粉煤灰取代率對(duì)高巖溫條件噴射混凝土力學(xué)性能的影響

郭春紅

(河北省子牙河河務(wù)中心，河北 衡水 053000)

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

根據(jù)噴射混凝土的使用規(guī)范和要求，宜選用硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，且速凝劑需要和水泥材料相容，強(qiáng)度等級(jí)不小于42.5 MPa[1]?；诖?，此次研究選擇錦州方北建材有限公司出品的P·O42.5普通硅酸鹽水泥。對(duì)水泥樣品的主要性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果如表1所示。由表1可知，水泥材料的各指標(biāo)均滿足試驗(yàn)要求，可以用于此次試驗(yàn)研究。

表1 水泥樣品主要性能指標(biāo)測(cè)定結(jié)果

試驗(yàn)用粉煤灰為安徽淮南常華電力實(shí)業(yè)總公司生產(chǎn)的Ⅱ級(jí)粉煤灰，其需水量比為100%，燒失量為1.58%；含水量為0.5%，各項(xiàng)檢測(cè)結(jié)果符合 C30 混凝土技術(shù)指標(biāo)。

噴射混凝土對(duì)細(xì)骨料的要求較高，需要使用細(xì)度模數(shù)不小于2.5的粗砂或中砂[2]。根據(jù)相關(guān)要求，此次研究選擇的是錦州市啟航砂石料廠提供的中砂，其細(xì)度模數(shù)為2.59，含泥量小于2.1%，堆積密度為1870 kg/m3，用于噴射混凝土的拌制較為理想。

噴射混凝土的粗骨料適合使用質(zhì)地堅(jiān)硬、耐久性好的卵石或碎石，其粒徑不宜大于12 .0 mm。此次研究選擇的啟航砂石料廠提供的人共碎石，其巖性為石灰?guī)r，質(zhì)地堅(jiān)硬，壓碎率小于2.3%，粒徑范圍為5.2～10.0 mm。

在噴射混凝土施工過(guò)程中，為了保證混凝土中的膠凝物質(zhì)可以迅速凝固，使噴射混凝土何為言及早成為一體，往往需要加入速凝劑[3]。此次研究選擇的是四川凱彤建筑材料有限公司生產(chǎn)的KTA-08型速凝劑，其初凝時(shí)間為2.5 min，終凝時(shí)間為5.5 min，摻量為水泥用量的4%。

試驗(yàn)中使用的減水劑為四川凱彤建筑材料有限公司生產(chǎn)KTA-01聚羥酸效減水劑；試驗(yàn)用水為普通自來(lái)水。

1.2 試驗(yàn)方案

為了研究不同粉煤灰取代率對(duì)高巖溫情況下噴射混凝土力學(xué)性能的影響，試驗(yàn)中結(jié)合相關(guān)研究成果和粉煤灰混凝土的工程經(jīng)驗(yàn)，利用粉煤灰取代部分細(xì)骨料，同時(shí)設(shè)定0%、10%、20%、30%、40%和50%等6種不同的粉煤灰取代率進(jìn)行試驗(yàn)。不同取代率方案的配合比如表2所示。

表2 不同試驗(yàn)方案每立方米材料用量

1.3 試件方法

結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究成果和工程經(jīng)驗(yàn)，在噴射混凝土制作時(shí)采用二次攪拌工藝[4]。為了避免混凝土成型過(guò)程密實(shí)度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果可能產(chǎn)生的影響，在混凝土裝模過(guò)程中要先用抹刀進(jìn)行人工插搗，然后再放在振動(dòng)臺(tái)上振搗密實(shí)。在混凝土養(yǎng)護(hù)過(guò)程中需要模擬高巖溫情況，結(jié)合我國(guó)水工隧洞高巖溫工程實(shí)際，設(shè)計(jì)40 ℃、60 ℃和80 ℃ 3種不同的巖溫水平。同時(shí)，為了避免濕度因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果可能產(chǎn)生的影響，養(yǎng)護(hù)濕度保持為95%以上。

對(duì)養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期的噴射混凝土試件利用FTC-2000力學(xué)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，并記錄好相應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)[5]。根據(jù)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，獲取粉煤灰取代率對(duì)高巖溫情況下噴射混凝土物理力學(xué)性能的影響規(guī)律。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 抗壓強(qiáng)度

對(duì)不同粉煤灰取代率試件在不同養(yǎng)護(hù)溫度條件下的28 d齡期抗壓強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制出如圖1所示的噴射混凝土抗壓強(qiáng)度隨粉煤灰取代率的變化曲線。由圖1可以看出，巖溫對(duì)噴射混凝土的強(qiáng)度存在十分明顯的影響，隨著圍巖巖溫的升高，噴射混凝土的強(qiáng)度會(huì)迅速下降。由此可見(jiàn)，采取必要的工程措施降低巖溫對(duì)噴射混凝土的影響具有重要的工程意義和價(jià)值。另一方面，在噴射混凝土中摻入粉煤灰能夠顯著提高高巖溫環(huán)境下噴射混凝土的強(qiáng)度，具有重要的工程意義和價(jià)值。從具體的變化規(guī)律來(lái)看，隨著粉煤灰取代率的增加，噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出先迅速升高后緩慢下降的變化趨勢(shì)。當(dāng)粉煤灰取代率為30%時(shí)的抗壓強(qiáng)度值達(dá)到最大。究其原因，主要是粉煤灰取代部分細(xì)骨料之后，可以部分起到膠凝材料的作用，還可以發(fā)揮其微集料效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)骨料級(jí)配的進(jìn)一步優(yōu)化，使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為密實(shí)，因此混凝土的強(qiáng)度值有所提高。當(dāng)然，粉煤灰的效用并不是無(wú)限的，如果粉煤灰的取代率過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致混凝土中河沙數(shù)量的大幅減少，因此造成骨料級(jí)配的斷層現(xiàn)象，不僅會(huì)不會(huì)改善混凝土內(nèi)部的骨架結(jié)構(gòu)，增加密實(shí)性，反而會(huì)影響混凝土自身的性能，并表現(xiàn)為混凝土抗壓強(qiáng)度值的降低。

圖1 抗壓強(qiáng)度隨粉煤灰取代率的變化曲線

2.2 抗折強(qiáng)度

對(duì)不同粉煤灰取代率試件在不同養(yǎng)護(hù)溫度條件下的28 d齡期抗折強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制出如圖2所示的噴射混凝土抗折強(qiáng)度隨粉煤灰取代率的變化曲線。由圖2可以看出，與抗壓強(qiáng)度類似，巖溫對(duì)噴射混凝土的抗折強(qiáng)度存在十分明顯的影響，隨著圍巖巖溫的升高，噴射混凝土的抗折強(qiáng)度會(huì)迅速下降；添加粉煤灰有助于提升噴射混凝土在高巖溫環(huán)境下的抗折強(qiáng)度，具有重要的工程意義和價(jià)值。隨著粉煤灰取代率的增加，噴射混凝土的抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)出先迅速增加后不斷下降的變化趨勢(shì)，其原因和抗壓強(qiáng)度類似這里不再?gòu)?fù)述。從具體的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，當(dāng)粉煤灰取代率為30%時(shí)噴射混凝土的抗折強(qiáng)度值最大。此外，圍巖巖溫越高，摻加粉煤灰的工程效果越明顯。例如，圍巖巖溫為80 ℃時(shí)，粉煤灰取代率30%與不摻加粉煤灰相比，噴射混凝土的強(qiáng)度值增加約49.16%，而圍巖溫度為40 ℃時(shí)僅增加約27.11%。

圖2 抗折強(qiáng)度隨粉煤灰取代率變化曲線

2.3 劈裂抗拉強(qiáng)度

對(duì)不同粉煤灰取代率試件在不同養(yǎng)護(hù)溫度條件下的28 d齡期劈裂抗拉強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制出如圖3所示的噴射混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度隨粉煤灰取代率的變化曲線。由圖3可以看出，高巖溫條件下劈裂抗拉強(qiáng)度的變化規(guī)律與抗折強(qiáng)度較為相似，當(dāng)粉煤灰的取代率為30%時(shí)的劈裂抗拉強(qiáng)度值最大。

圖3 劈裂抗拉強(qiáng)度隨粉煤灰取代率變化曲線

3 結(jié) 論

(1)摻入一定比例的粉煤灰，可以有效增加高巖溫環(huán)境下噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

(2)隨著粉煤灰取代率的增加，噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)出先迅速增加后不斷降低的變化特點(diǎn)。

(3)當(dāng)粉煤灰取代率為30%時(shí)，噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度值最大，為最佳取代率。

(4)圍巖巖溫越高，粉煤灰對(duì)噴射混凝土力學(xué)性能的改善效果越好。