/C=0.5 ~0.55），目前普通混凝土的水胶比有降低趋势；考虑到工作性以及造价等问题，普通混凝土的水胶比也不能太低，故本研究选用的水胶比为0.4、0.45和0.5三个水平。

　　单方用水量混凝土中的单方用水量决定了混凝土中孔隙的多少，而混凝土中的孔隙（特别是有害的毛细孔）对混凝土力学性能和耐久性的影响至为重要。如果水灰比平均为0.42则单方混凝土中的用水量大，意昧着水泥浆量相对多一些，骨料用量相对减少。混凝土早期收缩大，容易产生裂纹，从而降低混凝土的渗透性和耐久性。笠井等人的试验证明，相同水灰比的混凝土，单方混凝土用水量越大，早期（龄期3 ~3.5hr）自由收缩越大。日本有关规范规定，单方用水量185~175kg/m3的混凝土，属于耐久性混凝土；单方混凝土用水量< 175kg/m3的混凝土属于高耐久性的混凝土，这个标准可作为混凝土耐久性设计时。根据这个标准，本研究采用的单方用水量为165、三个水平。

　　掺合料在混凝土中掺入掺合料，不仅仅是为了降低造价，更重要的是提高混凝土的性能，特别是耐久性。对于高性能混凝土，掺合料更是必不可少。考虑到普通混凝土的成本和耐久性问题，不提倡在普通混凝土中使用细度过高的掺合料，故本研究只考虑掺合料的掺量，细度为一般水平（5000cm2/g左右）所采用的掺合料为粉煤灰和矿渣的复合掺合料。掺量取1.2考核指标由于当前混凝土*重要的耐久性问题是钢筋锈蚀，而氯离子又是引起钢筋锈蚀的元凶，因此，采用氯离子扩散系数作为混凝土耐久性的考核指标。另外，混凝土（抗压）强度始终是非常重要的指标，而又是*容易准确测量的参数，因此，本研究同样也选用不同龄期（3天、7天和28天）的抗压强度作为混凝土力学性能的考核指标。

　　2正交表因选用的影响因素为3个，各因素的水平数均为3个，故选用L9（34），即四因素三水平的正交表。按（34）安排的试验方案及结果如表2所示。

　　列考核指标水胶比掺合料掺量（%）空列单方用水量力学性能（抗压强度）MPa）耐久性工作性/试验号塌落度/扩展度计算公式为：D 3试验配比根据选用的正交表，计算出每一组试验的混凝土配比如表3所示。

　　3.4试验程序和试验结果41强度、塌落度与扩展度试验试验时，将水泥、超细粉和砂子倒入搅拌机中，搅拌一分钟；然后倒入水及外加剂，搅拌一分钟，成为水泥浆；再倒入碎石搅拌一分钟，出料、测塌落度和扩展度后即成型。强度和塌落度试验的其它操作步骤遵照有关国家标准进行。塌落度及强度试验结果如表2所示。

　　4.2氯离子扩散系数测定4.21试件准备将表3配合比中的混凝土试件，28天龄期时切成2cm左右的试件，抽真空，脱水，然后倒入浓度为4M的氯化钠溶液浸泡，至完全饱和（达到恒重）。

　　测定通过该试件的电流，根据Nernst-Einstein方程〔3〕求出氯离子扩散系数。

　　扩散系数（cm2/s）；T绝对温度，K；L试件的厚度；Zci氯离子的电荷数或价数；I测得的电流；td为离子的迁移数；U测得的电压。

　　3.422测量和计算结果测量和计算得到的氯离子扩散系数结果见表2所示。

　　5试验结果分析将表2的试验结果进行直观分析，比较各因素对考核指标的影响顺序和影响大小。直观分析结果见表4所示。

　　表3混凝土试验配比编号水胶比水掺合料水泥砂子石子外加剂考核指标分析指标M素3天强度MPa水胶比A掺合料掺量B误差列C单方用水量D 7天强度MPa水胶比A掺合料掺量B误差列C单方用水量D 28天强度MPa水胶比A掺合料掺量B误差列C单方用水量D水胶比A掺合料掺量B误差列C单方用水量D表5以氯离子扩散系数为考核指标的方差分析方差来源平方和自由度均方F值临界值水胶比A0.从表2的试验结果及表4的直观分析结果可以看出，当水胶比在04~0.5之间；单方用水量在165~175kg/m3之间；复合掺合料掺量在10% ~30%之间变化时，对于普通混凝土的早期（天和7天）强度，因素的影响顺序均为：水胶比A单方用水量D※误差C掺合料掺量B并且水胶比和单方用水量的影响较大，而掺合料掺量的影响较小，其影响在试验误差范围内。对于后期（28天）强度，因素的影响顺序变为：水胶比A※掺合料掺量B※误差C单方用水量D，水胶比的影响仍然*显著；掺合料的掺量从对早期强度的影响较小，变为影响较大；而单方用水量的影响变为较小。也就是说，对于混凝土强度性能，无论是早期强度还是后期强度，水胶比始终是影响*大的因素；掺合料掺量对早期强度影响较小，对后期强度影响较大，这与其它研究者的结论相一致。而单方用水量的影响则与掺合料掺量的影响相反，对早期强度影响较大，对后期强度影响较小，实际上所选定的单方用水量的三个水平对混凝土后期强度的发展影响不大。对于强度性能，各龄期的*优配比分别为：3天强度为AiBiDi；7天强度为A1B3D1，28天强度为A1B3D1.由于掺合料掺量对早期强度的影响较小，在试验误差范围内，因此，3天强度的*优配比实际上也可以认为是AiB3Di.这样无论是对于早期强度，还是后期强度，可以得到同一个*优配比：AiB3Di，即当水胶比为0.4掺合料掺量为30%，单方用水量为165kg/m3时，混凝土强度达到*高。由于在所研究的用水量范围内，单方用水量对于混凝土后期强度的影响较小，因此，在实际应用只考虑强度性能时，可以取大一点的单方用水量（在一定限度内）这样可以降低普通混凝土的成本并有利于施工。

　　各因素对于混凝土耐久性指标Dei的影响顺序为：掺合料掺量B水胶比A误差C单方用水量D，即掺合料掺量对混凝土氯离子扩散系数的影响*大，其次是水胶比，而单方用水量的影响较小，在试验误差范围内。由此可以得到对于耐久性*有利的配比，即*优配比为：A1B3D1.从上面强度和耐久性*优配比可以看出，二者的*优配比是一样的。也就是说，虽然各因素对于强度和耐久性的影响顺序不同，但三个因素各水平对于强度和耐久性的影响规律是一样的，即在试验研究范围内，水胶比低、单方用水量小、掺合料掺量较大时，对于强度和耐久性是*有利的。

　　为了进一步分析各因素对耐久性的影响，进行了以氯离子扩散系数为考核指标的方差分析（结果见表5）。由表5分析知水胶比（A）及掺合料掺量（B）对耐久性的影响均非常显著。而单方用水量（D）由于所取水平均在*佳范围内，其差别很小、己被误差淹没。

　　4提高普通混凝土强度和耐久性的机理探讨1提高普通混凝土强度的机理从上面试验结果的极差分析可知，可以通过降低混凝土水胶比；降低单方用水量和适当提高掺合料掺量来改善混凝土的强度性能。降低水胶比可以提高混凝土强度，这己经为国内外大量试验所证明。降低单方用水量提高混凝土强度，同样为国内外大量试验所证实，这里又一次验证了这个规律。这是由于在水胶比一定时，降低混凝土单方用水量，必然大水泥用量，降低混凝土总的孔隙量；在一定条件下可以改善混凝土和易性，提高混凝土的均匀性，从而提高混凝土强度。但是降低混凝土单方用水量有一个限度，即混凝土单方用水量不能无限制地降低，它要受混凝土的和易性制约，单方用水量是控制混凝土和易性的主要因素之一。单方用水量太低，混凝土和易性不好，无法振捣密实，混凝土强度也无法提高。同样，单方用水量也不能太高，太高了混凝土不但容易离析、泌水，造成混凝土内分层和外分层，而且使混凝土孔隙率大，强度降低。

　　关于提高混凝土掺合料掺量可以提高混凝土强度问题，可能有些研究者有不同结论。实际上，当掺量适当时（不同掺合料的*优掺量不同）在掺合料的细度不太高时（略大于水泥细度）掺入掺合料会使混凝土早期强度有所降低或者持平，但可以显著提高混凝土后期强度。因为掺入掺合料相对减少了熟料用量，通常会延缓水泥水化进程，从而使早期强度降低。但由于掺合料具有的火山灰活性，它会与水泥的水化产物发生二次反应（火山灰反应）加有益的水化产物数量，改善混凝土界面结构和孔隙结构，有时会降低混凝土孔隙率，从而提高混凝土强度。但掺加复合掺合料时（复合掺合料的组分和数量需由试验确定）由于各组分之间的效应叠加，强作用更大。本研究采用的就是复合掺合料，虽然掺量高时早期强度有所降低，但由于掺合料掺量对早期强度影响不显著，因此，可以认为在试验研究的掺量范围内，大掺合料掺量对强度有利，特别是对于后期强度，效果更加显著。

　　4.2提高普通混凝土耐久性的机理由于混凝土渗透性是耐久性的关键一环，而降低水胶比和降低混凝土单方用水量均有利于提高混凝土渗透性，因而其耐久性必然提高。但正如单方用水量对于混凝土强度的影响一样，单方用水量对于混凝土耐久性的影响也是受其它因素制约的，特别是受混凝土和易性的制约的。本文3.1.1（2）单方用水量一节中己迷及日本有规范规定，单方用水量185~175kg/m3的混凝土，属于耐久性混凝土；单方混凝土用水量<175kg/m3的混凝土属于高耐久性的混凝土。本研究采用的单方混凝土用水量在165~175kg/m3之间，属于高耐久性的范畴，因而进一步降低单方用水量对于提高混凝土耐久性的效果就受到限制。本试验研究结果表明，当混凝土单方用水量在165~175kg/m3之间时，用水量变化对于混凝土耐久性（氯离子渗透性）的影响己经不大（表5的方差分析己经证明了这一规律）。这一点与实际施工实践是一样的，有些混凝土施工单位（特别是搅拌站）实际加入的用水量总是比设计单方用水量多一些，但混凝土性能并没有表现多大变化，其原因就在于此。

　　表5方差分析表明掺合料掺量对于混凝土耐久性影响非常大，这与传统的观念不一样。以前在混凝土中加入掺合料，仅仅是为了经济原因，或者提高混凝土和易性。实际上掺合料对于混凝土耐久性的影响在一定程度上比水胶比还要大，特别是对于钢筋混凝土的耐久性，更是如此。掺入粉煤灰和矿渣可以显著降低混凝土的氯离子扩散系数，采用复合掺合料时同样如此。其原因可能有以下几点〔4：（1）粉煤灰、矿渣对混凝土的孔径分布、孔的几何形状的改善有好的作用；（2）粉煤灰和矿渣混凝土水化时能产生较多的C-S-H凝胶，而C-S-H凝胶会吸附一部分氯化物于其中，并可堵塞扩散通道，造成氯离子扩散系数下降；（3）粉煤灰和矿渣混凝土中的总的Ca2+、A+.AlOH2+和Si4+离子浓度比基准混凝土高，而离子具有较低的扩散率，能限制共同的氯离子的移动。

　　粉煤灰混凝土和矿渣混凝土中的通道比基准混凝土的弯曲，大了扩散阻力；（5）粉煤灰和矿渣中较高的C3A等矿物成分能够捕捉从混凝土表面渗透的氯根据以上分析可知，在混凝土中掺入一定数量细度合适的掺合料，对混凝土耐久性非常有利。当然，需要注意的是，掺合料并非对混凝土耐久性的所有方面都有利，比如对混凝土的抗碳化能力和抗冻融能力就不一定有利，实际应用时，应该根据具体的工程条件，经过试验验证，择优采用。

　　结论综合本项研究成果，可以得到如下结论：普通混凝土的使用量大、面广，研究提高普通混凝土的强度和耐久性具有显著的经济、技术和社会效益。

　　提高普通混凝土性能的措施很多，*关键的是要控制混凝土的水胶比，单方用水量在适当的范围，并且掺加细度适当的掺合料或复合掺合料以及高效外加剂，在掺合料一定的掺量范围内（本研究为30%），可采用较高的掺量。

　　当混凝土的单方用水量在165间时，可以配制出高耐久性的混凝土，在此用水量范围内，可以采用较高的单方用水量。

　　水胶比无论对于混凝土强度性能还是耐久性，始终是非常重要的影响因素。但是在一定范围内，掺合料掺量对于耐久性的影响更加显著，因此，实际应用时应该重视混凝土掺合料对耐久性的非常有利的作用，不要仅仅局限于降低混凝土施工时的成本。

　　在混凝土中掺入粉煤灰或矿渣，或者它们的复合物，可以显著降低混凝土的氯离子扩散系数，从而提高混凝土，特别是钢筋混凝土的耐久性。