轨道交通工程高性能混凝土配合比探讨

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混凝土是一种历史悠久并广泛应用的建筑材料，具有取材方便、可塑性强、强度高、生产简单等优点，在土木工程中占据着重要地位[1-3]。人们主观认为混凝土强度高，应该具备很长的寿命，但其实不然。大量的钢筋混凝土结构远远未达设计年限就出现了耐久性问题，尤其是钢筋锈蚀膨胀导致混凝土受力开裂，结构丧失耐久性。不同服役环境对混凝土耐久性的影响不同，滨海地区轨道交通工程结构所处环境地下水中含有大量的Cl-和SO42-等侵蚀离子，这些有害离子会通过混凝土自身空隙和裂缝渗透到内部，造成混凝土及钢筋的体积膨胀，导致混凝土受力开裂，威胁结构安全。高性能混凝土较普通混凝土具有更高的工作性能、力学性能和耐久性能，可应用于滨海地区轨道交通工程，以提高钢筋混凝土结构的使用寿命[4-9]。

1试验原材料及试验方法

1.1原材料

试验采用海螺P·O42.5水泥，比表面积330m2/kg，初凝时间190min，终凝时间280min，28d抗压强度50.5MPa，28d抗折强度8.5MPa。粉煤灰采用福建华电可门发电有限公司出厂的F类Ⅱ级粉煤灰，需水量比92%，细度（0.045mm方孔筛筛余）18.5%，强度活性指数91.4%。矿渣粉采用福清市福一建材公司出厂的“福一”牌S95级矿渣粉，流动度比102%，28d活性指数101%。硅灰采用福州某硅业公司生产的硅灰，比表面积19.8m2/g，需水量比112%，7d活性指数109%。砂采用细度模数2.6的机制砂，石粉含量5.6%。碎石采用福州地区某石料厂生产的5～31.5mm连续粒级的碎石。外加剂采用江苏苏博特新材料股份有限公司生产的聚羧酸型高性能减水剂，减水率27%。

1.2试验方法

试验以提高滨海地区轨道交通工程钢筋混凝土结构耐久性为目的，进行混凝土配合比设计和优化。参照JGJ55—2011《普通混凝土配合比设计规程》试配C50混凝土，以抗压强度作为混凝土配合比设计的控制指标，通过鲍罗米强度公式计算得出C50混凝土的理论水胶比，根据规程中用水量与混凝土坍落度关系表，并结合混凝土拌制经验选取合适的每立方米用水量，进而确定胶凝材料的用量，假定混凝土每立方米质量为2450kg，选定砂率并计算每立方米砂石用量，由此得到混凝土的初步配合比。根据标准所述方法适当增减水胶比，配制混凝土并试验坍落度及抗压强度，根据试验结果选取水泥用量较小、水胶比合理、强度等级达到要求的一组配合比，作为此试验的基础配合比。通过正交试验对基础配合比进行优化，试验混凝土的坍落度、抗压强度、电通量、抗硫酸盐侵蚀系数等性能指标，采用主客观赋权相结合的功效函数法[10]对试验结果进行分析，筛选出综合性能较优的配合比。功效函数法的原理是将不同性能指标通过特定的函数关系转化成可度量的值，再将度量值加权综合，得到一个对应值，根据对应值的大小判断综合性能。功效函数的计算方法如下：（1）设定评价指标。试验设定3d抗压强度、28d抗压强度、电通量、抗硫酸盐侵蚀系数4个指标。（2）确定指标阀值。各指标存在最优水平Xi（h）和最差水平Xi（s），对于强度和耐蚀系数，Xi（h）和Xi（s）分别代表最大值和最小值；对于电通量来说，Xi（h）和Xi（s）分别代表最小值和最大值。（3）确定指标的权重。客观赋权：将原始数据通过数学转换得到各性能指标权重；主观赋权：由专家根据经验判断得到各性能指标权重。采用客观赋权法时，应先计算变异系数，再根据变异系数计算各指标权重。功效函数法的权重确定方法中，客观赋权法反映各数据所隐含的信息，但没有考虑各指标实际的重要程度；主观赋权法主要考虑各性能指标的重要程度，但在给各指标赋权时主观倾向性较强，因此在进行综合性能分析时应将主观赋权与客观赋权相结合。

2试验结果与分析

2.1基础配合比设计

根据1.2所述方法及步骤，计算并试验得出C50混凝土的基础配合比，各材料用量如表1所示，采用该配合比配制的混凝土初始坍落度180mm，28d抗压强度62.3MPa，符合目标要求。

2.2配合比优化

试验选取粉煤灰、矿渣粉、硅灰替代水泥的用量为变量，采用正交试验对配合比进行优化，正交试验L9（33）的因素水平如表2所示。根据因素水平表计算所得各配合比材料用量拌制混凝土，通过调整外加剂掺量将拌合物的初始坍落度控制在180mm±20mm，混凝土胶材用量及各项性能试验结果如表3所示。采用主观赋权法确定各指标的权重，专家赋予3d抗压强度、28d抗压强度、56d电通量、耐蚀系数的权重分别为0.2、0.25、0.35、0.2，每组配合比的单指标功效函数及总功效函数计算结果如表5所示。由表4和表5可知，客观赋权法和主观赋权法计算得到的总功效函数第2组均为最大，表明第2组配合比配制的混凝土综合性能最优；且该组配合比配制的混凝土3d抗压强度、28d抗压强度、56d电通量、耐蚀系数单指标功效函数均在0.95以上，表明该组配合比配制的混凝土各项指标均处于较优水平。

3结论

以粉煤灰、矿渣粉、硅灰替代水泥的用量为变量设计L9（33）正交试验，得到第2组配合比（矿渣粉替代率10%、硅灰替代率6%）的总功效函数值最大，综合性能最优，为最佳配合比。

参考文献

[1]薄遵彦.建筑材料[M].北京:中国环境科学出版社;1995.

[2]吴中伟.廉慧珍.高性能混凝土（第一版）[M].北京：中国铁道出版社,1999.

[3]冯乃谦.高性能混凝土的发展与应用[J].施工技术,2003,32（4）:1-6.

[4]徐莹,孙俊,王子明,等.海洋环境下城市综合管廊用高性能混凝土研究[J].混凝土世界,2017（8）:52-58.

[5]项尚.高原地区桥梁高性能混凝土配制技术研究[D].南京：东南大学,2018.

[6]韩传洲.高性能混凝土浆体在海水环境下的性能研究[D].武汉：武汉理工大学,2019.

[7]祝苗苗.高速铁路高性能混凝土配合比设计及耐久性研究[D].郑州：华北水利水电大学,2021.

[8]杜辉.基于硫酸盐、氯盐作用下地下粉煤灰高性能混凝土性能研究[D].镇江：江苏科技大学,2020.

[9]周雁峰.沿海地区输电工程桩基础高性能混凝土耐久性研究[D].吉林：东北电力大学,2020.

[10]尹科.基于耐久性的桥梁高性能混凝土设计及质量控制技术研究[D].南京：东南大学,2016.

作者：谭家鼎 单位：福建省建筑科学研究院有限责任公司 福建省绿色建筑技术重点实验室