粉煤灰混凝土在高溫熱害隧洞中早期水化特性研究

李燕波

(新疆水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊 830000)

近年來，隨著地下工程的增多，高溫熱害隧洞逐漸成為國內外學者關注的焦點。高溫熱害隧洞中襯砌混凝土直接接觸高溫巖體，施工過程中極易出現假凝、不均勻鈣化等現象，混凝土的性能難以保證[1]。已有研究對于高溫熱害隧洞襯砌混凝土的抗壓強度、劈拉強度、彈性模量等基本力學性能[2-3]和混凝土的耐久性[4]進行了一定的研究，對熱害隧洞噴射混凝土的力學性能、結構行為[5-6]、粘結強度[7]等也有部分研究，但是對于高溫養護條件下隧洞襯砌混凝土的早期水化特性還鮮有報道。鑒于此，本文通過測量混凝土膠凝材料水化放熱、觀察漿體顯微形態、對漿體進行能譜測試等方法，對粉煤灰混凝土膠凝材料在不同產量下的早期水化特性進行研究。

1 試驗原材料與試驗方法

1.1 試驗原材料

試驗采用P.O42.4R級水泥；粉煤灰采用電廠的I級粉煤灰，其各項指標均符合《粉煤灰混凝土應用技術規范》(GBJ 146-1990)的要求；兩種材料的化學組成及各項技術指標見表1。

表1 水泥、粉煤灰的化學組成及技術指標

與P.O42.4R級水泥相比，粉煤灰化學組成中的硅、鋁、鐵、硫、鈉、鉀等元素含量高，而鈣、鎂等元素含量稍低。實驗水泥的比表面積為345 m2/kg；粉煤灰的比表面積為418 m2/kg，使用激光粒度分析儀測定水泥和粉煤灰的粒徑分布，見圖1。

圖1 水泥粉煤灰粒徑分布圖

由圖1可知，粉煤灰的粒徑分布與水泥的粒徑分布基本相同，主要集中分布于3～65 μm之間，但粉煤灰的細顆粒含量較多而大顆粒含量較少。

1.2 實驗方案設計

新疆齊熱哈塔爾水電站引水隧洞施工時遇到高溫地熱災害，隧洞貫通后巖壁平均溫度約為60℃。因此，試驗擬在60℃的養護溫度下，研究粉煤灰膠凝材料的水化特性；試驗中膠凝材料的水膠比為0.42，分別用20%(F20)、40%(F40)粉煤灰等質量代替水泥，試驗中使用純水泥(F0)作為對照組。使用5 mL塑料離心管密封膠凝材料，待試件成型后置于60±3℃、適度≥95%的恒溫恒濕環境進行養護，每組試驗制作3個試件，采用3個試件測試的平均值作為試驗結果。

2 試驗結果與結果分析

2.1 高溫環境下粉煤灰摻量對水化熱的影響

圖2為水泥、粉煤灰膠凝材料的水化熱放熱速率曲線和放熱總量曲線，圖2可反映膠凝材料的早期水化放熱進程。混凝土膠凝材料的水化進程可以分為5個基本階段，分別為誘導前期、誘導期、水化加速期、水化減速期以及水化穩定期。由圖2(a)可以看出，當膠凝材料與拌和用水接觸后，即進入誘導前期并產生一個放熱峰值，F0、F20、F40三組試件的放熱峰值分別為20.1、31.7和24.3.J/(gh)-1。這一階段摻粉煤灰反而會短暫導致水化放熱增加，這是由于粉煤灰拌和水后立刻釋放表面能以及大量鈣礬石生成所導致的[8]。此階段較為短暫，并不能說明膠凝材料的水化熱過程。進入誘導期后，可以明顯看到隨著粉煤摻量的增大誘導期的峰值降低、誘導期出現的時間推后，這是由于粉煤灰等質量代替水泥后，膠凝材料的水化放熱總量以及速率均有所降低。粉煤灰摻量對于水化加速期、水化減速期以及水化穩定期的影響不大。

圖2 膠凝材料的水化放熱速率和總放熱量

由圖2(b)可以看到，隨著粉煤灰摻量的增加，膠凝材料不同時段的水化放熱不斷減小。粉煤灰摻量為零時漿體90 h總放熱量為318 J；粉煤灰摻量為20%、40%時，其總放熱量僅為純水泥漿體的86%和67%。

C-S-H 凝膠作為水泥漿體中最重要的組成之一，其數量的多少、質量的好壞是影響漿體性能的關鍵因素之一。因此，對硬化漿體進行能譜測試，并對每個斷面進行25次能譜分析，結果見圖3。圖3表明，隨著粉煤灰摻量的增大，漿體的鈣硅比不斷減小，而且粉煤灰摻量越大鈣硅比減小幅度越大。

圖3 膠凝材料的鈣硅比

2.2 水化產物

圖4為不同粉煤灰摻量時漿體在溫度60℃、濕度95%條件下養護1 d時X射線衍射分析結果，圖4中A表示Ca(OH)2，B表示C3S，C表示C2S，D表示莫來石，E表示低溫型石英。由圖4可看出，高溫環境中水化進行一天時，漿體已產生大量的水化產物。但隨著粉煤灰摻量的增加，其各產物的峰值明顯降低且有稍微推遲的趨勢，這說明粉煤灰對于減緩膠凝材料水化速度有一定作用。已有研究[9]表明，在高溫環境中混凝土的水化速度會隨溫度的增大而加快，由于水化速度過快從而導致高溫下混凝土較同期常溫混凝土中存在更多的C-S-H纖維，但凝膠質量較差，并導致混凝土早期強度較高而后期強度較差。測定高溫環境下養護1 d時，F0、F20和F40的抗折強度分別為4.91、3.37和2.81 MPa。由此可見，在高溫環境中摻入粉煤灰不僅可以延緩水化速度而且對提高混凝土性能有一定貢獻。

圖4 膠凝材料的水化產物

3 結 論

1) 60℃高溫環境中，粉煤灰等質量代替水泥后，漿體的水化進程與純水泥水化進程相比可以推遲誘導期出現時間并降低其峰值，粉煤的摻入可減緩膠凝材料的水化放熱速率并降低總量。

2) 水化反應進行1 d后，純水泥漿體中有大量Ca(OH)2、C-S-H凝膠和未水化的水泥顆粒，摻入粉煤灰后，Ca(OH)2、Ca/Si和漿體抗折強度有所降低，二者水化產物基本相同。

3) 高溫環境中，摻粉煤灰對提高混凝土性能有一定貢獻。