復(fù)摻礦料高寒隧道泵送混凝土優(yōu)化設(shè)計(jì)與性能

郭寅川，郝宸偉，郭昊田，張 敬，王路生

(1. 長(zhǎng)安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710064；2. 內(nèi)蒙古交通設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司, 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010;3. 烏蘭察布市公路工程質(zhì)量監(jiān)督站, 內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012000；4. 中國路橋工程有限責(zé)任公司, 北京 100000)

0 引言

四川省國道317線甘孜州段屬于典型高寒區(qū)，年最低溫度低于-30 ℃，濕度類別為干濕交替型，該區(qū)隧道混凝土常會(huì)出現(xiàn)凍融和腐蝕破壞。同時(shí)，甘孜地區(qū)交通落后，天然砂資源匱乏，巖石材料豐富，用機(jī)制砂代替天然砂制備混凝土具有重要的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保意義，也具有很好的適應(yīng)性[1]。然而，機(jī)制砂粒形較差，其巖性、片狀顆粒含量和石粉含量對(duì)水泥混凝土的和易性、力學(xué)性能和耐久性等都有影響[2]。在泵送過程中，若混凝土的和易性不足，易導(dǎo)致堵泵和堵管等不良現(xiàn)象。為此，一些學(xué)者提出了采用粉煤灰、黏度改性劑等方法改善混凝土的和易性[3]。

王印龍[4]研究表明，向混凝土中摻加10%～20%的粉煤灰可大幅提高其凍融循環(huán)下的動(dòng)態(tài)彈性模量和抗折強(qiáng)度，而摻加30%的礦渣灰也具有類似的效果。然而，楊林[5]研究認(rèn)為，隨著粉煤灰摻量的增加，機(jī)制砂混凝土的抗壓、抗折強(qiáng)度逐漸降低。王晨霞[6]對(duì)摻有粉煤灰的再生混凝土進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)隨粉煤灰摻量的增加，再生混凝土的抗壓和抗折強(qiáng)度呈先增大后減小的趨勢(shì)，最佳粉煤灰摻量為15%，且粉煤灰摻量在30%以內(nèi)時(shí)，凍融循環(huán)對(duì)再生混凝土造成的質(zhì)量損失均相差不大。李蔭[7]研究表明，提升水灰比和在混凝土表面涂覆適量的防護(hù)材料也可增加混凝土的耐久性。高寒區(qū)泵送混凝土常需要優(yōu)異的工作性和耐久性，馮孟超[8]研究認(rèn)為，利用礦渣微粉等質(zhì)量取代水泥，則可大幅改善混凝土的坍落度，且其摻量在20%以內(nèi)時(shí)，還可改善混凝土的7 d抗壓強(qiáng)度和早期抗凍性。同時(shí)，礦渣微粉和粉煤灰復(fù)摻可增強(qiáng)混凝土的力學(xué)性能和耐久性，但這些材料的摻量對(duì)其性能有較大影響[9-11]。此外，混凝土的孔結(jié)構(gòu)改變往往反映其性能的變化[12]，向混凝土中摻加適量粉煤灰可降低混凝土的平均孔徑，增加圓形孔的比例[13]，摻加適量礦渣微粉也可細(xì)化其孔結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提高混凝土的耐久性。上述文獻(xiàn)對(duì)機(jī)制砂混凝土、摻粉煤灰混凝土和摻礦渣微粉混凝土均進(jìn)行了研究，但未涉及摻復(fù)合礦料機(jī)制砂泵送混凝土的配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)和性能的探索。

近年來，一些學(xué)者在摻復(fù)合礦料混凝土配合比優(yōu)化方面也開展了研究。馮宗敏[14]研究了高性能混凝土配合比，利用單因素變量法，設(shè)定復(fù)合礦料摻量40%，變換礦渣粉與粉煤灰摻配比例進(jìn)行設(shè)計(jì)，評(píng)判指標(biāo)為混凝土的流動(dòng)性、抗壓強(qiáng)度和抗氯離子滲透性。耿建[15]采用正交試驗(yàn)研究了礦物摻合料(粉煤灰、礦渣微粉)、輕集料和聚合物對(duì)高阻抗高抗?jié)B混凝土的影響，其選用礦物摻合料占膠凝材料的30%，而礦渣微粉與粉煤灰采用3∶7，1∶1，7∶3的摻配比例，評(píng)判指標(biāo)為混凝土電阻率、抗氯離子滲透性和抗壓強(qiáng)度。杜月壘[16]對(duì)盾構(gòu)隧道C50高性能混凝土管片的配合比進(jìn)行了兩階段優(yōu)化設(shè)計(jì)，第1階段采用正交試驗(yàn)，對(duì)混凝土的水泥用量、砂率和水灰比進(jìn)行優(yōu)化，評(píng)判指標(biāo)為7 d和28 d的抗壓強(qiáng)度；第2階段利用單因素變量法，對(duì)復(fù)摻礦渣粉和粉煤灰的比例和摻量進(jìn)行優(yōu)化，評(píng)判指標(biāo)為抗壓強(qiáng)度、抗水滲和抗氯離子滲透性。綜上所述，摻復(fù)合礦料混凝土配合比優(yōu)化可分為單階段優(yōu)化和兩階段優(yōu)化。第1階段設(shè)計(jì)主要以單因素變量法為主，但存在工作量大、變量少的不足。同時(shí)，對(duì)不同研究對(duì)象，評(píng)判指標(biāo)差別較大，尚未發(fā)現(xiàn)針對(duì)摻復(fù)合礦料高寒區(qū)隧道泵送混凝土的配合比優(yōu)化研究。

本研究對(duì)摻復(fù)合礦料高寒區(qū)隧道二次襯砌C30泵送混凝土的配合比進(jìn)行兩階段的優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定水灰比、砂率、單位用水量及粉煤灰和礦渣微粉的復(fù)合摻量，并分析復(fù)摻粉煤灰和礦渣微粉高寒區(qū)泵送混凝土性能改善的微觀機(jī)理，以期為摻復(fù)合礦料高寒區(qū)隧道泵送混凝土的工程應(yīng)用提供參考。

1 原材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料

本試驗(yàn)研究選擇四川某地P.O42.5R型水泥，初凝和終凝時(shí)間分別為151 min和223 min，安定性合格，3 d抗折、抗壓強(qiáng)度均滿足要求，其化學(xué)成分及指標(biāo)見表1。粗集料采用5～31.5 mm的花崗巖連續(xù)級(jí)配碎石。機(jī)制砂為當(dāng)?shù)剀埵瘓?chǎng)生產(chǎn)的花崗巖機(jī)制砂，細(xì)度模數(shù)為2.9，屬于中砂，其技術(shù)指標(biāo)見表2。實(shí)際工程中使用了AL-A2型粉體減水劑，其減水率為14%～22%，摻量經(jīng)試拌確定為水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)的1%。粉煤灰和礦渣微粉采用四川省某公司生產(chǎn)的I級(jí)粉煤灰與S95級(jí)礦渣微粉，其技術(shù)指標(biāo)分別見表3和表4。

表1 水泥的基本化學(xué)成分及指標(biāo)(單位：%)Tab.1 Basic chemical composition and indicators of cement (unit:%)

表2 機(jī)制砂的主要技術(shù)指標(biāo)Tab.2 Main technical indicators of machine-made sand

表3 粉煤灰的主要技術(shù)指標(biāo)(單位：%)Tab.3 Main technical indicators of fly ash (unit:%)

表4 礦渣微粉的主要技術(shù)指標(biāo)Tab.4 Main technical indicators of slag powder

1.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

試驗(yàn)方案分為兩階段的配合比設(shè)計(jì)。第1階段以和易性與力學(xué)性能為控制指標(biāo)，確定機(jī)制砂泵送混凝土的砂率、水灰比和單位用水量；第2階段以抗凍性與抗?jié)B性為控制指標(biāo)，明確粉煤灰和礦渣微粉的摻量。根據(jù)《混凝土泵送施工技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 10—2011)和甘孜州的高寒特點(diǎn)，隧道泵送混凝土具體的設(shè)計(jì)要求見表5。根據(jù)C30泵送混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度和實(shí)測(cè)水泥28 d的抗壓強(qiáng)度，計(jì)算其配制強(qiáng)度為38.2 MPa，水灰比為0.52。

表5 機(jī)制砂泵送混凝土設(shè)計(jì)指標(biāo)Tab.5 Design indicators of pumping concrete with machine-made sand

在高寒環(huán)境下，結(jié)合高寒區(qū)泵送混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求、和易性和耐久性規(guī)定，確定水灰比范圍0.40～0.50，單位用水量范圍190～205 kg/m3，機(jī)制砂率范圍35%～45%。機(jī)制砂泵送混凝土所用碎石最大粒徑31.5 mm。因此，機(jī)制砂泵送混凝土配合比第1階段優(yōu)化3因素3水平的正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)見表6。

表6 機(jī)制砂泵送混凝土第1階段配合比正交試驗(yàn)方案Tab.6 Orthogonal test scheme for mix proportion of pumping concrete with machine-made sand at stage 1

在泵送混凝土配合比第1階段優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，確定粉煤灰和礦渣微粉摻量的第2階段配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)。此前，已設(shè)計(jì)了粉煤灰和礦渣微粉多種復(fù)摻比例的水泥膠砂試驗(yàn)方案，并對(duì)每組試件進(jìn)行了流動(dòng)性和力學(xué)性能測(cè)試分析，發(fā)現(xiàn)隨粉煤灰摻量的增加，水泥膠砂的流動(dòng)性增大，但早期強(qiáng)度降低。然而，高寒的環(huán)境特點(diǎn)要求泵送混凝土不但具有優(yōu)異的流動(dòng)性，還需具有一定的早期強(qiáng)度。同時(shí)，文獻(xiàn)[12]的研究表明，用21%的粉煤灰和9%的礦渣微粉復(fù)摻時(shí)，高寒區(qū)C40機(jī)制砂混凝土將獲得更好的耐久性。因此，本研究選用的粉煤灰和礦渣微粉的最佳復(fù)合比例為7∶3，且本研究的泵送混凝土配合比第2階段優(yōu)化設(shè)計(jì)僅對(duì)粉煤灰和礦渣微粉的最佳摻配總量進(jìn)行探索，其耐久性試驗(yàn)方案見表7。

表7 機(jī)制砂泵送混凝土第2階段配合比試驗(yàn)方案Tab.7 Test scheme for mix proportion of pumping concrete with machine-made sand at stage 2

1.3 試驗(yàn)方法與條件

按照表6試驗(yàn)方案，利用坍落度法對(duì)每組方案的混凝土拌和物進(jìn)行2次和易性平行測(cè)定，然后每組再制作3塊尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件，采用TYE-2000B型壓力試驗(yàn)機(jī)測(cè)定經(jīng)28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后試件的抗壓強(qiáng)度。

第1階段優(yōu)化方案確定后，對(duì)表7中每組方案成型6根尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的小梁試件，均分后分別在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)28 d和90 d。根據(jù)《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E30—2005)中T 0565-2005快速凍融法的相關(guān)要求，選取-20～+5 ℃的凍融溫度范圍，利用KDR-V3型混凝土快速凍融試驗(yàn)機(jī)對(duì)每組試件進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)。然后，對(duì)表7中每組方案再分別制作2根小梁試件，均分后分別在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù) 28 d 和60 d，通過鉆芯取樣每組制備3塊尺寸為φ100 mm×50 mm的圓柱體試件，再根據(jù)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082—2009)中的RCM法，利用氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀對(duì)每組試件的氯離子遷移系數(shù)進(jìn)行測(cè)定。

第2階段優(yōu)化配比確定后，對(duì)摻加礦料最優(yōu)配比組和未摻礦料組分別制備2塊尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件，經(jīng)60 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后，進(jìn)行切割、打磨等工序制作電鏡試樣和壓汞試樣。然后，采用Hitachi S-4800型掃描電鏡和Auto Pore IV 9510 型全自動(dòng)壓汞儀，分別對(duì)2種機(jī)制砂泵送混凝土試樣進(jìn)行界面區(qū)掃描觀察和孔結(jié)構(gòu)參數(shù)測(cè)定。

2 基于和易性與力學(xué)性能的第1階段優(yōu)化配比

2.1 和易性分析

根據(jù)水泥混凝土和易性試驗(yàn)方法，測(cè)定的每組機(jī)制砂泵送混凝土拌和物和易性指標(biāo)見表8，其中坍落度試驗(yàn)結(jié)果分析見正交表9，坍落度K值及R值見圖1。其中，水灰比A的1，2，3水平分別為0.42，0.45，0.48；砂率B的1，2，3水平分別為39%，42%，45%；單位用水量C的1，2，3水平分別為194，198，202 kg/m3。

表8 機(jī)制砂泵送混凝土的和易性測(cè)試結(jié)果Tab.8 Workability test result of pumping concrete with machine-made sand

表9 機(jī)制砂泵送混凝土坍落度試驗(yàn)結(jié)果Tab.9 Slump test result of pumping concrete with machine-made sand

圖1 機(jī)制砂泵送混凝土坍落度K值及R值Fig.1 K and R values of slump of pumping concrete with machine-made sand

由圖1可知，機(jī)制砂泵送混凝土坍落度K值隨A和C水平提高而增加，隨B水平提高而先增后減。通常來講，隨著水灰比和單位用水量的增加，泵送混凝土內(nèi)自由水含量也在增加，從而增大了其流動(dòng)性[17]。同時(shí)，隨著砂率的增加，混凝土塑性黏度先減小后增加，從而造成機(jī)制砂泵送混凝土坍落度也先增后減[18]。當(dāng)水灰比、機(jī)制砂率和單位用水量分別處于3，2，3水平時(shí)，泵送混凝土坍落度K值分別達(dá)到最大值171.67，163.33，168.33 mm。因此，以坍落度為優(yōu)選指標(biāo)得到泵送混凝土最佳組合為A3B2C3。但由表8可知，A3和C3組合的BJ7組混凝土拌和物出現(xiàn)了輕微泌水的現(xiàn)象，而A3與C2或C1組合并無泌水，說明泵送混凝土配合比最佳因素水平組合不宜使用A3和C3組合。同時(shí)，C2因素下的K值為166.67 mm，其僅比C3因素下的K值168.33小1.66 mm，而比C1下的K值140 mm大 16.67 mm，故機(jī)制砂泵送混凝土的最佳因素水平組合應(yīng)為A3B2C2。

2.2 力學(xué)性能分析

泵送混凝土28 d標(biāo)養(yǎng)后的抗壓強(qiáng)度見正交表10，抗壓強(qiáng)度K值及R值見圖2。

表10 機(jī)制砂泵送混凝土28 d抗壓強(qiáng)度結(jié)果Tab.10 Result of 28 d compressive strength of pumping concrete with machine-made sand

圖2 機(jī)制砂泵送混凝土28 d抗壓強(qiáng)度K值及R值Fig.2 K and R values of 28 d compressive strength of pumping concrete with machine-made sand

由圖2可知，機(jī)制砂泵送混凝土28 d抗壓強(qiáng)度K值隨A因素水平的提高而減小，隨B因素水平提高而先增后減，隨C因素水平的提高而增大。通常來講，隨水灰比和單位用水量的增加，泵送混凝土內(nèi)自由水含量也在增加，而自由水是對(duì)混凝土強(qiáng)度不利的因素。同時(shí)，隨著砂率的增加，機(jī)制砂在混凝土中先發(fā)生填充作用，增加了混凝土的密實(shí)性，而后則呈現(xiàn)“滾珠”效應(yīng)，削弱了混凝土中石料間的摩阻力[19]。當(dāng)水灰比、機(jī)制砂率和單位用水量分別處于1，2，3水平時(shí)，機(jī)制砂泵送混凝土28 d抗壓強(qiáng)度K值分別達(dá)到最大值45.27，43.95，46.12 MPa。因此，以28 d抗壓強(qiáng)度為優(yōu)選指標(biāo)，可以得到其最佳因素水平組合為A1B2C3。

2.3 基于和易性與力學(xué)性能的優(yōu)化配比

通過對(duì)機(jī)制砂泵送混凝土的測(cè)試分析可知，其和易性最優(yōu)時(shí)的配合比因素水平組合為A3B2C2，其力學(xué)性能最佳時(shí)的組合為A1B2C3。兩者結(jié)果的差別在于A因素水灰比和C因素單位用水量不一致。結(jié)合高寒區(qū)的環(huán)境特點(diǎn)和特殊的泵送工藝特點(diǎn)可知，隧道二次襯砌機(jī)制砂泵送混凝土在滿足強(qiáng)度要求后，必須要具備優(yōu)異的和易性，即應(yīng)將和易性放在首位，兼顧力學(xué)性能要求。因此，應(yīng)先擬定A3B2C2組為最佳因素水平組合，推測(cè)其抗壓強(qiáng)度是否滿足要求。

根據(jù)表10可知，A3B2C1組合的抗壓強(qiáng)度為39.33 MPa，故其能滿足表5中抗壓強(qiáng)度≥38 MPa的要求。同時(shí)，由圖2中抗壓強(qiáng)度與各因素水平的關(guān)系可知，泵送混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度K值隨C因素水平的提高而增大，故A3B2C2組合的抗壓強(qiáng)度大于A3B2C1組合的抗壓強(qiáng)度，即A3B2C2組合也應(yīng)能滿足表5中抗壓強(qiáng)度≥38 MPa的要求。因此，A3B2C2組合應(yīng)可作為高寒區(qū)泵送混凝土綜合性能最優(yōu)的組合。A3B2C2組合各因素水平的取值分別為：水灰比0.48，砂率42%，單位用水量198 kg/m3。

3 基于耐久性的二階段優(yōu)化配比

3.1 抗凍性結(jié)果分析

摻不同礦料(單摻礦渣微粉S、雙摻F-S復(fù)合礦料和單摻粉煤灰F)機(jī)制砂泵送混凝土28 d和90 d標(biāo)養(yǎng)后的抗凍性能見圖3(a)～(b)。

圖3 抗凍性能隨礦料摻量的變化Fig.3 Freezing resistance varying with mineral content

根據(jù)表5的抗凍要求可知，圖3(a)中BS3，BS5，BS6，BS8和BS9組泵送混凝土的抗凍性能滿足≥F80要求，圖3(b)中僅BS0組泵送混凝土的抗凍性能不滿足要求。由圖3可知，在0～30%摻量范圍內(nèi)，28 d和90 d齡期泵送混凝土抗凍性能隨3種礦料摻量的增加而增大，且各組泵送混凝土90 d的抗凍性能均高于其28 d的抗凍性能，摻加礦料組的泵送混凝土抗凍性能均高于未摻組的抗凍性能。在摻量為30%時(shí)，相比于未摻組，單摻礦渣微粉S、雙摻F-S復(fù)合礦料和單摻粉煤灰F的28 d泵送混凝土抗凍性能分別提高了90%，80%，60%，90 d抗凍性能分別提高了83.33%，100%，83.33%。

綜上所述，摻加粉煤灰、礦渣微粉或F-S復(fù)合礦料均能提高泵送混凝土的抗凍性能，且粉煤灰、礦渣微粉對(duì)90 d泵送混凝土抗凍性能的提升作用相當(dāng)，但礦渣微粉作用主要在前期發(fā)揮，而粉煤灰作用主要在后期展現(xiàn)，因而雙摻F-S復(fù)合礦料為30%時(shí)的BS9組既能獲得足夠的早期抗凍性能，又能得到最優(yōu)的后期抗凍性能。

3.2 抗?jié)B性結(jié)果分析

摻不同礦料(單摻礦渣微粉S、單摻粉煤灰F和雙摻F-S復(fù)合礦料)機(jī)制砂泵送混凝土28 d和60 d 標(biāo)養(yǎng)后的氯離子遷移系數(shù)DRCM見圖4(a)～(b)。

圖4 氯離子遷移系數(shù)隨礦料摻量的變化Fig.4 Chloride ion migration coefficient varying with mineral content

根據(jù)表5的抗?jié)B要求可知，圖4中各組泵送混凝土抗?jié)B性均滿足≤15×10-12m2/s要求。由圖4可知，在0～30%摻量范圍內(nèi)，28 d和60 d齡期泵送混凝土的DRCM值隨3種礦料摻量的增加均呈下降趨勢(shì)，且摻加礦料后的泵送混凝土DRCM值均低于未摻組。在摻量為30%時(shí)，相比于未摻組，單摻礦渣微粉、雙摻F-S復(fù)合礦料和單摻粉煤灰28 d泵送混凝土的DRCM值分別降低了50.34%，44.97%，21.48%，60 d的DRCM值分別降低了63.08%，52.31%，29.23%。

綜上所述，摻加粉煤灰、礦渣微粉或F-S復(fù)合礦料均能降低泵送混凝土的DRCM值，且單摻礦渣微粉30%時(shí)的BS6組效果最好，其次是雙摻F-S復(fù)合礦料的BS9組。

3.3 基于耐久性的優(yōu)化配比

通過對(duì)摻不同礦料隧道機(jī)制砂泵送混凝土抗凍性及抗?jié)B性的分析可知，無論是單摻粉煤灰、礦渣微粉，還是雙摻F-S復(fù)合礦料均可有效提高泵送混凝土的抗凍性能和抗?jié)B性能。這可能是由于礦料參與了早期的水泥水化反應(yīng)，增強(qiáng)了混凝土界面區(qū)的強(qiáng)度，并改善了混凝土的孔結(jié)構(gòu)分布，具體見下述分析。同時(shí)，雙摻F-S復(fù)合礦料為30%的BS9組泵送混凝土不僅具有足夠的早期抗凍性能和抗?jié)B性能，還具備最優(yōu)的后期抗凍性能和較好的后期抗?jié)B性能。盡管單摻礦渣微粉30%時(shí)的BS6組泵送混凝土具備最佳的抗?jié)B性能，但BS9組抗?jié)B效果與其較為接近，且其后期抗凍性能并非最優(yōu)。此外，粉煤灰的市價(jià)為180元/t，礦渣微粉的市價(jià)為220元/t。因此，在粉煤灰F與礦渣微粉S摻配比例為7∶3時(shí)，雙摻F-S復(fù)合礦料為30%的BS9組泵送混凝土不僅能滿足高寒環(huán)境下耐久性設(shè)計(jì)的要求，而且還具有很好的經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)是泵送混凝土礦料摻配的最優(yōu)組。

3.4 第1階段配比優(yōu)化指標(biāo)驗(yàn)證

鑒于流動(dòng)性會(huì)影響高寒區(qū)隧道泵送混凝土的可泵性，且襯砌應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性以保證隧道的長(zhǎng)期安全使用，而粉煤灰和礦渣微粉的摻入也會(huì)對(duì)混凝土的工作性、抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生影響，故應(yīng)檢驗(yàn)摻復(fù)合礦料混凝土第2階段配合比優(yōu)化后的工作性和抗壓強(qiáng)度。同時(shí)，該工作也使得高寒區(qū)隧道泵送混凝土兩階段優(yōu)化設(shè)計(jì)方法臻于系統(tǒng)和完美。因此，根據(jù)前述兩階段配合比優(yōu)化結(jié)果，選出摻30%復(fù)合礦料的BS9組制作混凝土拌和物，并制作3塊標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊，分別進(jìn)行工作性和抗壓強(qiáng)度測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如表11所示。

表11 摻復(fù)合礦料泵送混凝土BS9工作性與力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果Tab.11 Test result of workability and mechanical properties of BS9 pumping concrete with composite mineral aggregate

結(jié)合表5和表11可知，經(jīng)過兩階段優(yōu)化后的摻復(fù)合礦料泵送混凝土BS9組的工作性和力學(xué)性能完全滿足設(shè)計(jì)要求。

4 摻復(fù)合礦料泵送混凝土優(yōu)化的微觀機(jī)理研究

4.1 界面區(qū)結(jié)構(gòu)掃描電鏡研究

摻21%粉煤灰與9%礦渣微粉的BS9組和未摻礦料的BS0組泵送混凝土集料與水泥漿石界面區(qū)的1 000 倍和30 000倍掃描結(jié)果見圖5(a)～(d)。

1—鈣礬石；2—水化硅酸鈣凝膠；3—?dú)溲趸}晶體；4—水泥石；5—界面區(qū)；6—機(jī)制集料。圖5 不同樣品的界面區(qū)形貌Fig.5 Interface morphologies of different samples

綜上所述，F(xiàn)-S復(fù)合礦料中的礦渣微粉和粉煤灰分別在早期和后期參與水化反應(yīng)，消耗大量的Ca(OH)2，生成較為致密C-S-H凝膠和C-A-H晶體等水化產(chǎn)物，同時(shí)增強(qiáng)了水化產(chǎn)物之間的聯(lián)接強(qiáng)度，使機(jī)制砂泵送混凝土界面區(qū)更加致密化，界面區(qū)裂縫寬度縮小，裂縫數(shù)量減小，進(jìn)而有效抑制了水分子和有害離子的滲入，增強(qiáng)了其力學(xué)強(qiáng)度、抗凍性和抗?jié)B性。

4.2 混凝土孔結(jié)構(gòu)壓汞試驗(yàn)研究

根據(jù)吳中偉院士提出的混凝土孔隙等級(jí)劃分概念[20]，可據(jù)孔徑大小對(duì)混凝土的損害程度將孔結(jié)構(gòu)劃分為無害級(jí)孔(<20 nm)、少害級(jí)孔(20～50 nm)、有害級(jí)孔(50～200 nm)和多害級(jí)孔(>200 nm)。其中，大于50 nm的孔對(duì)混疑土強(qiáng)度開始有明顯的劣化作用。利用Auto Pore IV 9510 型全自動(dòng)壓汞儀對(duì)機(jī)制砂泵送混凝土進(jìn)行孔結(jié)構(gòu)參數(shù)測(cè)定，BS0組和BS9組泵送混凝土的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)和不同孔類所占比例分別如表12和圖6(a)～(b)所示。

表12 BS0和BS9壓汞試樣的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)測(cè)試結(jié)果Tab.12 Test result of pore structure parameters of BS0 and BS9 pumping concrete samples

由表12可知，相比BS0組，BS9組泵送混凝土的孔總表面積增加了8.16%，有效孔隙率增加了6.7%，平均孔徑和面積中值孔徑分別下降了9.79%和16.27%，最可幾孔徑大致相等。摻加F-S復(fù)合礦料的泵送混凝土平均孔徑由50.1 mm的有害級(jí)孔降為40.5 mm的少害級(jí)孔。由圖6可知，相比BS0組，BS9組泵送混凝土多害孔、有害孔及少害孔的比例分別下降了2.4%，1.02%，1.37%，無害孔的比例提高了4.79%。粉煤灰和礦渣微粉復(fù)摻可細(xì)化泵送混凝土中的孔結(jié)構(gòu)的原因可能有兩個(gè)，一是粉煤灰和礦渣微粉的顆粒較小、比表面積較大，可填充混凝土中較大的孔，發(fā)生了微集料填充效應(yīng)[12,19]，使有害孔和少害孔轉(zhuǎn)變?yōu)闊o害孔；二是粉煤灰和礦渣微粉發(fā)生水化和火山灰等反應(yīng)，生成的C-S-H凝膠和C-A-H晶體等產(chǎn)物孔徑較小(約1.5×10-9m)，且凝膠產(chǎn)物的冰點(diǎn)較低，其孔內(nèi)的水不會(huì)發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象[11]，這些產(chǎn)物增強(qiáng)了泵送混凝土的致密程度，使得其抵抗外部環(huán)境的能力大幅提升。因此，摻加F-S復(fù)合礦料能夠細(xì)化機(jī)制砂泵送混凝土內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)，優(yōu)化孔徑分布狀況，使得無害孔的比例增加，有害孔的比例下降，從而改善其微觀孔結(jié)構(gòu)，有效減少水分和有害離子的滲入，提升其強(qiáng)度、抗凍性和抗?jié)B性。

圖6 泵送混凝土孔類比例Fig.6 Proportion of pores in pumping concrete

5 結(jié)論

結(jié)合高寒區(qū)機(jī)制砂泵送混凝土的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要求，提出了基于正交試驗(yàn)的兩階段配合比設(shè)計(jì)優(yōu)化方法。其中，第1階段優(yōu)化設(shè)計(jì)以泵送混凝土和易性和力學(xué)性能為控制指標(biāo)，第2階段優(yōu)化設(shè)計(jì)以其抗凍性和抗?jié)B性為控制指標(biāo)。同時(shí)，對(duì)優(yōu)化后的雙摻F-S復(fù)合礦料泵送混凝土的界面區(qū)結(jié)構(gòu)和孔結(jié)構(gòu)與空白組進(jìn)行了對(duì)比，得到如下結(jié)論：

(1)通過對(duì)雙摻F-S復(fù)合礦料高寒區(qū)隧道機(jī)制砂泵送混凝土第1階段配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)可知，當(dāng)水灰比為0.48、砂率為42%，單位用水量為198 kg/m3時(shí)，泵送混凝土的和易性和力學(xué)性能最佳。

(2)根據(jù)第2階段配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)可知，單摻粉煤灰、礦渣微粉和雙摻F-S均可有效提高泵送混凝土的抗凍性和抗?jié)B性，且當(dāng)粉煤灰與礦渣微粉摻配比例為7∶3，雙摻F-S摻量為30%時(shí)，泵送混凝土的抗凍性和抗?jié)B性最優(yōu)。

(3)雙摻F-S改善機(jī)制砂泵送混凝土的界面區(qū)結(jié)構(gòu)和孔結(jié)構(gòu)的原理分別為：礦渣微粉和粉煤灰分別在早期和后期參與水化反應(yīng)，生成較為致密的C-S-H凝膠和C-A-H晶體等水化產(chǎn)物，縮小了泵送混凝土界面區(qū)的裂縫寬度，增強(qiáng)了界面區(qū)強(qiáng)度。礦渣微粉和粉煤灰的微集料填充效應(yīng)和致密的水化產(chǎn)物細(xì)化了泵送混凝土的孔結(jié)構(gòu)，減少了水分和有害離子的滲入，進(jìn)而提高了其強(qiáng)度、抗凍性和抗?jié)B性。