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高岩温隧道下矿物掺合料对混凝土力学性能的影响 何廷树等 1 1 9 高岩温隧道 下矿物掺合料对混凝土力学性能的影响 何廷树 ， 汲江涛 ， 王艳 ， 苏晓峰 ( 1 西安建筑科技大学陕西西部建筑科技国家重点实验室培育基地， 西安 7 1 0 0 5 5 ； 2 中铁第一勘察设计院集团有限公司， 西安 7 1 0 0 4 3 ) 摘要 通过模拟高岩温隧道条件， 研究了高岩温隧道条件下矿物掺合料对混凝土强度的影响。结果表明： 高 岩温条件 下可以提 高混凝土的早期 强度 ， 但后 期强度却有较 大幅度 的下降 ， 当温度低 于 5 0 时 ， 矿 渣粉煤 灰复合 混 凝土的强度更高； 当温度超过 6 O时， 粉煤灰混凝土的强度更高。X R D及 S E M 分析表明： 高岩温条件下胶凝材料 水化速度加 快 ， 生成的 水化 产物 来不及 均 匀扩散 ， 相互搭接 变差 ， 当温度低 于 5 O 时， 水分蒸发较 慢 ， 水 分充足 ， 矿 渣 的活性容 易被激发 ， 水化产物结构致 密； 当温度超过 6 0时 ， 由于水分 蒸发较快 ， 矿渣 的活性 难以被激 发 ， 水化产 物 结 构 变疏 松 。 关键词 高岩温隧道矿物掺合料强度 中图分类 号 T U5 2 8 文献标识 码： A I nf l u e nc e o f M i n e r a l Ad m i xt u r e o n M e c ha ni c a l Pr o pe r t i e s i n Hi g h Te mpe r a t u r e S u r r o u nd i ng Ro c k Tu n ne l HE Ti n g s h u ，J I J i a n g t a o ，W ANG Ya n ，S U Xi a o f e n g ( 1 S t a t e Ke y La b o r a t o r y o f W e s t e r n Ar c h i t e c t u r e a n d Te c h n o l o g y Cu l t i v a t i n g Ba s e ，Xi a n Un i v e r s i t y o f Ar c h i t e c t u r e a n d Te c h n o l o g y，Xi a n 7 1 0 0 5 5： 2 C h i n a Ra i l wa y Fi r s t S u r v e y i n g a n d De s i g n I n s t i t u t e Gr o u p Lt d，Xi a n 7 1 0 0 4 3 ) Ab s t r a c t By s i mu l a t i n g t h e h i g h t e mp e r a t u r e s u r r o u n d i n g r o c k t u n n e l c o n d i t i o n s ，t h e i mp a c t o f mi n e r a l a d mi x t u r e o n c o mp r e s s i v e s t r e n g t h wa s s t u d i e d Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e h i g h t e mp e r a t u r e s u r r o u n d i n g r o c k c o n d i t i o n c a n i mp r o v e t h e e a r l y s t r e n g t h o f t h e c o n c r e t e ，b u t l a t e r s t r e n g t h d e c r e a s e s s i g n i f i c a n t l y Wh e n t h e t e mp e r a t u r e i s b e l o w 5 O ，s l a g f l y a s h c o mp o s i t e c o n c r e t e h a s h i g h e r s t r e n g t h；wh e n t h e t e mp e r a t u r e e x c e e d s 6 O 。t h e s t r e n g t h o f f l y a s h c o n c r e t e i s h i g h e r Th e a n a l y s i s o f XRD a n d S EM s h o w t h a t t h e h y d r a t i o n r a t e o f b i n d e r s p e e d s u p u n d e r h i g h t e m p e r a t u r e s u r r o u n d i n g r o c k c o n d i t i o n，s o t h e h y d r a t i o n p r o d u c t s g e n e r a t e t o o q u i c k t o e v e n l y s p r e a d ，mu t u a l o v e r l a p g e t s wo r s e Wh e n t h e t e mp e r a t u r e i s b e l o w 5 0 ，e v a p o r a t i o n o f wa t e r i s s l o w a n d mo i s t u r e i s a d e q u a t e s o t h e s l a g i s mo r e l i k e l y t o b e a c t i v a t e d a n d t h e s t r u c t u r e o f h y d r a t i o n p r o d u c t s i s d e n s e r ；wh e n t h e t e mp e r a t u r e e x c e e d s 6 0 ，t h e wa t e r e v a p o r a t i n g f a s t e r ，s l a g i s d i f f i c u l t t o b e a c t i v a t e d，t h e s t r u c t u r e o f h y d r a t i o n p r o d u c t s b e c o me s l o o s e Ke y wo r d s h i g h t e mp e r a t u r e s u r r o u n d i n g r o c k ， t u n n e l ，mi n e r a 1 a d mi x t u r e ，s t r e n g t h 我国在建的拉萨至 日喀则铁路途经青藏高原地热温泉 区域 ， 初步调查岩温 、 水温平均为 5 O， 最高达 8 O ， 隧道 内相对湿度仅在 5 O 左右 ， 形成 了高岩温隧道这种特殊 的自 然环境。现行隧道及混凝土规范并没有相关 内容 ， 可借鉴的 成功案例极少 ， 因此 ， 研究高岩温隧道衬砌混凝 土是 十分必 要且 迫在 眉 睫的 。 大量研究结果_ 1 表明， 矿渣具有水硬性 ， 是一种具有潜 在胶凝性的材料 。一 般 自然条件下 ， 当矿渣 与粉煤灰复合 时， 由于它们在水化、 活性和结构特征上的协 同效应 6 ， 能显 著提高混凝土的强度l 7 捌。但在高岩温隧道这种特殊的 自然 环境条件下， 矿渣和粉煤灰对混凝土强度的影响却并没有研 究 。混凝土早期 的养护受温湿度的影响较大 ， 在早期高温环 境下养护可提高混凝土早期强度 ， 但后期强度有所下降 9 n 。 在实验室中模拟高岩温隧道条件， 探究 高岩温对粉煤灰混凝 土与矿渣一 粉煤灰混凝土强度 的影响， 通过 XR D和 S E M 研 究方法， 分析胶凝材料水化产物 的含量、 种类 以及微观显微 形貌 ， 探寻高岩温隧道条件对混凝土强度影响的机理。 1 实验 1 1 原 材料 ( 1 ) 水泥 ： 采用拉 萨华新水泥厂生产 的 P 0 4 2 5 水泥， 3 d龄期的抗折强度为 4 7 MP a 、 抗压强度为 3 0 2 MP a ， 2 8 d 龄期的抗折强度为 7 4 MP a 、 抗压强度为 4 4 2 MP a 。 ( 2 ) 粉煤灰： 采用云南宏星物流股份有限公司提供的 C 5 0 以下混凝土用 F类粉煤灰 ， 细度为 1 1 2 ， 烧失量为 3 4 ， 需水量比为 1 0 1 。 *铁道部科技研究开发计划项 目( 2 0 1 1 G 0 2 7 一 B ) 何延树： 男， 1 9 6 5年生， 教授， 博士生导师， 主要从事高强高性能混凝土的研究 E - ma i l ： j i j i a n g t a o 1 9 8 7 1 6 3 c o m 1 2 O 材料导报 B： 研 究篇 2 0 1 3 年 3月( 下) 第 2 7 卷第 3期 ( 3 ) 矿粉 ： 采用陕西韩城 $ 7 5矿粉 ， 7 d活性系数为 7 O ， 烧失量为 1 1 2 。 ( 4 ) 细骨料： 采用拉萨尼木县砂 场的中砂 ， 细度模数 为 2 7 ， 含泥量为 1 1 。 ( 5 ) 粗骨料 ： 采用拉萨路通石场的碎石， 5 3 1 5 i i l m 连 续级配 ， 最大粒径为 3 1 5 mm， 压碎指标为 8 3 。 ( 6 ) 减水剂 ： 采用山西凯迪建材有限公司生产的 KD S P - 1 聚羧酸 高性能减 水剂 ( 标 准型) ， 掺 量为 1 O ， 减 水率 为 2 7 。 1 2实验用配合 比 实验研究主要是利用单掺粉煤灰 和矿渣粉煤灰复掺配 制的 C 3 5 高性能混凝土， 配合 比见表 1 。 表 1 C 3 5混凝土配合比( k g m3 ) T a b l e 1 Mi x e d p r o p o r t i o n s o f C 3 5 c o n c r e t e ( k g m。 ) 1 3实验方 法 采用江苏苏南试验设备有 限公 司生产 的高低温交变湿 热箱来模拟高岩温 隧道 内的温湿度环境。由于现场岩温平 均为 5 0、 最高达 8 O ， 并且相对湿度仅为 5 0 左右 ， 因 此， 模拟试验时选取 5 0、 6 O和 8 0三个温度 以及 5 O 的相对湿度。现场施工时， 衬砌混凝土浇筑 2 4 h后即可洒水 养护， 通过洒水及通风降温， 现场温度很快降到 3 O以下 。 因此 ， 模拟试验时对混凝土的高温低湿养护只持续 2 4 h 。待 混凝土达到初凝后 ， 对于标准养护试件 ， 2 4 h后拆模 ， 然后放 入标准养护室在 2 0下进行养护 ； 对于高温养护的试件 ， 将 试件带模放入养护箱 ， 在相应 的温湿度条件下 ， 进行高温养 护 2 4 h ， 然后拆模 ， 拆模后将试件放入标准养护室在 2 0下 继续进行养护。测定不同养护条件下试件的 3 d 、 7 d 、 2 8 d及 6 O d的抗压强度。 采用 日本理学公司的 D ma 2 4 0 0型 x射线衍射仪 ， 日 本产 J S M一 5 8 0 0型扫描电镜 ， 研究高岩温隧道条件下矿物掺 合料对胶凝材料水化产物的影响。试样制备： 按照与表 1相 同的水胶 比及矿 物掺合 料产量， 制成 2 O mm2 0 F i l m2 0 mm净浆试块 ， 与混凝土试块在 同样的养护条件下养护。到 龄期后将其破碎 ， 并浸入丙酮和无水乙醇 中， 终止其水化 ， 随 后进行 X RD和 S E M 分析。 2 结果与讨 论 2 1 养护温度对粉煤灰混凝土及矿渣一 粉煤灰 混凝土 强度 的影 响 在 4种养护条件下， 粉煤灰混凝土与矿渣一 粉煤灰 昆 凝土 的 3 d 、 7 d 、 2 8 d 、 6 O d抗压强度 如表 2所示。从表 2中可以 看出， 随着养护温度的升高， 粉煤灰混凝土与矿渣一 粉煤灰混 凝土的 3 d强度逐渐增加。8 0养护条件 下的 3 d强度最 高 ， 标准养护条件下的 3 d 强度最低。随着龄期的延长 ， 标准 养护条件下试块的强度开始出现较快的增长， 但是高温养护 条件下试块的强度增长较为缓慢 ， 并且随着养护 温度 的升 高 ， 后期强度增长得越缓慢。到 6 0 d时， 标准养护 条件下 斌 块的强度最高 ， 8 O养护条件下试块的强度最低。 在标准养护条件下 ， 矿渣粉煤灰复掺混凝土的强度在各 个龄期均 高于单 掺粉煤灰 混凝 土的强 度。在 相对湿 度为 5 0 条件下 ， 当养护温度为 5 0时， 矿渣粉煤灰复掺 昆凝土 的强度在各个龄期均高于单掺粉煤灰混凝土的强度 ； 当养护 温度超过 6 0时， 矿渣粉煤灰复掺混凝土 的强度低于单掺 粉煤灰混凝土的强度。 表 2 不 同养护条件下两种掺合料混凝土的抗压强度 Ta b l e 2 Co mp r e s s i v e s t r e n g t h o f t wO a d mi x t u r e c o n c r e t e u n d e r d i f f e r e n t c u r i n g c o n d i t i o n s 2 2 X l 分 析 根据两种混凝土的抗压强度变化可 以发现， 不同养护条 件对粉煤灰混凝土与矿渣一 粉煤灰混凝土的强度影响比较大， 为了分析养护条件对两种矿物掺合料混凝土早期强度 的影 响 ， 选取在 2 O、 5 0及 8 0下水化 3 d的净浆试样进行 X RD分析 ， 见图 1 一图 3 。 从图 1 可以看出 ： 在标准养 护条件 下水化 3 d 后 ， 掺矿 渣一 粉煤灰试样 比掺粉煤灰试样生成了略多的 C a ( 0H) 。 ， 这 是因为矿渣成分与水泥类似 ， 具有弱的水硬性 ， 在水分充足 的情况下 ， 矿渣被慢慢地激发 出活性 ， 生成 C a ( O H) ， 使 矿 渣一 粉煤灰混凝土 3 d强度略高于粉煤灰混凝土 3 d强度 ， 与 表 2所示的 3 d抗压强度测试结果吻合。 从图 2 可以看出： 在 5 0、 相对湿度 5 O 条件下试样水 化 3 d后 ， 掺矿渣 粉煤灰试样比掺粉煤灰试样生成 了较多 的 C a ( OH) 。这是因为在适当升高养护温度的条件下 ， 矿渣 的 水化反应速度加快 ， 混凝土的强度提高 ， 与表 2 所示的 3 d 抗 压强度测试结果吻合。 从图 3可以看出： 在 8 O、 相对湿度 5 0 条件下试样水 化 3 d 后 ， 掺粉煤灰试样反而比掺矿渣 粉煤灰试样生成了更 多的 C a ( OH) ： 。这是因为 当温度升高到 8 O后 ， 由于相对 1 2 2 材料导报 B： 研究篇 2 0 1 3年 3月( 下) 第 2 7卷第 3期 酸盐水泥水化反应和粉煤灰火山灰反应 的进行 ， 水化产物来 不及均匀扩散 ， 造成了水化产物 的不均匀分布 。由于高岩温 隧道里高温低湿的特殊养护条件， 在低 于 5 O时， 由于试样 中水分蒸发得慢 ， 混凝土 中的水分保 留得 比较充足 ， 矿渣 的 活性更容易被激发， 水化反应程度更高 ， 从而掺入矿渣可 以 提高试样的强度 ； 当温度高于 6 O时 ， 水分蒸发变快， 矿渣 没有充足的水分进行水化 ， 活性不能被激发 出来， 水化程度 降低 ， 孔洞较多 ， 结构变得更为疏松。粉煤灰由于具有火 山 灰活性 ， 高温和充足的 C a ( OH ) 更容易激发 出它的活性， 使 其生成更为致密的水化产物。 图 6 掺粉煤灰试样( a ) 与掺矿渣一 粉煤灰试样( b ) 8 O养护 6 0 d的 S E M 照片 Fi g 6 S EM i ma g e s o f mi x i n g fly a s h s a mp l e( a )a n d mi x i ng s l a g - f l y a s h s a mp l e ( b )c u r e d a t 8 0 c o n d i t i o n f o r 6 0 d 3 结论 ( 1 ) 高岩温隧道条件下， 混凝土的 3 d强度有 明显 的提 高 ， 随着水化龄期的增加混凝 土强度增长逐渐变慢 ， 到 6 0 d 龄期时 ， 养护温度越高 的混凝 土， 其强度与标准养护的混凝 土强度相 比， 下降得越多。 ( 2 ) 高岩温隧道条件下 ， 当温度低 于 5 O时 ， 矿渣粉煤 灰复合比单掺粉煤灰更能提高混凝土的强度 ， 当温度高于 6 O 时， 单掺粉煤灰反而比矿渣粉煤灰复合更能提高混凝土的 强度。 ( 3 ) 高岩温隧道条件下 ， 混凝土后期强度 明显降低 ， 这不 是 由胶凝材料水化产物的种类和含量引起的， 而是 由于早期 剧烈的加速反应 ， 使水化产物来不及均匀扩散 ， 相互搭接 变 差 ， 使结构变得疏松 ， 不利于后期强度的增长 。 参考文献 1 Z h a o Xu g u a n g， W e n Zi y u n， Z h a o S a n g e n ， e t a 1 E f f e c t o f p a r t i c l e s i z e d i s t r i b u t i o n o f g r o u n d g r a n u l a t e d b l a s t f u r n a c e s l a g o n I TS p r o p e r t i e s L J J C h i n C e r a m S o c ， 2 0 0 5 ， 3 3 ( 7 ) ： 9 0 7 赵旭光， 文梓芸， 赵三根 ， 等 高炉矿渣粉的粒径分布对其性 能的影 N E J 硅酸盐学报， 2 0 0 5 ， 3 3 ( 7 ) ： 9 0 7 2 Z h a o S h u n h u， B a o Xi a nc h e n g ，He Ti n g s h u， e t a 1 I n f l u e n c e s o f b l a s t f u r n a c e s l a g p o wd e r a n d a c t i v a t o r o n t h e p e r f o 卜 ma n e e s o f c e me n t J C o n c r e t e ， 2 0 1 0 ( 9 ) ： 7 4 赵顺湖， 包先诚， 何廷树， 等 矿渣微粉和激发剂对水泥性能 的影响_ J 混凝土， 2 0 1 0 ( 9 ) ： 7 4 3 Zh a o Xu g u a n g ， Zh a o S a n g e n， Z e n g Xi a o x i n g， e t a 1 S t u d y o n t h e h i g h p e r f o r ma n c e b l a s t f u r n a c e s l a g b a s e d c o mp o s i t e a d d i t i o n o f c o n c r e t e F J B u l l C h i n C e r a m S o c ， 2 0 0 5 ( 4 ) ： 5 2 赵旭光 ， 赵三根， 曾小星， 等 高性能矿渣基复合掺合料的研 究E J 硅酸盐通报 ， 2 0 0 5 ( 4 ) ： 5 2 4 Z h o u Wa n l i a n g， Fa n g Ku n h e Ef f e c t o f s l a g c o n t e n t o n t h e s t r e n g t h o f mo r t a r a n d c o n c r e t e J B u l l C h i n C e r a m S o c 2 0 1 2， 3 1 ( 2 )： 3 2 2 周万良， 方坤河 矿渣掺量对胶砂和混凝土强度的影响 J 硅酸盐通报 ， 2 0 1 2 ， 3 1 ( 2 ) ： 3 2 2 5 Li u Re n g g u a n g， Ya n Pe i y u H y d r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f s l a g i n c e me n t - s l a g c o mp l e x b i n d e r_ J J C h i n C e r a m S o c ， 2 0 1 2 ， 4 0 ( 8 ) ： l l 1 2 刘仍光 ， 阎培渝 水泥一 矿渣复合胶凝材料中矿渣的水化特征 J 硅酸盐学报， 2 0 1 2 ， 4 0 ( 8 ) ： 1 1 1 2 6 Ma Ba o g u o ， Li Xi a n g g u o ， Li a n g W e n q u a n， e t a 1 S t u d y o n s t r e n g t h s y n e r g i s t i c e f f e c t o f c o mp o s i t e P o r t l a n d c e me n t w i t h f l y a s h a n d s l a g L J C e me n t ， 2 0 0 4 ( 2 ) ： 1 马保国， 李相国， 梁文泉， 等 粉煤灰矿渣复合水泥强度协同 效应的研究 J 水泥， 2 0 0 4 ( 2 ) ： 1 7 Ta n Ke f e n g， Pu Xi n c h e n g S t r e n g t h e n i n g me c h a n i s m o f n l i n e r a l a d mi x t u r e s t o o n c r e t e J J S o u t b w e s t Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y ， 2 0 0 7， 2 2 ( 3 ) ： 6 谭克锋， 蒲新诚 矿物掺合料对混凝土增强机理的研究 J 西南科技大学学报 ， 2 0 0 7 ， 2 2 ( 3 ) ： 6 8 J i a n g S i c h e n，Li Xi a o l i ，Z h a n g P e n g y u a n Ex p e r i me n t a l r e s e a r c h o n me c h a n i c a l p r o p e r t y a n d c o n s t i t u t i v e r e l a t i o n o f h i g h - s t r e n g t h mi x e d a g g r e g a t e c o n c r e t e wi t h d i f f e r e n t c o n t e n t s o f f l y a s h E J B u l l C h i n C e r a m S o c ， 2 0 1 1 ， 3 0 ( 5 ) ： 9 9 0 蒋思晨， 李晓丽， 张鹏远 不同粉煤灰掺量高强混合骨料混 凝土力 学性 能及本构关 系试 验研 究 J 硅酸盐通报 ， 2 0 1 1 ， 3 0 ( 5 ) ： 9 9 0 9 L u o Xi n， Xu J i n y u， Z h a n g J u n ， e t a 1 S t u d y o n t h e t e mp e r a t u r e s t i mu l a t i n g c h a r a c t e r i s t i c s o f a l k a l i a c t i v a t e d s l a g f l y a s h c e me n t i t i o u s ma t e r i a l s y s t e m E J B u l l C h i n C e r a m S o c ， 2 0 1 1 ， 3 0 ( 3 ) ： 7 2 9 罗鑫， 许金余， 张俊 ， 等 碱矿渣粉煤灰胶凝体系的温度激发 特性研究 J 硅酸盐通报 ， 2 0 1 1 ， 3 0 ( 3 ) ： 7 2 9 1 0 Es c a l a n t e - Ga r c i a J I ，S h a r p J H Th e mi c r o s t r u c t u r e a n d r i l e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f b l e n d e d c e me n t s h y d r a t e d a t v a r i o u s t e mp e r a t u r e s J C e m C o n c r Re s ， 2 0 0 1 ， 3 1 ( 5 ) ： 6 9 5 1 1 Pa u l M ，Gl a s s e r F P I mp a c t o f p r o l o n g e d wa r m mo i s t c u r e o n P o r t l a n d c e me n t p a s t e E J C e m C o n c r R e s ， 2 0 0 0 3 0 ( 】 2 ) ： 1 8 6 9 ( 责任编辑王朝蓉)