粉煤灰混凝土在高温热害隧洞中早期水化特性研究

2018-08-30李燕波

水利科技与经济 2018年2期

李燕波

(新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000)

近年来，随着地下工程的增多，高温热害隧洞逐渐成为国内外学者关注的焦点。高温热害隧洞中衬砌混凝土直接接触高温岩体，施工过程中极易出现假凝、不均匀钙化等现象，混凝土的性能难以保证[1]。已有研究对于高温热害隧洞衬砌混凝土的抗压强度、劈拉强度、弹性模量等基本力学性能[2-3]和混凝土的耐久性[4]进行了一定的研究，对热害隧洞喷射混凝土的力学性能、结构行为[5-6]、粘结强度[7]等也有部分研究，但是对于高温养护条件下隧洞衬砌混凝土的早期水化特性还鲜有报道。鉴于此，本文通过测量混凝土胶凝材料水化放热、观察浆体显微形态、对浆体进行能谱测试等方法，对粉煤灰混凝土胶凝材料在不同产量下的早期水化特性进行研究。

1 试验原材料与试验方法

1.1 试验原材料

试验采用P.O42.4R级水泥；粉煤灰采用电厂的I级粉煤灰，其各项指标均符合《粉煤灰混凝土应用技术规范》(GBJ 146-1990)的要求；两种材料的化学组成及各项技术指标见表1。

表1 水泥、粉煤灰的化学组成及技术指标

与P.O42.4R级水泥相比，粉煤灰化学组成中的硅、铝、铁、硫、钠、钾等元素含量高，而钙、镁等元素含量稍低。实验水泥的比表面积为345 m2/kg；粉煤灰的比表面积为418 m2/kg，使用激光粒度分析仪测定水泥和粉煤灰的粒径分布，见图1。

图1 水泥粉煤灰粒径分布图

由图1可知，粉煤灰的粒径分布与水泥的粒径分布基本相同，主要集中分布于3～65 μm之间，但粉煤灰的细颗粒含量较多而大颗粒含量较少。

1.2 实验方案设计

新疆齐热哈塔尔水电站引水隧洞施工时遇到高温地热灾害，隧洞贯通后岩壁平均温度约为60℃。因此，试验拟在60℃的养护温度下，研究粉煤灰胶凝材料的水化特性；试验中胶凝材料的水胶比为0.42，分别用20%(F20)、40%(F40)粉煤灰等质量代替水泥，试验中使用纯水泥(F0)作为对照组。使用5 mL塑料离心管密封胶凝材料，待试件成型后置于60±3℃、适度≥95%的恒温恒湿环境进行养护，每组试验制作3个试件，采用3个试件测试的平均值作为试验结果。

2 试验结果与结果分析

2.1 高温环境下粉煤灰掺量对水化热的影响

图2为水泥、粉煤灰胶凝材料的水化热放热速率曲线和放热总量曲线，图2可反映胶凝材料的早期水化放热进程。混凝土胶凝材料的水化进程可以分为5个基本阶段，分别为诱导前期、诱导期、水化加速期、水化减速期以及水化稳定期。由图2(a)可以看出，当胶凝材料与拌和用水接触后，即进入诱导前期并产生一个放热峰值，F0、F20、F40三组试件的放热峰值分别为20.1、31.7和24.3.J/(gh)-1。这一阶段掺粉煤灰反而会短暂导致水化放热增加，这是由于粉煤灰拌和水后立刻释放表面能以及大量钙矾石生成所导致的[8]。此阶段较为短暂，并不能说明胶凝材料的水化热过程。进入诱导期后，可以明显看到随着粉煤掺量的增大诱导期的峰值降低、诱导期出现的时间推后，这是由于粉煤灰等质量代替水泥后，胶凝材料的水化放热总量以及速率均有所降低。粉煤灰掺量对于水化加速期、水化减速期以及水化稳定期的影响不大。

图2 胶凝材料的水化放热速率和总放热量

由图2(b)可以看到，随着粉煤灰掺量的增加，胶凝材料不同时段的水化放热不断减小。粉煤灰掺量为零时浆体90 h总放热量为318 J；粉煤灰掺量为20%、40%时，其总放热量仅为纯水泥浆体的86%和67%。

C-S-H 凝胶作为水泥浆体中最重要的组成之一，其数量的多少、质量的好坏是影响浆体性能的关键因素之一。因此，对硬化浆体进行能谱测试，并对每个断面进行25次能谱分析，结果见图3。图3表明，随着粉煤灰掺量的增大，浆体的钙硅比不断减小，而且粉煤灰掺量越大钙硅比减小幅度越大。

图3 胶凝材料的钙硅比

2.2 水化产物

图4为不同粉煤灰掺量时浆体在温度60℃、湿度95%条件下养护1 d时X射线衍射分析结果，图4中A表示Ca(OH)2，B表示C3S，C表示C2S，D表示莫来石，E表示低温型石英。由图4可看出，高温环境中水化进行一天时，浆体已产生大量的水化产物。但随着粉煤灰掺量的增加，其各产物的峰值明显降低且有稍微推迟的趋势，这说明粉煤灰对于减缓胶凝材料水化速度有一定作用。已有研究[9]表明，在高温环境中混凝土的水化速度会随温度的增大而加快，由于水化速度过快从而导致高温下混凝土较同期常温混凝土中存在更多的C-S-H纤维，但凝胶质量较差，并导致混凝土早期强度较高而后期强度较差。测定高温环境下养护1 d时，F0、F20和F40的抗折强度分别为4.91、3.37和2.81 MPa。由此可见，在高温环境中掺入粉煤灰不仅可以延缓水化速度而且对提高混凝土性能有一定贡献。