陈洪光 冯 健 郭存林 汪富军
(中铁隧道集团科研所 河南洛阳 471009)
提 要 介绍了笔者将大掺量粉煤灰高性能混凝土进行的改进措施，并将改进后的大掺量粉煤灰高性能混凝土应用于隧道衬砌混凝土施工中，解决了隧道衬砌混凝土施工中的许多问题。
关键词 隧道衬砌 粉煤灰混凝土 坍落度
1 引言
在混凝土中掺用粉煤灰现在已经是很普通的应用技术，但目前，国内隧道和地下工程中，衬砌混凝土施工质量存在较多问题，诸如：强度不够、开裂渗水、材料浪费、工时较长等现象，尤其是外观质量，多在起拱线以下的边墙上出现较多的蜂窝、麻面等缺陷，严重影响了混凝土的外观质量及耐久性。但以往在分析混凝土质量问题时，大多是考虑施工过程中混凝土配合比是否合理准确、混凝土拌合、运输、浇灌及振捣、养护与拆模等工作是否正确执行等影响因素。在一定程度上忽视了用混凝土改良新技术如“双掺”技术、大掺量粉煤灰、沸石粉等新技术来解决隧道衬砌混凝土质量问题。笔者在本文将大掺量粉煤灰高性能混凝土进行改进，通过降低水胶比、加入合适的粉煤灰活性激发剂等合理途径，在解决好早强、
缓凝等问题之后，成功地将大掺量粉煤灰高性能混凝土应用于隧道衬砌混凝土施工中，解决了隧道衬砌混凝土施工中的许多技术问题，取得了很好的效果，对于推广粉煤灰的应用起到了积极的作用。
2 问题的提出及解决方法
大掺量粉煤灰混凝土应用于隧道衬砌中所存在的主要问题是凝结时间慢和早期强度发展慢的问题，这两方面的问题会导致1d～3d的强度过低，因延迟拆模而耽误工期。这些问题的解决方法主要有降低水胶比、掺入粉煤灰活性激发剂、掺入高效减水剂等。3 粉煤灰的改进措施
3.1 粉煤灰在混凝土的作用
粉煤灰在混凝土中可起到三种作用：第一，对普通水泥水化机理和水化动力学的化学影响。开始是减缓C3A的活性，加快C3S水化的进行，后期则是加快C3A本身的反应。第二，在初期的塑性状态和水化过程中对水泥水化物微观结构的物理影响。粉煤灰混凝土泌水量的减少可以改善骨料、浆体间的界面粘结。此外，需水量的减少可以改善水化物的结构，因水泥颗粒的更均匀水化而使得水化物的结构更加密实。第三，在一定时间之后，由于粉煤灰产生的火山灰效应，胶结料增多，因而有益于混凝土的强度持续增长。另一方面，当以取代水泥为目的而在混凝土中使用粉煤灰时，会降低混凝土的早期强度的增长速度，掺量高时尤为显著。因此，在混凝土中掺用粉煤灰时常常需要采取相应的技术措施来克服这一不足。例如掺加早强剂、减水剂或者能够激发粉煤灰活性的其它材料。 3.2 降低水胶比的机理及作用
在高水胶比的水泥浆里，水泥颗粒被水分隔开(水所占体积约为水泥的两倍)，水化环境优异，可以迅速地生成表面积增大1000倍的水化物，有良好地填充浆体内空隙的能力。粉煤灰虽然从颗粒形状来说，易于堆积得较为密实，但是它水化缓慢，生成的凝胶量少，难以填充密实颗粒周围的空隙，所以掺粉煤灰水泥浆的强度和其他性能总是随掺量增大(水泥用量减少)呈下降趋势(当然在早龄期就更加显著)。
在低水胶比的水泥浆里情况就不一样了。不掺粉煤灰时，高活性的水泥因水化环境较差而不能充分水化，所以随水灰比下降，未水化水泥颗料的内芯增大，生成C-S-H数量下降，但由于颗粒间的距离减小，要填充的空隙也同时减小，因此混凝土强度得到迅速提高。这种情况下用粉煤灰代替部分水泥，在低水胶比条件下，水泥的水化条件相对改善，因为粉煤灰水化缓慢，使混凝土实际的“水灰比”增大，水泥的水化因而加快，这种作用机理随着粉煤灰的掺量增大愈加明显，水泥水化程度的改善，则有利于粉煤灰作用的发挥。与此同时，需要粉煤灰水化产物填充的空隙已经大大减小，所以其水化能力差的弱点在低水胶比条件下被掩盖，而降低温升等优
第25卷 第1期2005年2月
隧道建设
hargreavesTunnel Constructi on
25(1):57～60
Feb,2005
点则依然有利于混凝土性能的发挥。以上所述低水
胶比下粉煤灰作用的变化，我们可以用一个“动态堆积”的概念来认识，这是相对于长期以来沿用的静态堆积而言的。即通常在选择原材料和配合比时，是以各种原材料在加水之前的堆积尽量密实为依据的，但是当加水搅拌后，特别是在低水胶比条件下，如何通过粉状颗粒水化的交叉进行，使初始水胶比尽量降低，混凝土单位用水量尽量减少，配制出的混凝土在密实成型的前提下，经过水化硬化过程，形成的微结构应该是更为密实的。因此低水胶比条件下，粉煤灰混凝土的强度发展与空白混凝土接近，而后期仍有一定幅度的增长，在一定范围内随掺量变化的影响不大。当然，粉煤灰代替水泥用量大了，由于起激发作用的氢氧化钙含量减少，使粉煤灰的水化条件劣化，所以在不同条件下存在一最佳粉煤灰掺量，并不是越大越好。
3.3 活性激发剂的作用
活化剂由硫酸盐组份、增钙组份和减水剂等构成。一般认为，这些组份中有些对粉煤灰的活性具有激
发作用。其激发机理在于氢氧化钙(氧化钙遇水的水化产物)的直接激发和硫酸盐的间接激发。氢氧化钙激发粉煤灰活性的原因在于:OH-使粉煤灰玻璃体中Si-O键和A l-O键断裂，提高玻璃体的活性，促进水化反应，而Ca2+参与了物料的反应，生成C-S-H和C
3
AH6等具有胶凝性的水化产物，并促进水比产物向结构更稳定、强度更高的水化产物的转化。至于硫酸盐的激发作用，则是在氢氧
化钙激发的同时，给水化反应提供S O2-
4
，并与液相
中的Ca2+、A l O
2
-等离子或离子团反应生成钙矾石。因而活化剂提高粉煤灰混凝土强度的原因是活化剂中的增钙组份(
氧化钙)增加了粉煤灰的钙含量。这些氧化钙转化成氢氧化钙后和硫酸盐共同产生激发作用，激发了粉煤灰的活性，加速C-S-H凝胶和钙矾石晶体的形成，提高了C-S-H凝胶和钙矾石晶体的整体数量。而在宏观上看就是提高了粉煤灰混凝土的强度。
稀土氧化物因此活化剂能够显著提高混凝土的早期强度和后期强度，其原因在于活化剂中的增钙组份和硫酸盐组份对粉煤灰活性的激发作用。
3.4 早强减水剂的作用
新拌混凝土中，高效减水剂高分子基团吸附于水泥颗粒表面，相同电性的亲水基统一指向水溶液，水泥颗粒在电性斥力作用下解絮，释放水泥颗粒凝絮体中包裹的游离水，同时，水泥颗粒间的相同电性
斥力，减缓了棱角状水泥颗粒间啮合作用，利于水泥浆体流动，表现出减水作用。高效减水剂是混凝土中主要减水成分，高效减水剂的另一作用是不会因活化剂的掺入而提高混凝土的用水量。
早强剂易溶于水，它极易与水泥水化产物Ca (OH)
2
作用，生成高分散性的硫酸钙，均匀分布在混凝土中，这些高度分散的硫酸钙，与C3A的反应比外掺石膏的作用快得多，能使水化硫铝酸钙迅速生成，大大加快了水泥的硬化。同时，由于上述反应
im2.0互动营销
的进行，使得溶液中Ca(OH)
2
浓度降低，从而促使C3S水化加速，使混凝土早期强度提高。即在水泥
水化初期与C
3
A迅速生成针状钙矾石(C3A・3Ca3O4・31H2O)晶体，晶体不断发育彼此交叉搭接形成初始骨架，并被C-S-H凝胶及其它水化产物充填加固，促使水泥石早期强度显著提高。另外，早强剂在水泥水化过程中与钙、铁等离子生成易溶于水的络离子，在水化的水泥颗粒表面形成受到干扰, C3A、C4AF的溶解速度加快，加速与硫酸盐形成钙矾石的反应，使混凝土早强。
4 工程实例及应用效果
4.1 工程概况
解放路延伸工程是2002年杭州市政府重点工程，工程量大、工期紧。该工程位于杭州市市区内，线路
始于建国路和解放路交叉口，沿解放路下穿。向东延伸穿凯旋路后与新安口路相接。由于该工程工期紧、施工重点与难点多，混凝土改良试验多、技术难度大、试验任务集中、混凝土类型多样。大掺量粉煤灰混凝土用于隧道拱墙、仰拱、及洞门端墙C30・P8防水钢筋混凝土为重点。
4.2 原材料情况
4.2.1 水泥
心宽一寸病退一丈由于粉煤灰水泥、矿渣水泥、火山灰水泥和复合水泥均有凝结时间及强度发展不适宜隧道衬砌施工的脱模时间，因此选用了普通硅酸盐水泥，为了降低水泥用量选用了42.5级水泥。见表1。
表1 水泥物理、力学指标检验结果
检验
指标
性
细度
%
标准稠度
用水量%
初凝
时间
终凝
时间
强度MPa
3d
抗折
28d
抗折
3d
抗压
伦敦证券交易所28d
抗压
检验
结果
合格 3.927.4
3h
20m in
4h
15m in
5.48.925.647.2
注：水泥为海螺牌P・O42.5水泥。
85隧道建设 2005年2月 第25卷
4.2.2 细骨料
砂子中含泥量增大会加剧塑性收缩，因此应选用含泥量低的砂，同时应选用中粗砂，细度模数宜较大。工地使用的细骨料检验结果见表2、表3。
表2 细骨料颗粒级配筛分曲线
筛孔尺寸mm 5.00 2.50 1.250.6300.3150.160累计筛余百分率%9.428.435.472.289.694.6
表3 细骨料物理性能指标
检验指标表观密度
kg/m3
堆积密度
kg/m3
含泥量
%
细度模数
检验结果259015700.4 3.0
注：细骨料产地桐庐，河砂、中砂。
4.2.3 粗骨料
碎石宜采用连续级配，各项指标应符合要求，同时应采用如石灰石等线性膨胀系数小、碱活性低的骨料。粗骨料检验结果见表4、表5。
表4 粗骨料筛分曲线
筛孔尺寸mm25.020.016.010.0 5.0 2.5累计筛余百分率% 4.9/68.1/99.399.8
表5 粗骨料物理性能指标
检验指标表观密度
kg/m3
堆积密度
kg/m3
含泥量
%
针片状颗粒
含量%
压碎指
标值%
检验结果267015000.2 2.27.7 注：粗骨料产地为肖山石门、碎石。
4.2.4 外加剂
经试验比较，选定武警F DN-5型减水剂及增钙碱活性激发剂。其激发机理为氢氧化钙(氧化钙遇水的水化产物)的直接激发和硫酸盐的间接激发。F DN-5型减水剂是一种含早强组份的效果很好的复合型萘磺酸盐系减水剂。
4.2.5 粉煤灰
粉煤灰对混凝土性能影响显著的因素应该是：烧失量、细度与需水量比：烧失量主要反映了粉煤灰中未燃碳分的含量，是影响粉煤灰混凝土配合比设计与性能的最主要的因素；细度越细，火山灰反应能力越好，或称火山灰活性指数越高，细度细的粉煤灰具有相对高的早、中、后期强度；需水量比方面，从总体上来说，需水量比小总是好的。粉煤灰检验结果见表6。
表6 粉煤灰检验结果
检验指标
烧失量
(%)
三氧化硫
(%)
需水量比
(%)
含水量
(%)检验结果 2.1 1.693.40.4
注：采用标准为G BJ146—90、G B176—87。所检指标合格。4.2.6 磨细矿渣、粉煤灰的化学成分与比表面积
见表7。
4.3 配合比的选定
调整后的配合比见表8、混凝土拌合物及混凝土力学性能见表9。粉煤灰、磨细矿渣对水泥的取代率为32%，水泥量从每方375kg降至256kg，大大节约了水泥用量。
4.4 应用效果
①强度方面：从试件的极限抗压强度可以看出应用中的强度指标均达到设计强度要求。
表7 磨细矿渣、粉煤灰的化学成分与比表面积
名称
化学成分(%)
Si O2A l2O3Fe2O3Ca O Mg O K2O Na2O S O3C Ti O2MnO
烧失量
比表面积
(c m2/g)
磨细矿渣42.1219.6910.6020.17 1.100.750.46 1.370.60 2.300.08—约9000粉煤灰40.1620.10 5.2225.120.900.400.59 2.380.32 1.210.09 2.96—
表8 调整后的配合比
用水量(kg/m3)砂率
(%)
水泥用量
(kg/m3)
细骨料
(kg/m3)
粗骨料
(kg/m3)
粉煤灰
(kg/m3)
磨细矿渣
(kg/m3)
减水剂
(kg/m3)
碱活性激发剂
(kg/m3)
1954025670310988860 3.010.4
表9 混凝土拌合物及混凝土力学性能
坍落度mm24小时强度MPa7天强度MPa28天强度MPa抗渗结果粘聚性、保水性180 2.929.740.4>P14优异95
第1期 陈洪光 冯 健 郭存林 汪富军 大掺量粉煤灰混凝土在隧道衬砌施工中的应用
表10 混凝土检查试件强度结果
试件尺寸
(mm)制件日期
龄期
(d)
抗压日期
荷载(kN)
123
平均极限强度
(MPa)
折合150×150×150mm3
强度(MPa)
达到设计强度
(%)
100×100×1002003.02.13282003.03.1331534535233.732.0107 100×100×1002003.02.10282003.03.1035039030535.033.2111 100×100×1002003.02.13282003.03.1335332033033.431.7106 100×100×1002003.02.09282003.03.0936734935235.633.8113 100×100×1002003.02.13282003.03.1333831535033.431.7106 100×100×1002003.02.09282003.03.0935034135334.833.1110 100×100×1002003.02.12282003.03.1235430032032.530.9103 100×100×1002003.02.09282003.03.0935034235735.033.2111 100×100×1002003.02.12282003.03.1237038530037.035.2117 100×100×1002003.02.08282003.03.0834838543538.937.0123 100×100×1002003.02.11282003.03.1137236036636.634.8116 100×100×1002003.02.12282003.03.1238536030036.034.2114 100×100×1002003.02.08282003.03.
0836338729036.334.5115 100×100×1002003.02.08282003.03.0835230037534.232.5108 100×100×1002003.02.10282003.03.1037530038537.535.6119 100×100×1002003.02.07282003.03.0737538336937.635.7119 100×100×1002003.02.11282003.03.1138337538037.936.0120 100×100×1002003.02.05282003.03.0535534035034.833.1110 100×100×1002003.02.13282003.03.1336038537037.235.3118 100×100×1002003.01.24282003.02.2137538037037.535.6119 100×100×1002003.01.24282003.02.2145545043044.542.3141 100×100×1002003.01.27282003.02.2448246547547.445.0150 100×100×1002003.01.27282003.02.2445046245745.643.3144 100×100×1002003.01.28282003.02.2539042337039.437.4125 100×100×1002003.01.28282003.02.2542044243543.241.0137 100×100×1002003.01.28282003.02.2536740438738.636.7122 100×100×1002003.01.31282003.02.2837532035334.933.2111 100×100×1002003.02.02282003.03.0233732533533.231.5105 100×100×1002003.02.03282003.03.0332033532032.530.9103 100×100×1002003.02.03282003.03.0340342538740.538.5128 100×100×1002003.02.03282003.03.
0345338540241.339.2131 100×100×1002003.02.03282003.03.0335733132733.832.1107
抗压强度平均值为35.3MPa；抗压强度标准差S为3.64。
②抗渗方面：粉煤灰的形态效应、活性效应、微集料效应均能提高混凝土的抗渗性，粉煤灰混凝土的铝硅酸盐玻璃微珠，可填充水泥浆体，提高混凝土的抗渗性，降低了混凝土的孔隙率，改善了孔结构，提高了混凝土的抗渗性，增加了混凝土的密实性，提高混凝土的抗渗性。该粉煤灰混凝土虽未掺加防水剂但抗渗性能很好，其抗渗试验结果大于P14，远远超过设计要求。
③工作性方面：通过对粉煤灰掺量不同的新拌高性能混凝土进行坍落度试验表明，掺加粉煤灰对混凝土工作性的改善十分明显，各掺量粉煤灰混凝土的坍落度均大于基准混凝土。同时，在实践中可看到粉煤灰高性能混凝土的粘聚性、保水性好，无离析泌水现象。该粉煤灰混凝土拌合物坍落度经时损失试验结果,1h坍落度损失小于7%,2h小于11%，远远小于基准混凝土。
④其它：大掺量粉煤灰混凝土的抗冻性明显超过基准混凝土，同时也大大改善混凝土的抗钢筋锈蚀及抗碱-骨料反应方面的性能。pcb技术
5 结论
试验研究及应用表明，经过合理降低水胶比，优化复合粉煤灰活性激发剂、同时掺加高效减水剂等外
加剂的大掺量粉煤灰混凝土完全可以满足隧道衬砌混凝土施工的需要。该技术的开发及其在隧道衬砌中的应用，既可以提高隧道衬砌质量，同时又可以大量地取代水泥，就经济性来说，由于粉煤灰的价格比水泥低得多，能够取得很好的经济效益。就环境效益来说，可以大幅度减少能源耗费、环境污染，因此粉煤灰混凝土也是一种绿混凝土。从这个角度出发，推广大掺量粉煤灰混凝土在工程建筑中的应用，具有强大的生命力和广阔的发展前景。
参考文献
1 陈洪光.大掺量粉煤灰混凝土应用于隧道衬砌可行性的研究，混凝土,2003年第四期
2 吴中伟.廉慧珍著.高性能混凝土，北京：中国铁道出版社,1999
3 汪正兰.活化剂提高粉煤灰混凝土强度的试验研究，混凝土,2000年第三期
作者简介：陈洪光，男,1973.1生,1995年毕业于洛阳大学化学专业，工程师。
收稿日期:2004-4-12
06隧道建设 2005年2月 第25卷
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