粉煤灰摻量對噴射混凝土耐久性的影響試驗(yàn)

張俊儒， 王 衛(wèi)， 崔 耀， 歐小強(qiáng)

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610031)

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粉煤灰摻量對噴射混凝土耐久性的影響試驗(yàn)

張俊儒， 王 衛(wèi)， 崔 耀， 歐小強(qiáng)

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610031)

為了研制環(huán)保節(jié)能噴射混凝土，在噴射混凝土膠凝材料中摻入盡可能多的工業(yè)廢料粉煤灰代替普通硅酸鹽水泥，開展粉煤灰摻量對噴射混凝土耐久性的影響試驗(yàn)研究。通過研究得到以下結(jié)論： 粉煤灰對噴射混凝土的早期抗壓強(qiáng)度影響較大，對其后期抗壓強(qiáng)度影響相對較小；在噴射混凝土膠凝材料中摻入20%以下的粉煤灰等量代替普通硅酸鹽水泥，可保證噴射混凝土基本力學(xué)性能，并能夠有效提高其耐久性能，降低工程造價；電通量能夠綜合反映噴射混凝土的密實(shí)性，可作為噴射混凝土的一個綜合耐久性指標(biāo)。

粉煤灰； 噴射混凝土； 電通量； 抗?jié)B性； 抗硫酸鹽腐蝕性； 耐久性

0 引言

目前，噴射混凝土使用的膠凝材料主要以普通硅酸鹽水泥為主，此種現(xiàn)代混凝土所用的主要水硬性膠凝材料是一種工業(yè)產(chǎn)品，水泥工業(yè)不僅耗能大，而且排放大量的CO2，生產(chǎn)1 t硅酸鹽水泥熟料要向大氣排放近1 t CO2。為了追求一種可持續(xù)工業(yè)發(fā)展的整體論途徑，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，必須開始工業(yè)生態(tài)學(xué)實(shí)踐。所謂工業(yè)生態(tài)學(xué)實(shí)踐是指將一種工業(yè)的廢棄物回收，替代另一種工業(yè)用的原生態(tài)原材料，從而減小兩者對環(huán)境的危害[1]。短期內(nèi)大量減排水泥生產(chǎn)中CO2的最佳戰(zhàn)略是： 通過使水泥中的礦物摻和料比例最大化以盡量減小最終產(chǎn)品的熟料因子； 在各種技術(shù)、經(jīng)濟(jì)上可行的礦物摻和料中，燃煤電廠產(chǎn)生的粉煤灰具備大量減少混凝土膠凝材料組分產(chǎn)生中CO2排放的最大潛力。

現(xiàn)行的公路、鐵路隧道和地鐵等規(guī)范對噴射混凝土都有明確的規(guī)定，JTG/T D70—2010《公路隧道設(shè)計細(xì)則》[2]中的規(guī)定為“公路隧道噴射混凝土的設(shè)計強(qiáng)度等級不應(yīng)低于C20；重要隧道及豎井、斜井工程，噴射混凝土設(shè)計強(qiáng)度等級不宜低于C25”； TB 10003—2005《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》[3]中的規(guī)定為“隧道工程用的噴射混凝土強(qiáng)度等級應(yīng)滿足耐久性要求，并不應(yīng)低于C20”； GB 50157—2013《地鐵設(shè)計規(guī)范》[4]中的規(guī)定為“隧道工程用的噴射混凝土強(qiáng)度等級應(yīng)符合耐久性要求，一般環(huán)境條件下的混凝土設(shè)計強(qiáng)度等級不得低于C25”； GB 50086—2001《錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》[5]中的規(guī)定為“噴射混凝土的設(shè)計強(qiáng)度等級不應(yīng)低于C15；對于豎井及重要隧洞和斜井工程，噴射混凝土的設(shè)計強(qiáng)度等級不應(yīng)低于C20”。可以看出，現(xiàn)行的規(guī)范只針對噴射混凝土的強(qiáng)度給出了具體的指標(biāo)，基于此，本文的總體研究思路就是在保證噴射混凝土基本力學(xué)性能以及更好耐久性的基礎(chǔ)上，將噴射混凝土膠凝材料中摻入盡可能多的粉煤灰代替水泥，從而減少單位噴射混凝土水泥用量，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

有關(guān)粉煤灰摻量對普通模筑混凝土性能影響的研究較多，但因其與噴射混凝土的配合比和施工工藝有較大差異，其研究成果對噴射混凝土無直接可利用價值； 而關(guān)于粉煤灰摻量對噴射混凝土性能影響的研究，目前也有一些成果。羅勇等[6]研究了粉煤灰摻量對噴射混凝土力學(xué)性能的影響，指出噴射混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度與粉煤灰摻量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，粉煤灰摻量越高，抗壓、抗拉和抗折強(qiáng)度損失越大； 申文萍[7]研究了單摻粉煤灰對噴射混凝土力學(xué)性能的影響，得到隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土抗壓、劈裂抗拉和抗折強(qiáng)度均降低，當(dāng)粉煤灰摻量在15%以內(nèi)時，強(qiáng)度下降率較低； 丁莎等[8-9]通過試驗(yàn)研究了噴射粉煤灰混凝土的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，指出養(yǎng)護(hù)齡期對噴射粉煤灰混凝土微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能影響大，且微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能之間存在密切聯(lián)系，粉煤灰的最佳摻量為20%左右，超過此摻量噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度降低；梁丹等[10]研究了噴射混凝土中粉煤

灰的摻量對凝結(jié)時間、抗壓強(qiáng)度和抗硫酸鹽腐蝕能力的影響，得到了粉煤灰最高摻量為30%、調(diào)整水泥與速凝劑的比例可加快凝結(jié)時間、加入早強(qiáng)劑可提高噴射混凝土強(qiáng)度以及粉煤灰可以提高噴射混凝土抗硫酸鹽腐蝕能力等結(jié)論；丁鵬等[11]研究了硅灰粉煤灰對噴射混凝土物理力學(xué)性能的影響，得到硅灰可以提高噴射混凝土的早期強(qiáng)度，但會降低坍落度，而粉煤灰雖會降低早期強(qiáng)度，但經(jīng)一段時間激活后可以提高后期強(qiáng)度。已有的研究成果主要集中于研究粉煤灰摻量對噴射混凝土力學(xué)性能的影響，粉煤灰合理摻量在15%～30%，研究成果差異較大； 而關(guān)于粉煤灰摻量對噴射混凝土耐久性能的影響研究較少。基于以上背景，本文以目前工程中常用的C25噴射混凝土為對象，在研究粉煤灰摻量對噴射混凝土抗壓強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)展開粉煤灰摻量對噴射混凝土耐久性的影響試驗(yàn)研究，包括電通量、抗硫酸鹽腐蝕、抗?jié)B性能和吸水率等指標(biāo)，以期在確保C25噴射混凝土力學(xué)性能以及耐久性的基礎(chǔ)上，采用盡可能多的粉煤灰等量代替水泥，實(shí)現(xiàn)廢物利用和節(jié)能減排，順應(yīng)低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，進(jìn)一步降低噴射混凝土施工成本。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)儀器

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 水泥

試驗(yàn)選用龍巖雁石華潤P·O 42.5水泥，比表面積366 m2/kg，顆粒形狀不規(guī)則且表面粗糙，粒徑范圍1.21～120.29 μm。水泥各項物理性能見表1，水泥的化學(xué)組分見表2。

表1 水泥物理力學(xué)性能

表2 水泥和粉煤灰粉體的化學(xué)組分

1.1.2 粉煤灰

試驗(yàn)選用遼寧華能電廠生產(chǎn)的Ⅱ級粉煤灰，比表面積為750 m2/kg，顆粒形狀為表面光滑球狀玻璃體，粒徑范圍0.86～74.12 μm。粉煤灰的化學(xué)組分見表2，粉煤灰各項物理性能見表3。

1.1.3 粗骨料

試驗(yàn)在漳(州)永(安)高速公路官田隧道現(xiàn)場實(shí)施，粗細(xì)骨料均為地材，粗骨料參數(shù)見表4。

表3 粉煤灰物理性能

表4 粗骨料參數(shù)

1.1.4 細(xì)骨料

細(xì)骨料參數(shù)見表5。

表5 細(xì)骨料參數(shù)

1.1.5 外加劑

速凝劑選用漳州市金文實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的硅酸鈉促凝劑，20 ℃密度1.376 g/cm3，模數(shù)3.32；減水劑選用巴斯夫廈門宏發(fā)先科新型建材有限公司生產(chǎn)的緩凝型高效減水劑，減水率16%。

1.2 試驗(yàn)儀器

水泥、粉煤灰的粉體顆粒粒度分布及形狀的確定，采用BT-2001干濕法兩用激光粒度分析儀和BT-1600圖像顆粒分析系統(tǒng)。BT-2001干濕法兩用激光粒度分析儀測量范圍0.1～1 000 μm，BT-1600圖像顆粒分析系統(tǒng)測量范圍1～3 000 μm。

水泥及粉煤灰

組分測定采用CZF-6型水泥組分測定儀，水泥組分測定儀溫度控制范圍0～60 ℃，定時范圍0～100 min。

抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用WE-600B數(shù)顯式萬能試驗(yàn)機(jī)，有效測量范圍10%～100%；電通量試驗(yàn)采用NEL-PEU型混凝土電通量測定儀，工作電壓為220 V AC & 60 V DC，測試時間為6 h；抗?jié)B試驗(yàn)采用HP-4.0型混凝土滲透儀，最大試驗(yàn)力4 MPa，工作方式為自動加壓；抗硫酸鹽腐蝕試驗(yàn)采用NELD-VS830混凝土硫酸鹽干濕循環(huán)試驗(yàn)機(jī)，硫酸鹽侵蝕溫度為20～25 ℃，加熱烘干溫度為(80±5) ℃，冷卻溫度為25～30 ℃。

2 試驗(yàn)配合比

試驗(yàn)選取常用的C25噴射混凝為基準(zhǔn)，在現(xiàn)場經(jīng)試噴后確定C25噴射混凝土的主要參數(shù)如下： 水泥434.7 kg/m3，細(xì)骨料930 kg/m3，粗骨料859 kg/m3，水182 kg/m3，減水劑4.35 kg/m3，速凝劑21.73 kg/m3。在確保總膠凝材料質(zhì)量不變的條件下，以粉煤灰分別等量代替水泥10%、20%、30%和40%，形成如表6中的5個配合比展開試驗(yàn)。

表6 每立方米C25噴射混凝土膠凝材料用量

3 試驗(yàn)項目及試驗(yàn)結(jié)果分析

噴射混凝土的密實(shí)性是影響其耐久性的重要指標(biāo)，其優(yōu)劣直接影響噴射混凝土的吸水性、抗氯離子滲透性以及抗?jié)B性等。因此，在研究粉煤灰摻量對噴射混凝土抗壓強(qiáng)度影響的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)展開粉煤灰摻量對噴射混凝土吸水率、電通量、抗?jié)B性和抗硫酸鹽腐蝕性能等指標(biāo)的試驗(yàn)研究，噴射混凝土設(shè)備采用Sika-PM500濕噴機(jī)械手。

3.1 噴射混凝土抗壓強(qiáng)度

噴射混凝土作為初期支護(hù)或永久性支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖直接接觸，因此其初期強(qiáng)度和長期強(qiáng)度同樣重要。關(guān)于噴射混凝土的初期強(qiáng)度(1、3 d的抗壓強(qiáng)度)，作者曾基于復(fù)摻膠凝材料的噴射混凝土進(jìn)行了較為詳細(xì)的試驗(yàn)研究，研究中在確保總膠凝材料質(zhì)量不變的條件下，以粉煤灰或礦粉分別等量代替水泥的質(zhì)量，共計進(jìn)行了7組復(fù)摻噴射混凝土的早期強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。研究成果概括如下： 一方面，粉煤灰或礦粉的摻入對噴射混凝土的早期強(qiáng)度可造成一定的影響，降幅顯著，而且隨著摻量的增加早期抗壓強(qiáng)度逐漸減小； 另一方面，當(dāng)粉煤灰摻量為水泥質(zhì)量的20%時，1 d的抗壓強(qiáng)度為8.0 MPa。

表7 復(fù)摻噴射混凝土早期抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

Table 7 Test results of early compressive strength of shotcrete with different contents of materials

配比類型粉煤灰占比/%礦粉占比/%抗壓強(qiáng)度/MPa1d3dJZ0016.725.3F202008.016.4F303007.411.3S200209.314.4S20F1010207.016.8S20F2020207.312.2S20F3030206.67.2

對于噴射混凝土1 d的抗壓強(qiáng)度指標(biāo)要求，各國規(guī)范也不盡相同，日本道路協(xié)會和道路公團(tuán)的要求是5 MPa； 歐洲EFNARC對在噴射混凝土厚層施工和有涌水的場合，1 d的抗壓強(qiáng)度要求是5 MPa； 挪威標(biāo)準(zhǔn)對噴射混凝土用作永久支護(hù)時1 d的抗壓強(qiáng)度要求是2 MPa；我國TZ 214—2005《客運(yùn)專線鐵路隧道工程施工技術(shù)指南》[12]對噴射混凝土1 d的抗壓強(qiáng)度要求是5 MPa，而我國TB 10753—2010《高速鐵路隧道工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》對噴射混凝土1 d的抗壓強(qiáng)度要求是10 MPa。因此，總體來看，噴射混凝土1 d的抗壓強(qiáng)度達(dá)到8 MPa以上可滿足大部分規(guī)范中的要求。

基于以上研究，本文重點(diǎn)對噴射混凝土7、14、28、56 d的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了試驗(yàn)，試件為100 mm×100 mm×100 mm的立方體，試驗(yàn)結(jié)果如表8及圖1所示。由圖1可以看出：

表8 C25粉煤灰噴射混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖1 噴射混凝土各配合比抗壓強(qiáng)度隨齡期變化曲線

Fig. 1 Curves showing relationships between compressive strengths of shotcrete with different proportions and curing days

1)在噴射混凝土5組試驗(yàn)中，28 d抗壓強(qiáng)度均達(dá)到了C25強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。與基準(zhǔn)配合比相比，粉煤灰摻量在10%～20%，單軸抗壓強(qiáng)度影響不大；但粉煤灰摻量在30%～40%，28 d單軸抗壓強(qiáng)度降幅為7.9%～14.4%，56 d單軸抗壓強(qiáng)度降幅為8.5%～10.0%。

2)粉煤灰摻量在10%～40%，噴射混凝土早期抗壓強(qiáng)度均有降低。與基準(zhǔn)配合比相比，摻量在10%～20%，7 d單軸抗壓強(qiáng)度降幅5.4%～10.8%，14 d單軸抗壓強(qiáng)度降幅1.4%～3.4%； 摻量在30%～40%，7 d單軸抗壓強(qiáng)度降幅27.0%～30.1%，14 d單軸抗壓強(qiáng)度降幅20.0%～23.1%。相比較而言，當(dāng)粉煤灰摻量超過30%后，早期單軸抗壓強(qiáng)度降幅顯著。

3)從噴射混凝土強(qiáng)度隨混凝土齡期的生長來看，粉煤灰噴射混凝土的后期強(qiáng)度漲幅明顯大一些。當(dāng)粉煤灰摻量小于20%時，粉煤灰對噴射混凝土的單軸抗壓強(qiáng)度影響較小，單從強(qiáng)度的影響角度考慮，粉煤灰摻量為20%是可行的。

3.2 噴射混凝土吸水率和電通量

噴射混凝土飽和面干吸水率能間接表征混凝土的密實(shí)程度，反映硬化混凝土內(nèi)部的連通毛細(xì)孔隙率。混凝土密實(shí)度越差，孔隙率越大，則飽和面干吸水率越高；反之，密實(shí)度越高，孔隙率越小，其吸水率也就越低[13]。本試驗(yàn)粉煤灰噴射混凝土試件采用100 mm×100 mm×100 mm的立方體，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生至28 d時開展試驗(yàn)，試驗(yàn)方法按GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[14]執(zhí)行。

電通量是評價混凝土密實(shí)性的又一重要指標(biāo)，用來確定混凝土抗氯離子滲透性能或高密實(shí)性混凝土的密實(shí)度，是由美國學(xué)者Whiting于1981年首先提出的，后來被美國ASTM C1202(American Society for Testing and Materials)標(biāo)準(zhǔn)所采用，該方法試驗(yàn)周期短、操作簡便、測量誤差僅為0.3%，是目前國內(nèi)外廣泛采用的評價混凝土密實(shí)性的方法[15]。本試驗(yàn)粉煤灰噴射混凝土試件采用直徑100 mm、高度50 mm的圓柱體(標(biāo)準(zhǔn)試件直徑95 mm、高度50 mm，試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行修正)，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生至28 d時開展試驗(yàn)，試驗(yàn)方法按GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[14]執(zhí)行，參照文獻(xiàn)[15]對Cl-滲透能力進(jìn)行評價，試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。

表9 C25粉煤灰噴射混凝土吸水率和電通量試驗(yàn)結(jié)果

Table 9 Test results of water absorption and electric flux of C25 fly ash shotcrete

編號配比類型吸水率/%電通量/CCl-滲透能力評價N1JZ4.33768.5中等偏高N2F103.92854.3中等N3F203.52430.2中等偏低N4F303.41863.5低N5F403.11353.7偏低

與基準(zhǔn)噴射混凝土相比，摻入10%～40%的粉煤灰，粉煤灰噴射混凝土的吸水率降低9.3%～27.9%，電通量降低24.2%～64.1%，電通量降低程度明顯高于吸水率。以普通硅酸鹽水泥配制的噴射混凝土，膠砂之間的空隙由單一的水泥顆粒填充，混凝土內(nèi)部孔隙較多、密實(shí)性差，抗氯離子滲透性差； 在混凝土中摻入粉煤灰后，由于粉煤灰的顆粒大部分較水泥顆粒細(xì)，彼此粒徑各不相同，膠凝材料自身形成較為良好的顆粒級配，從而提高噴射混凝土的整體密實(shí)性； 另外一方面，當(dāng)粉煤灰摻量在20%～40%時，噴射混凝土吸水率差別較小，而電通量有較為明顯的差別。因此，對于高密實(shí)性的噴射混凝土，吸水率表征其密實(shí)性略顯粗略，而電通量表征其密實(shí)性則更為精確。

3.3 噴射混凝土抗?jié)B性能

噴射混凝土的抗?jié)B性能表征噴射混凝土的滲透性強(qiáng)弱，是評價噴射混凝土密實(shí)性的又一重要指標(biāo)。普通混凝土以抗?jié)B等級評價其抗?jié)B能力，但該方法不能直觀反映混凝土的滲透性能，在工程設(shè)計中也不便于使用，很難將水壓試驗(yàn)結(jié)果與之聯(lián)系。而滲水高度則與混凝土的滲透系數(shù)、滲水時間和承受水壓力參數(shù)有直接的數(shù)學(xué)關(guān)系，更能直觀地反映混凝土的抗?jié)B能力，因此，本試驗(yàn)采用滲水高度評價粉煤灰噴射混凝土的抗?jié)B性能，用Dm表示。

標(biāo)準(zhǔn)的抗?jié)B試件尺寸為上口直徑175 mm、下口直徑185 mm、高度150 mm的圓臺體，而通過噴射大板鉆取后的試件為圓柱體，必須對鉆芯取樣獲取的試件進(jìn)行處理。如圖2—5所示，從噴射混凝土大板中鉆取150 mm高的圓柱體試件，并拌制高密實(shí)性的套模漿體，將圓柱體放入抗?jié)B試模的正中間，然后將試模與圓柱體試件之間的空隙用套模漿體灌注密實(shí)，最后經(jīng)養(yǎng)護(hù)后形成粉煤灰噴射混凝土抗?jié)B試件。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生至28 d時開展試驗(yàn)，試驗(yàn)方法按GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[14]執(zhí)行，水壓控制在(1.2±0.05)MPa，試驗(yàn)結(jié)果見圖6。

圖2 圓柱體試件

圖3 拌制套模材料

圖4 套模作業(yè)

圖5 套模完成后的抗?jié)B試件

圖6 噴射混凝土滲水高度隨粉煤灰摻量變化曲線

Fig. 6 Curve showing relationship between water seepage heights and fly ash contents

由圖6可以看出，在噴射混凝土中摻入粉煤灰后，其滲水高度有明顯降幅；特別是粉煤灰在混凝土基體中從無到有10%的摻量，滲水高度降幅達(dá)27.2%，繼續(xù)增加粉煤灰摻量，滲水高度降幅趨緩。在混凝土中摻入粉煤灰后，同樣由于膠凝材料自身形成較為良好的顆粒級配，有效地降低了噴射混凝土硬化膠凝漿體的孔隙率和大孔含量，改善了孔隙特征，從而提高了其抗?jié)B性能。

3.4 噴射混凝土抗硫酸鹽腐蝕

混凝土化學(xué)侵蝕最廣泛和最普通的形式是硫酸鹽的侵蝕，是影響混凝土耐久性的重要因素，也是影響因素最復(fù)雜、危害性最大的一種環(huán)境腐蝕。為研究復(fù)摻噴射混凝土的抗硫酸鹽腐蝕性，在干濕交替環(huán)境中進(jìn)行了遭受硫酸鹽侵蝕的抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)，試驗(yàn)采用尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體混凝土試件，每組采用3塊混凝土試件。為對比分析5組配合比的試驗(yàn)效果，試驗(yàn)過程中均進(jìn)行30次干濕循環(huán)試驗(yàn)后退出，比較各個配合比噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)，試驗(yàn)步驟按GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[14]執(zhí)行，試驗(yàn)結(jié)果如表10所示。

表10 C25粉煤灰噴射混凝土抗硫酸鹽腐蝕試驗(yàn)結(jié)果

Table 10 Test results of anti-sulfate corrosion performance of C25 fly ash shotcrete

編號類型干濕循環(huán)次數(shù)抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)/%備注N1JZ3080.3退出試驗(yàn)N2F103080.8退出試驗(yàn)N3F203083.6退出試驗(yàn)N4F303087.5退出試驗(yàn)N5F403090.9退出試驗(yàn)

由表10可以看出，在噴射混凝土中摻入粉煤灰后，其抗硫酸鹽腐蝕能力均有所提高； 當(dāng)粉煤灰摻量在10%～40%時，噴射混凝土抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)提高0.6%～13.2%，粉煤灰摻量越高其抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)越高。這是由于一方面噴射混凝土摻入粉煤灰從宏觀上提高了水泥石的密實(shí)性，另一方面在混凝土基體中減少了Ca(OH)2的含量，提高了噴射混凝土的抗硫酸鹽腐蝕性能。

3.5 粉煤灰摻量對噴射混凝土耐久性影響分析

根據(jù)粉煤灰噴射混凝土的力學(xué)性能及吸水率、電通量、抗?jié)B性、抗硫酸鹽腐蝕性等耐久性能試驗(yàn)結(jié)果，得到C25粉煤灰噴射混凝土的綜合性能矩陣表，如表11所示。

表11 C25粉煤灰噴射混凝土綜合性能矩陣表

Table 11 Matrix table of comprehensive properties of C25 fly ash shotcrete

類型抗壓強(qiáng)度吸水率電通量抗?jié)B性抗硫酸鹽腐蝕JZ良良差良良F10良良良良良F20良優(yōu)良優(yōu)良F30差優(yōu)優(yōu)優(yōu)優(yōu)F40差優(yōu)優(yōu)優(yōu)優(yōu)

對于C25粉煤灰噴射混凝土，其性能指標(biāo)主要包含2部分： 力學(xué)性能和耐久性能。一般來說，混凝土抗壓強(qiáng)度是一個綜合性的力學(xué)性能指標(biāo)，抗壓強(qiáng)度的大小可表征其力學(xué)性能的好壞，從試驗(yàn)結(jié)果來看，當(dāng)粉煤灰摻量為20%時，對噴射混凝土的力學(xué)性能指標(biāo)影響較小，完全可以滿足C25噴射混凝土的力學(xué)要求。耐久性能包括吸水率、電通量、抗?jié)B性和抗硫酸鹽腐蝕性等(因依托工程處于福建地區(qū)，未考慮抗凍性指標(biāo))，從試驗(yàn)結(jié)果看，這4個指標(biāo)都與噴射混凝土的密實(shí)性相關(guān)，密實(shí)性好，吸水率低、電通量小、滲水高度小、抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)高，4個指標(biāo)之間存在明顯的正相關(guān)關(guān)系，但吸水率表征的是宏觀的噴射混凝土密實(shí)性，而電通量表征Cl-的滲透能力，試驗(yàn)精確度更高，基于4個指標(biāo)的正相關(guān)性以及電通量試驗(yàn)的精確度，建議今后將電通量作為噴射混凝土的一個綜合耐久性指標(biāo)。

另一方面，在粉煤灰摻量超過20%后，噴射混凝土的耐久性有明顯提高，但其力學(xué)強(qiáng)度降幅較為明顯。基于以上分析，在不降低噴射混凝土力學(xué)性能且可有效提高其耐久性能的基礎(chǔ)上，摻入20%左右的粉煤灰等量代替普通硅酸鹽水泥，可降低工程成本約5%，有效減少碳排放量，符合當(dāng)今“低碳經(jīng)濟(jì)”的發(fā)展需要。

4 結(jié)論與討論

1)當(dāng)粉煤灰摻量為20%以下時，對噴射混凝土的力學(xué)性能指標(biāo)影響較小，可以滿足C25噴射混凝土的力學(xué)要求。

2)摻入粉煤灰對噴射混凝土的吸水率、電通量、抗?jié)B性和抗硫酸鹽腐蝕性等指標(biāo)有明顯提高。在保證噴射混凝土力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，建議摻入20%的粉煤灰等量代替普通硅酸鹽水泥，可降低工程成本5%左右。

3)噴射混凝土耐久性指標(biāo)與其密實(shí)性相關(guān)，密實(shí)性好，吸水率低、電通量小、滲水高度小、抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)高。基于4個指標(biāo)的正相關(guān)性以及電通量試驗(yàn)的精確度，建議將電通量作為噴射混凝土的一個綜合耐久性指標(biāo)。

4)對于作為支護(hù)結(jié)構(gòu)的噴射混凝土1 d的抗壓強(qiáng)度要求，各國規(guī)范、我國的不同規(guī)范之間的標(biāo)準(zhǔn)都不盡相同，從2 MPa到10 MPa都有，差別較大，關(guān)于這一問題還有待在進(jìn)一步的研究中完善。

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Test of Influence of Fly Ash Content on Durability of Shotcrete

ZHANG Junru, WANG Wei, CUI Yao, OU Xiaoqiang

(KeyLaboratoryofTransportationTunnelEngineeringofMinistryofEducation,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,Sichuan,China)

The Portland cement is replaced by fly ash as much as possible in cementing material of shotcrete so as to develop a kind of environmental protection and energy saving shotcrete. The influence of fly ash content on durability of shotcrete is studied. Some conclusions are drawn as follows: 1) The fly ash has a significant influence on early compressive strength of shotcrete, but has little influence on its late compressive strength. 2) The content of fly ash of less than 20% in cementing material can guarantee the basic mechanical properties of shotcrete, improve the durability of shotcrete and reduce the construction cost. 3) The electric flux which can reflect the compactness of the shotcretre comprehensively can be a assessment index of durability of shotcrete.

fly ash; shotcrete; electric flux; impermeability; anti-sulfate corrosion performance; durability

2016-02-03;

2016-04-01

國家自然科學(xué)基金資助項目(51378435，51108388)

張俊儒(1978—)，男，山西神池人，1999年畢業(yè)于西南交通大學(xué)，橋梁與隧道工程專業(yè)，博士，副教授，主要從事隧道建筑材料及其支護(hù)理論的研究工作。E-mail: jrzh@home.swjtu.edu.cn。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.11.006

U 454

A

1672-741X(2016)11-1325-07