復摻礦料高寒隧道泵送混凝土優化設計與性能

郭寅川，郝宸偉，郭昊田，張 敬，王路生

(1. 長安大學 特殊地區公路工程教育部重點實驗室, 陜西 西安 710064；2. 內蒙古交通設計研究院有限責任公司, 內蒙古 呼和浩特 010010;3. 烏蘭察布市公路工程質量監督站, 內蒙古 烏蘭察布 012000；4. 中國路橋工程有限責任公司, 北京 100000)

0 引言

四川省國道317線甘孜州段屬于典型高寒區，年最低溫度低于-30 ℃，濕度類別為干濕交替型，該區隧道混凝土常會出現凍融和腐蝕破壞。同時，甘孜地區交通落后，天然砂資源匱乏，巖石材料豐富，用機制砂代替天然砂制備混凝土具有重要的經濟和環保意義，也具有很好的適應性[1]。然而，機制砂粒形較差，其巖性、片狀顆粒含量和石粉含量對水泥混凝土的和易性、力學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，易導致堵泵和堵管等不良現象。為此，一些學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下的動態彈性模量和抗折強度，而摻加30%的礦渣灰也具有類似的效果。然而，楊林[5]研究認為，隨著粉煤灰摻量的增加，機制砂混凝土的抗壓、抗折強度逐漸降低。王晨霞[6]對摻有粉煤灰的再生混凝土進行了研究，發現隨粉煤灰摻量的增加，再生混凝土的抗壓和抗折強度呈先增大后減小的趨勢，最佳粉煤灰摻量為15%，且粉煤灰摻量在30%以內時，凍融循環對再生混凝土造成的質量損失均相差不大。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材料也可增加混凝土的耐久性。高寒區泵送混凝土常需要優異的工作性和耐久性，馮孟超[8]研究認為，利用礦渣微粉等質量取代水泥，則可大幅改善混凝土的坍落度，且其摻量在20%以內時，還可改善混凝土的7 d抗壓強度和早期抗凍性。同時，礦渣微粉和粉煤灰復摻可增強混凝土的力學性能和耐久性，但這些材料的摻量對其性能有較大影響[9-11]。此外，混凝土的孔結構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化其孔結構，進而提高混凝土的耐久性。上述文獻對機制砂混凝土、摻粉煤灰混凝土和摻礦渣微粉混凝土均進行了研究，但未涉及摻復合礦料機制砂泵送混凝土的配合比優化設計和性能的探索。

近年來，一些學者在摻復合礦料混凝土配合比優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，設定復合礦料摻量40%，變換礦渣粉與粉煤灰摻配比例進行設計，評判指標為混凝土的流動性、抗壓強度和抗氯離子滲透性。耿建[15]采用正交試驗研究了礦物摻合料(粉煤灰、礦渣微粉)、輕集料和聚合物對高阻抗高抗滲混凝土的影響，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，評判指標為混凝土電阻率、抗氯離子滲透性和抗壓強度。杜月壘[16]對盾構隧道C50高性能混凝土管片的配合比進行了兩階段優化設計，第1階段采用正交試驗，對混凝土的水泥用量、砂率和水灰比進行優化，評判指標為7 d和28 d的抗壓強度；第2階段利用單因素變量法，對復摻礦渣粉和粉煤灰的比例和摻量進行優化，評判指標為抗壓強度、抗水滲和抗氯離子滲透性。綜上所述，摻復合礦料混凝土配合比優化可分為單階段優化和兩階段優化。第1階段設計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，對不同研究對象，評判指標差別較大，尚未發現針對摻復合礦料高寒區隧道泵送混凝土的配合比優化研究。

本研究對摻復合礦料高寒區隧道二次襯砌C30泵送混凝土的配合比進行兩階段的優化設計，確定水灰比、砂率、單位用水量及粉煤灰和礦渣微粉的復合摻量，并分析復摻粉煤灰和礦渣微粉高寒區泵送混凝土性能改善的微觀機理，以期為摻復合礦料高寒區隧道泵送混凝土的工程應用提供參考。

1 原材料與試驗設計

1.1 原材料

本試驗研究選擇四川某地P.O42.5R型水泥，初凝和終凝時間分別為151 min和223 min，安定性合格，3 d抗折、抗壓強度均滿足要求，其化學成分及指標見表1。粗集料采用5～31.5 mm的花崗巖連續級配碎石。機制砂為當地軋石場生產的花崗巖機制砂，細度模數為2.9，屬于中砂，其技術指標見表2。實際工程中使用了AL-A2型粉體減水劑，其減水率為14%～22%，摻量經試拌確定為水泥質量分數的1%。粉煤灰和礦渣微粉采用四川省某公司生產的I級粉煤灰與S95級礦渣微粉，其技術指標分別見表3和表4。

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

表2 機制砂的主要技術指標Tab.2 Main technical indicators of machine-made sand

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

表4 礦渣微粉的主要技術指標Tab.4 Main technical indicators of slag powder

1.2 試驗方案設計

試驗方案分為兩階段的配合比設計。第1階段以和易性與力學性能為控制指標，確定機制砂泵送混凝土的砂率、水灰比和單位用水量；第2階段以抗凍性與抗滲性為控制指標，明確粉煤灰和礦渣微粉的摻量。根據《混凝土泵送施工技術規程》(JGJ/T 10—2011)和甘孜州的高寒特點，隧道泵送混凝土具體的設計要求見表5。根據C30泵送混凝土的設計強度和實測水泥28 d的抗壓強度，計算其配制強度為38.2 MPa，水灰比為0.52。

表5 機制砂泵送混凝土設計指標Tab.5 Design indicators of pumping concrete with machine-made sand

在高寒環境下，結合高寒區泵送混凝土強度設計要求、和易性和耐久性規定，確定水灰比范圍0.40～0.50，單位用水量范圍190～205 kg/m3，機制砂率范圍35%～45%。機制砂泵送混凝土所用碎石最大粒徑31.5 mm。因此，機制砂泵送混凝土配合比第1階段優化3因素3水平的正交試驗方案設計見表6。

表6 機制砂泵送混凝土第1階段配合比正交試驗方案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階段優化設計的基礎上，確定粉煤灰和礦渣微粉摻量的第2階段配合比優化設計。此前，已設計了粉煤灰和礦渣微粉多種復摻比例的水泥膠砂試驗方案，并對每組試件進行了流動性和力學性能測試分析，發現隨粉煤灰摻量的增加，水泥膠砂的流動性增大，但早期強度降低。然而，高寒的環境特點要求泵送混凝土不但具有優異的流動性，還需具有一定的早期強度。同時，文獻[12]的研究表明，用21%的粉煤灰和9%的礦渣微粉復摻時，高寒區C40機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合比例為7∶3，且本研究的泵送混凝土配合比第2階段優化設計僅對粉煤灰和礦渣微粉的最佳摻配總量進行探索，其耐久性試驗方案見表7。

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

1.3 試驗方法與條件

按照表6試驗方案，利用坍落度法對每組方案的混凝土拌和物進行2次和易性平行測定，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型壓力試驗機測定經28 d標準養護后試件的抗壓強度。

第1階段優化方案確定后，對表7中每組方案成型6根尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的小梁試件，均分后分別在標準養護條件下養護28 d和90 d。根據《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》(JTG E30—2005)中T 0565-2005快速凍融法的相關要求，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機對每組試件進行凍融循環試驗。然后，對表7中每組方案再分別制作2根小梁試件，均分后分別在標準養護條件下養護 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《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50082—2009)中的RCM法，利用氯離子擴散系數測定儀對每組試件的氯離子遷移系數進行測定。

第2階段優化配比確定后，對摻加礦料最優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60 d標準養護后，進行切割、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 型全自動壓汞儀，分別對2種機制砂泵送混凝土試樣進行界面區掃描觀察和孔結構參數測定。

2 基于和易性與力學性能的第1階段優化配比

2.1 和易性分析

根據水泥混凝土和易性試驗方法，測定的每組機制砂泵送混凝土拌和物和易性指標見表8，其中坍落度試驗結果分析見正交表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 機制砂泵送混凝土的和易性測試結果Tab.8 Workability test result of pumping concrete with machine-made sand

表9 機制砂泵送混凝土坍落度試驗結果Tab.9 Slump test result of pumping concrete with machine-made sand

圖1 機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，泵送混凝土內自由水含量也在增加，從而增大了其流動性[17]。同時，隨著砂率的增加，混凝土塑性黏度先減小后增加，從而造成機制砂泵送混凝土坍落度也先增后減[18]。當水灰比、機制砂率和單位用水量分別處于3，2，3水平時，泵送混凝土坍落度K值分別達到最大值171.67，163.33，168.33 mm。因此，以坍落度為優選指標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了輕微泌水的現象，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，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，故機制砂泵送混凝土的最佳因素水平組合應為A3B2C2。

2.2 力學性能分析

泵送混凝土28 d標養后的抗壓強度見正交表10，抗壓強度K值及R值見圖2。

表10 機制砂泵送混凝土28 d抗壓強度結果Tab.10 Result of 28 d compressive strength of pumping concrete with machine-made sand

圖2 機制砂泵送混凝土28 d抗壓強度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，機制砂泵送混凝土28 d抗壓強度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，泵送混凝土內自由水含量也在增加，而自由水是對混凝土強度不利的因素。同時，隨著砂率的增加，機制砂在混凝土中先發生填充作用，增加了混凝土的密實性，而后則呈現“滾珠”效應，削弱了混凝土中石料間的摩阻力[19]。當水灰比、機制砂率和單位用水量分別處于1，2，3水平時，機制砂泵送混凝土28 d抗壓強度K值分別達到最大值45.27，43.95，46.12 MPa。因此，以28 d抗壓強度為優選指標，可以得到其最佳因素水平組合為A1B2C3。

2.3 基于和易性與力學性能的優化配比

通過對機制砂泵送混凝土的測試分析可知，其和易性最優時的配合比因素水平組合為A3B2C2，其力學性能最佳時的組合為A1B2C3。兩者結果的差別在于A因素水灰比和C因素單位用水量不一致。結合高寒區的環境特點和特殊的泵送工藝特點可知，隧道二次襯砌機制砂泵送混凝土在滿足強度要求后，必須要具備優異的和易性，即應將和易性放在首位，兼顧力學性能要求。因此，應先擬定A3B2C2組為最佳因素水平組合，推測其抗壓強度是否滿足要求。

根據表10可知，A3B2C1組合的抗壓強度為39.33 MPa，故其能滿足表5中抗壓強度≥38 MPa的要求。同時，由圖2中抗壓強度與各因素水平的關系可知，泵送混凝土的28 d抗壓強度K值隨C因素水平的提高而增大，故A3B2C2組合的抗壓強度大于A3B2C1組合的抗壓強度，即A3B2C2組合也應能滿足表5中抗壓強度≥38 MPa的要求。因此，A3B2C2組合應可作為高寒區泵送混凝土綜合性能最優的組合。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化配比

3.1 抗凍性結果分析

摻不同礦料(單摻礦渣微粉S、雙摻F-S復合礦料和單摻粉煤灰F)機制砂泵送混凝土28 d和90 d標養后的抗凍性能見圖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，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，相比于未摻組，單摻礦渣微粉S、雙摻F-S復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90 d泵送混凝土抗凍性能的提升作用相當，但礦渣微粉作用主要在前期發揮，而粉煤灰作用主要在后期展現，因而雙摻F-S復合礦料為30%時的BS9組既能獲得足夠的早期抗凍性能，又能得到最優的后期抗凍性能。

3.2 抗滲性結果分析

摻不同礦料(單摻礦渣微粉S、單摻粉煤灰F和雙摻F-S復合礦料)機制砂泵送混凝土28 d和60 d 標養后的氯離子遷移系數DRCM見圖4(a)～(b)。

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

根據表5的抗滲要求可知，圖4中各組泵送混凝土抗滲性均滿足≤15×10-12m2/s要求。由圖4可知，在0～30%摻量范圍內，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，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，相比于未摻組，單摻礦渣微粉、雙摻F-S復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復合礦料均能降低泵送混凝土的DRCM值，且單摻礦渣微粉30%時的BS6組效果最好，其次是雙摻F-S復合礦料的BS9組。

3.3 基于耐久性的優化配比

通過對摻不同礦料隧道機制砂泵送混凝土抗凍性及抗滲性的分析可知，無論是單摻粉煤灰、礦渣微粉，還是雙摻F-S復合礦料均可有效提高泵送混凝土的抗凍性能和抗滲性能。這可能是由于礦料參與了早期的水泥水化反應，增強了混凝土界面區的強度，并改善了混凝土的孔結構分布，具體見下述分析。同時，雙摻F-S復合礦料為30%的BS9組泵送混凝土不僅具有足夠的早期抗凍性能和抗滲性能，還具備最優的后期抗凍性能和較好的后期抗滲性能。盡管單摻礦渣微粉30%時的BS6組泵送混凝土具備最佳的抗滲性能，但BS9組抗滲效果與其較為接近，且其后期抗凍性能并非最優。此外，粉煤灰的市價為180元/t，礦渣微粉的市價為220元/t。因此，在粉煤灰F與礦渣微粉S摻配比例為7∶3時，雙摻F-S復合礦料為30%的BS9組泵送混凝土不僅能滿足高寒環境下耐久性設計的要求，而且還具有很好的經濟性，應是泵送混凝土礦料摻配的最優組。

3.4 第1階段配比優化指標驗證

鑒于流動性會影響高寒區隧道泵送混凝土的可泵性，且襯砌應具有足夠的強度和穩定性以保證隧道的長期安全使用，而粉煤灰和礦渣微粉的摻入也會對混凝土的工作性、抗壓強度產生影響，故應檢驗摻復合礦料混凝土第2階段配合比優化后的工作性和抗壓強度。同時，該工作也使得高寒區隧道泵送混凝土兩階段優化設計方法臻于系統和完美。因此，根據前述兩階段配合比優化結果，選出摻30%復合礦料的BS9組制作混凝土拌和物，并制作3塊標準立方體試塊，分別進行工作性和抗壓強度測試，試驗結果如表11所示。

表11 摻復合礦料泵送混凝土BS9工作性與力學性能測試結果Tab.11 Test result of workability and mechanical properties of BS9 pumping concrete with composite mineral aggregate

結合表5和表11可知，經過兩階段優化后的摻復合礦料泵送混凝土BS9組的工作性和力學性能完全滿足設計要求。

4 摻復合礦料泵送混凝土優化的微觀機理研究

4.1 界面區結構掃描電鏡研究

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的1 000 倍和30 000倍掃描結果見圖5(a)～(d)。

1—鈣礬石；2—水化硅酸鈣凝膠；3—氫氧化鈣晶體；4—水泥石；5—界面區；6—機制集料。圖5 不同樣品的界面區形貌Fig.5 Interface morphologies of different samples

綜上所述，F-S復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，消耗大量的Ca(OH)2，生成較為致密C-S-H凝膠和C-A-H晶體等水化產物，同時增強了水化產物之間的聯接強度，使機制砂泵送混凝土界面區更加致密化，界面區裂縫寬度縮小，裂縫數量減小，進而有效抑制了水分子和有害離子的滲入，增強了其力學強度、抗凍性和抗滲性。

4.2 混凝土孔結構壓汞試驗研究

根據吳中偉院士提出的混凝土孔隙等級劃分概念[20]，可據孔徑大小對混凝土的損害程度將孔結構劃分為無害級孔(<20 nm)、少害級孔(20～50 nm)、有害級孔(50～200 nm)和多害級孔(>200 nm)。其中，大于50 nm的孔對混疑土強度開始有明顯的劣化作用。利用Auto Pore IV 9510 型全自動壓汞儀對機制砂泵送混凝土進行孔結構參數測定，BS0組和BS9組泵送混凝土的孔結構參數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壓汞試樣的孔結構參數測試結果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復合礦料的泵送混凝土平均孔徑由50.1 mm的有害級孔降為40.5 mm的少害級孔。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摻可細化泵送混凝土中的孔結構的原因可能有兩個，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，發生了微集料填充效應[12,19]，使有害孔和少害孔轉變為無害孔；二是粉煤灰和礦渣微粉發生水化和火山灰等反應，生成的C-S-H凝膠和C-A-H晶體等產物孔徑較小(約1.5×10-9m)，且凝膠產物的冰點較低，其孔內的水不會發生結冰現象[11]，這些產物增強了泵送混凝土的致密程度，使得其抵抗外部環境的能力大幅提升。因此，摻加F-S復合礦料能夠細化機制砂泵送混凝土內部的孔結構，優化孔徑分布狀況，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構，有效減少水分和有害離子的滲入，提升其強度、抗凍性和抗滲性。

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

5 結論

結合高寒區機制砂泵送混凝土的特點和設計要求，提出了基于正交試驗的兩階段配合比設計優化方法。其中，第1階段優化設計以泵送混凝土和易性和力學性能為控制指標，第2階段優化設計以其抗凍性和抗滲性為控制指標。同時，對優化后的雙摻F-S復合礦料泵送混凝土的界面區結構和孔結構與空白組進行了對比，得到如下結論：

(1)通過對雙摻F-S復合礦料高寒區隧道機制砂泵送混凝土第1階段配合比優化設計可知，當水灰比為0.48、砂率為42%，單位用水量為198 kg/m3時，泵送混凝土的和易性和力學性能最佳。

(2)根據第2階段配合比優化設計可知，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滲性，且當粉煤灰與礦渣微粉摻配比例為7∶3，雙摻F-S摻量為30%時，泵送混凝土的抗凍性和抗滲性最優。

(3)雙摻F-S改善機制砂泵送混凝土的界面區結構和孔結構的原理分別為：礦渣微粉和粉煤灰分別在早期和后期參與水化反應，生成較為致密的C-S-H凝膠和C-A-H晶體等水化產物，縮小了泵送混凝土界面區的裂縫寬度，增強了界面區強度。礦渣微粉和粉煤灰的微集料填充效應和致密的水化產物細化了泵送混凝土的孔結構，減少了水分和有害離子的滲入，進而提高了其強度、抗凍性和抗滲性。