粉煤灰取代率对高岩温条件喷射混凝土力学性能的影响

郭春红

(河北省子牙河河务中心，河北 衡水 053000)

1 材料与方法

1.1 试验材料

根据喷射混凝土的使用规范和要求，宜选用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，且速凝剂需要和水泥材料相容，强度等级不小于42.5 MPa[1]。基于此，此次研究选择锦州方北建材有限公司出品的P·O42.5普通硅酸盐水泥。对水泥样品的主要性能指标进行测定，结果如表1所示。由表1可知，水泥材料的各指标均满足试验要求，可以用于此次试验研究。

表1 水泥样品主要性能指标测定结果

试验用粉煤灰为安徽淮南常华电力实业总公司生产的Ⅱ级粉煤灰，其需水量比为100%，烧失量为1.58%；含水量为0.5%，各项检测结果符合 C30 混凝土技术指标。

喷射混凝土对细骨料的要求较高，需要使用细度模数不小于2.5的粗砂或中砂[2]。根据相关要求，此次研究选择的是锦州市启航砂石料厂提供的中砂，其细度模数为2.59，含泥量小于2.1%，堆积密度为1870 kg/m3，用于喷射混凝土的拌制较为理想。

喷射混凝土的粗骨料适合使用质地坚硬、耐久性好的卵石或碎石，其粒径不宜大于12 .0 mm。此次研究选择的启航砂石料厂提供的人共碎石，其岩性为石灰岩，质地坚硬，压碎率小于2.3%，粒径范围为5.2～10.0 mm。

在喷射混凝土施工过程中，为了保证混凝土中的胶凝物质可以迅速凝固，使喷射混凝土何为言及早成为一体，往往需要加入速凝剂[3]。此次研究选择的是四川凯彤建筑材料有限公司生产的KTA-08型速凝剂，其初凝时间为2.5 min，终凝时间为5.5 min，掺量为水泥用量的4%。

试验中使用的减水剂为四川凯彤建筑材料有限公司生产KTA-01聚羟酸效减水剂；试验用水为普通自来水。

1.2 试验方案

为了研究不同粉煤灰取代率对高岩温情况下喷射混凝土力学性能的影响，试验中结合相关研究成果和粉煤灰混凝土的工程经验，利用粉煤灰取代部分细骨料，同时设定0%、10%、20%、30%、40%和50%等6种不同的粉煤灰取代率进行试验。不同取代率方案的配合比如表2所示。

表2 不同试验方案每立方米材料用量

1.3 试件方法

结合国内外研究成果和工程经验，在喷射混凝土制作时采用二次搅拌工艺[4]。为了避免混凝土成型过程密实度对试验结果可能产生的影响，在混凝土装模过程中要先用抹刀进行人工插捣，然后再放在振动台上振捣密实。在混凝土养护过程中需要模拟高岩温情况，结合我国水工隧洞高岩温工程实际，设计40 ℃、60 ℃和80 ℃ 3种不同的岩温水平。同时，为了避免湿度因素对试验结果可能产生的影响，养护湿度保持为95%以上。

对养护至规定龄期的喷射混凝土试件利用FTC-2000力学万能试验机进行抗压强度、抗折强度和劈裂抗拉强度试验，并记录好相应的试验数据[5]。根据对试验数据的对比分析，获取粉煤灰取代率对高岩温情况下喷射混凝土物理力学性能的影响规律。

2 试验结果与分析

2.1 抗压强度

对不同粉煤灰取代率试件在不同养护温度条件下的28 d龄期抗压强度进行试验，根据试验结果绘制出如图1所示的喷射混凝土抗压强度随粉煤灰取代率的变化曲线。由图1可以看出，岩温对喷射混凝土的强度存在十分明显的影响，随着围岩岩温的升高，喷射混凝土的强度会迅速下降。由此可见，采取必要的工程措施降低岩温对喷射混凝土的影响具有重要的工程意义和价值。另一方面，在喷射混凝土中掺入粉煤灰能够显著提高高岩温环境下喷射混凝土的强度，具有重要的工程意义和价值。从具体的变化规律来看，随着粉煤灰取代率的增加，喷射混凝土的抗压强度呈现出先迅速升高后缓慢下降的变化趋势。当粉煤灰取代率为30%时的抗压强度值达到最大。究其原因，主要是粉煤灰取代部分细骨料之后，可以部分起到胶凝材料的作用，还可以发挥其微集料效应，实现骨料级配的进一步优化，使混凝土内部结构更为密实，因此混凝土的强度值有所提高。当然，粉煤灰的效用并不是无限的，如果粉煤灰的取代率过高，会导致混凝土中河沙数量的大幅减少，因此造成骨料级配的断层现象，不仅会不会改善混凝土内部的骨架结构，增加密实性，反而会影响混凝土自身的性能，并表现为混凝土抗压强度值的降低。

图1 抗压强度随粉煤灰取代率的变化曲线

2.2 抗折强度

对不同粉煤灰取代率试件在不同养护温度条件下的28 d龄期抗折强度进行试验，根据试验结果绘制出如图2所示的喷射混凝土抗折强度随粉煤灰取代率的变化曲线。由图2可以看出，与抗压强度类似，岩温对喷射混凝土的抗折强度存在十分明显的影响，随着围岩岩温的升高，喷射混凝土的抗折强度会迅速下降；添加粉煤灰有助于提升喷射混凝土在高岩温环境下的抗折强度，具有重要的工程意义和价值。随着粉煤灰取代率的增加，喷射混凝土的抗折强度呈现出先迅速增加后不断下降的变化趋势，其原因和抗压强度类似这里不再复述。从具体的试验数据来看，当粉煤灰取代率为30%时喷射混凝土的抗折强度值最大。此外，围岩岩温越高，掺加粉煤灰的工程效果越明显。例如，围岩岩温为80 ℃时，粉煤灰取代率30%与不掺加粉煤灰相比，喷射混凝土的强度值增加约49.16%，而围岩温度为40 ℃时仅增加约27.11%。

图2 抗折强度随粉煤灰取代率变化曲线

2.3 劈裂抗拉强度

对不同粉煤灰取代率试件在不同养护温度条件下的28 d龄期劈裂抗拉强度进行试验，根据试验结果绘制出如图3所示的喷射混凝土劈裂抗拉强度随粉煤灰取代率的变化曲线。由图3可以看出，高岩温条件下劈裂抗拉强度的变化规律与抗折强度较为相似，当粉煤灰的取代率为30%时的劈裂抗拉强度值最大。

图3 劈裂抗拉强度随粉煤灰取代率变化曲线

3 结 论

(1)掺入一定比例的粉煤灰，可以有效增加高岩温环境下喷射混凝土的抗压强度、抗折强度和劈裂抗拉强度，具有重要的工程应用价值。

(2)随着粉煤灰取代率的增加，喷射混凝土的抗压强度、抗折强度和劈裂抗拉强度呈现出先迅速增加后不断降低的变化特点。

(3)当粉煤灰取代率为30%时，喷射混凝土的抗压强度、抗折强度和劈裂抗拉强度值最大，为最佳取代率。

(4)围岩岩温越高，粉煤灰对喷射混凝土力学性能的改善效果越好。