粉煤灰摻量對噴射混凝土耐久性的影響試驗

張俊儒， 王 衛， 崔 耀， 歐小強

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室， 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

張俊儒， 王 衛， 崔 耀， 歐小強

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室， 四川 成都 610031)

為了研制環保節能噴射混凝土，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研究。通過研究得到以下結論： 粉煤灰對噴射混凝土的早期抗壓強度影響較大，對其后期抗壓強度影響相對較小；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性，可作為噴射混凝土的一個綜合耐久性指標。

粉煤灰； 噴射混凝土； 電通量； 抗滲性； 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，此種現代混凝土所用的主要水硬性膠凝材料是一種工業產品，水泥工業不僅耗能大，而且排放大量的CO2，生產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工業發展的整體論途徑，實現節能減排，必須開始工業生態學實踐。所謂工業生態學實踐是指將一種工業的廢棄物回收，替代另一種工業用的原生態原材料，從而減小兩者對環境的危害[1]。短期內大量減排水泥生產中CO2的最佳戰略是： 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品的熟料因子； 在各種技術、經濟上可行的礦物摻和料中，燃煤電廠產生的粉煤灰具備大量減少混凝土膠凝材料組分產生中CO2排放的最大潛力。

現行的公路、鐵路隧道和地鐵等規范對噴射混凝土都有明確的規定，JTG/T D70—2010《公路隧道設計細則》[2]中的規定為“公路隧道噴射混凝土的設計強度等級不應低于C20；重要隧道及豎井、斜井工程，噴射混凝土設計強度等級不宜低于C25”； TB 10003—2005《鐵路隧道設計規范》[3]中的規定為“隧道工程用的噴射混凝土強度等級應滿足耐久性要求，并不應低于C20”； GB 50157—2013《地鐵設計規范》[4]中的規定為“隧道工程用的噴射混凝土強度等級應符合耐久性要求，一般環境條件下的混凝土設計強度等級不得低于C25”； GB 50086—2001《錨桿噴射混凝土支護技術規范》[5]中的規定為“噴射混凝土的設計強度等級不應低于C15；對于豎井及重要隧洞和斜井工程，噴射混凝土的設計強度等級不應低于C20”。可以看出，現行的規范只針對噴射混凝土的強度給出了具體的指標，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性能以及更好耐久性的基礎上，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，實現節能減排。

有關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性能的影響，指出噴射混凝土的28 d抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗折強度與粉煤灰摻量呈現負相關，粉煤灰摻量越高，抗壓、抗拉和抗折強度損失越大； 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、劈裂抗拉和抗折強度均降低，當粉煤灰摻量在15%以內時，強度下降率較低； 丁莎等[8-9]通過試驗研究了噴射粉煤灰混凝土的微觀結構和力學性能，指出養護齡期對噴射粉煤灰混凝土微觀結構和力學性能影響大，且微觀結構與力學性能之間存在密切聯系，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

灰的摻量對凝結時間、抗壓強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%、調整水泥與速凝劑的比例可加快凝結時間、加入早強劑可提高噴射混凝土強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論；丁鵬等[11]研究了硅灰粉煤灰對噴射混凝土物理力學性能的影響，得到硅灰可以提高噴射混凝土的早期強度，但會降低坍落度，而粉煤灰雖會降低早期強度，但經一段時間激活后可以提高后期強度。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度的基礎上，重點展開粉煤灰摻量對噴射混凝土耐久性的影響試驗研究，包括電通量、抗硫酸鹽腐蝕、抗滲性能和吸水率等指標，以期在確保C25噴射混凝土力學性能以及耐久性的基礎上，采用盡可能多的粉煤灰等量代替水泥，實現廢物利用和節能減排，順應低碳經濟發展的需要，進一步降低噴射混凝土施工成本。

1 試驗材料及試驗儀器

1.1 試驗材料

1.1.1 水泥

試驗選用龍巖雁石華潤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，水泥的化學組分見表2。

表1 水泥物理力學性能

表2 水泥和粉煤灰粉體的化學組分

1.1.2 粉煤灰

試驗選用遼寧華能電廠生產的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

試驗在漳(州)永(安)高速公路官田隧道現場實施，粗細骨料均為地材，粗骨料參數見表4。

表3 粉煤灰物理性能

表4 粗骨料參數

1.1.4 細骨料

細骨料參數見表5。

表5 細骨料參數

1.1.5 外加劑

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

1.2 試驗儀器

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。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。

抗壓強度試驗采用WE-600B數顯式萬能試驗機，有效測量范圍10%～100%；電通量試驗采用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；抗滲試驗采用HP-4.0型混凝土滲透儀，最大試驗力4 MPa，工作方式為自動加壓；抗硫酸鹽腐蝕試驗采用NELD-VS830混凝土硫酸鹽干濕循環試驗機，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 試驗配合比

試驗選取常用的C25噴射混凝為基準，在現場經試噴后確定C25噴射混凝土的主要參數如下： 水泥434.7 kg/m3，細骨料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。

表6 每立方米C25噴射混凝土膠凝材料用量

3 試驗項目及試驗結果分析

噴射混凝土的密實性是影響其耐久性的重要指標，其優劣直接影響噴射混凝土的吸水性、抗氯離子滲透性以及抗滲性等。因此，在研究粉煤灰摻量對噴射混凝土抗壓強度影響的基礎上，重點展開粉煤灰摻量對噴射混凝土吸水率、電通量、抗滲性和抗硫酸鹽腐蝕性能等指標的試驗研究，噴射混凝土設備采用Sika-PM500濕噴機械手。

3.1 噴射混凝土抗壓強度

噴射混凝土作為初期支護或永久性支護結構與圍巖直接接觸，因此其初期強度和長期強度同樣重要。關于噴射混凝土的初期強度(1、3 d的抗壓強度)，作者曾基于復摻膠凝材料的噴射混凝土進行了較為詳細的試驗研究，研究中在確保總膠凝材料質量不變的條件下，以粉煤灰或礦粉分別等量代替水泥的質量，共計進行了7組復摻噴射混凝土的早期強度試驗，試驗結果如表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度逐漸減小； 另一方面，當粉煤灰摻量為水泥質量的20%時，1 d的抗壓強度為8.0 MPa。

表7 復摻噴射混凝土早期抗壓強度試驗結果

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的抗壓強度指標要求，各國規范也不盡相同，日本道路協會和道路公團的要求是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的抗壓強度要求是5 MPa； 挪威標準對噴射混凝土用作永久支護時1 d的抗壓強度要求是2 MPa；我國TZ 214—2005《客運專線鐵路隧道工程施工技術指南》[12]對噴射混凝土1 d的抗壓強度要求是5 MPa，而我國TB 10753—2010《高速鐵路隧道工程施工質量驗收標準》對噴射混凝土1 d的抗壓強度要求是10 MPa。因此，總體來看，噴射混凝土1 d的抗壓強度達到8 MPa以上可滿足大部分規范中的要求。

基于以上研究，本文重點對噴射混凝土7、14、28、56 d的抗壓強度進行了試驗，試件為100 mm×100 mm×100 mm的立方體，試驗結果如表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度試驗結果

圖1 噴射混凝土各配合比抗壓強度隨齡期變化曲線

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

1)在噴射混凝土5組試驗中，28 d抗壓強度均達到了C25強度標準。與基準配合比相比，粉煤灰摻量在10%～20%，單軸抗壓強度影響不大；但粉煤灰摻量在30%～40%，28 d單軸抗壓強度降幅為7.9%～14.4%，56 d單軸抗壓強度降幅為8.5%～10.0%。

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

3)從噴射混凝土強度隨混凝土齡期的生長來看，粉煤灰噴射混凝土的后期強度漲幅明顯大一些。當粉煤灰摻量小于20%時，粉煤灰對噴射混凝土的單軸抗壓強度影響較小，單從強度的影響角度考慮，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程度，反映硬化混凝土內部的連通毛細孔隙率。混凝土密實度越差，孔隙率越大，則飽和面干吸水率越高；反之，密實度越高，孔隙率越小，其吸水率也就越低[13]。本試驗粉煤灰噴射混凝土試件采用100 mm×100 mm×100 mm的立方體，標準養生至28 d時開展試驗，試驗方法按GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》[14]執行。

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

表9 C25粉煤灰噴射混凝土吸水率和電通量試驗結果

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，混凝土內部孔隙較多、密實性差，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，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性； 另外一方面，當粉煤灰摻量在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，對于高密實性的噴射混凝土，吸水率表征其密實性略顯粗略，而電通量表征其密實性則更為精確。

3.3 噴射混凝土抗滲性能

噴射混凝土的抗滲性能表征噴射混凝土的滲透性強弱，是評價噴射混凝土密實性的又一重要指標。普通混凝土以抗滲等級評價其抗滲能力，但該方法不能直觀反映混凝土的滲透性能，在工程設計中也不便于使用，很難將水壓試驗結果與之聯系。而滲水高度則與混凝土的滲透系數、滲水時間和承受水壓力參數有直接的數學關系，更能直觀地反映混凝土的抗滲能力，因此，本試驗采用滲水高度評價粉煤灰噴射混凝土的抗滲性能，用Dm表示。

標準的抗滲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，并拌制高密實性的套模漿體，將圓柱體放入抗滲試模的正中間，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，最后經養護后形成粉煤灰噴射混凝土抗滲試件。標準養生至28 d時開展試驗，試驗方法按GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》[14]執行，水壓控制在(1.2±0.05)MPa，試驗結果見圖6。

圖2 圓柱體試件

圖3 拌制套模材料

圖4 套模作業

圖5 套模完成后的抗滲試件

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27.2%，繼續增加粉煤灰摻量，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，從而提高了其抗滲性能。

3.4 噴射混凝土抗硫酸鹽腐蝕

混凝土化學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，也是影響因素最復雜、危害性最大的一種環境腐蝕。為研究復摻噴射混凝土的抗硫酸鹽腐蝕性，在干濕交替環境中進行了遭受硫酸鹽侵蝕的抗硫酸鹽侵蝕試驗，試驗采用尺寸為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組配合比的試驗效果，試驗過程中均進行30次干濕循環試驗后退出，比較各個配合比噴射混凝土的抗壓強度耐蝕系數，試驗步驟按GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》[14]執行，試驗結果如表10所示。

表10 C25粉煤灰噴射混凝土抗硫酸鹽腐蝕試驗結果

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

編號類型干濕循環次數抗壓強度耐蝕系數/%備注N1JZ3080.3退出試驗N2F103080.8退出試驗N3F203083.6退出試驗N4F303087.5退出試驗N5F403090.9退出試驗

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； 當粉煤灰摻量在10%～40%時，噴射混凝土抗壓強度耐蝕系數提高0.6%～13.2%，粉煤灰摻量越高其抗壓強度耐蝕系數越高。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

根據粉煤灰噴射混凝土的力學性能及吸水率、電通量、抗滲性、抗硫酸鹽腐蝕性等耐久性能試驗結果，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

類型抗壓強度吸水率電通量抗滲性抗硫酸鹽腐蝕JZ良良差良良F10良良良良良F20良優良優良F30差優優優優F40差優優優優

對于C25粉煤灰噴射混凝土，其性能指標主要包含2部分： 力學性能和耐久性能。一般來說，混凝土抗壓強度是一個綜合性的力學性能指標，抗壓強度的大小可表征其力學性能的好壞，從試驗結果來看，當粉煤灰摻量為20%時，對噴射混凝土的力學性能指標影響較小，完全可以滿足C25噴射混凝土的力學要求。耐久性能包括吸水率、電通量、抗滲性和抗硫酸鹽腐蝕性等(因依托工程處于福建地區，未考慮抗凍性指標)，從試驗結果看，這4個指標都與噴射混凝土的密實性相關，密實性好，吸水率低、電通量小、滲水高度小、抗壓強度耐蝕系數高，4個指標之間存在明顯的正相關關系，但吸水率表征的是宏觀的噴射混凝土密實性，而電通量表征Cl-的滲透能力，試驗精確度更高，基于4個指標的正相關性以及電通量試驗的精確度，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。

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，但其力學強度降幅較為明顯。基于以上分析，在不降低噴射混凝土力學性能且可有效提高其耐久性能的基礎上，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，符合當今“低碳經濟”的發展需要。

4 結論與討論

1)當粉煤灰摻量為20%以下時，對噴射混凝土的力學性能指標影響較小，可以滿足C25噴射混凝土的力學要求。

2)摻入粉煤灰對噴射混凝土的吸水率、電通量、抗滲性和抗硫酸鹽腐蝕性等指標有明顯提高。在保證噴射混凝土力學性能的基礎上，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與其密實性相關，密實性好，吸水率低、電通量小、滲水高度小、抗壓強度耐蝕系數高。基于4個指標的正相關性以及電通量試驗的精確度，建議將電通量作為噴射混凝土的一個綜合耐久性指標。

4)對于作為支護結構的噴射混凝土1 d的抗壓強度要求，各國規范、我國的不同規范之間的標準都不盡相同，從2 MPa到10 MPa都有，差別較大，關于這一問題還有待在進一步的研究中完善。

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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

國家自然科學基金資助項目(51378435，51108388)

張俊儒(1978—)，男，山西神池人，1999年畢業于西南交通大學，橋梁與隧道工程專業，博士，副教授，主要從事隧道建筑材料及其支護理論的研究工作。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