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1試驗

1.1混凝土配合比和實驗方案為了研究高摻量粉煤灰對福州地鐵地下車站混凝土結構工程質量的影響。采用不同摻量的粉煤灰，研究其對混凝土力學性能和耐久性能的影響，基準混凝土配合比如F0表示，以F1、F2、F3、F4、F5分別代表摻入15%、25%、30%、35%、45%粉煤灰的混凝土。混凝土的水膠比固定為0.41，通過調整減水劑的用量和砂率，使混凝土坍落度均控制在160～180mm范圍，混凝土配比和新拌混凝土性能測試結果如表2所示。

1.2試驗方法根據試驗原材料的檢測分析結果，參照JGJ55-2011《普通混凝土配合比設計規程》確定試驗配合比；新拌混凝土工作性能測試按GB50080-2002《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》進行；混凝土抗壓強度測定試件尺寸為100mm×100mm×100mm，硬化混凝土力學性能測試按GB50081-2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行，試件尺寸為100mm×100mm×100mm；混凝土抗氯離子滲透性能、早期抗裂性能以及抗碳化性能測定按GB50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》進行。

2結果與分析

2.1混凝土力學性能從圖1可看出，在相同水膠比條件下，單摻粉煤灰混凝土3d、7d、28d、60d齡期的抗壓強度隨粉煤灰摻量的增加而減小，均不同程度地小于未摻粉煤灰的基準混凝土強度。結合表2粉煤灰混凝土的抗壓強度測試結果也可發現：在標養條件下，摻粉煤灰混凝土7d之前的早期強度增長較為緩慢，7d之后的后期強度增長較快。混凝土3~7d抗壓強度的增長率隨粉煤灰摻量的增加而減小，混凝土7~28d、28~60d抗壓強度的增長率隨粉煤灰摻量的增加呈先增大后減小的趨勢。基準混凝土（F0）抗壓強度3~7d的增長率為47.2%、7~28d的增長率為33.3%、28~60d的增長率為6.8%；當粉煤灰摻量增加到30%時，混凝土抗壓強度3~7d的增長率逐漸下降為38.1%、7~28d的增長率上升為59.9%、28~60d的增長率上升為20.9%；當粉煤灰摻量增加至45%時，混凝土抗壓強度3~7d的增長率僅為32.5%、7~28d的增長率又下降至55%、28d至60d的增長率也下降至17.9%。這說明該單摻粉煤灰的摻量與混凝土力學性能之間存在一個最佳摻量范圍，與基準混凝土相比粉煤灰摻量為15%～30%時，混凝土60d齡期抗壓強度下降甚微。其主要原因在于，在相同水膠比條件下，粉煤灰等量取代水泥后，7d之前混凝土中的水泥水化產物相應減少，早期強度增長較為緩慢。與未摻粉煤灰的基準混凝土相比，在地鐵地下車站工程中濕度條件較為良好情況下，能夠保證粉煤灰中的活性礦物成分與水泥水化生成產物Ca(OH)2反應的水分需要，進一步生成水化鋁酸鈣和水化硅酸鈣等，從而不斷填充混凝土孔隙，使混凝土7d之后的強度逐漸提高。因此在地下工程高摻量粉煤灰混凝土結構中宜采用較長的設計齡期(宜為60d以上)，從而更能真實體現混凝土結構的力學性能。

2.2混凝土抗氯離子滲透性能從圖2可看出，在相同水膠比和粉煤灰等量取代水泥條件下，隨著粉煤灰摻量的增加混凝土氯離子擴散系數、56d電通量呈逐漸減小的趨勢，混凝土的抗氯離子滲透性能有所增強。當單摻粉煤灰摻量從0%增加至25%，混凝土氯離子擴散系數、56d電通量呈迅速減小趨勢，混凝土抗氯離子滲透性能增長較為明顯；當單摻粉煤灰摻量從25%增加至45%，混凝土氯離子擴散系數、56d電通量減小趨勢趨于緩慢，混凝土抗氯離子滲透性能增長緩慢。大量的研究表明適量粉煤灰的摻入能有效提高混凝土的抗氯離子滲透性能[2]，其原因在于粉煤灰顆粒呈玻璃體球狀，內比表面積較小，吸附自由水能力相對較低，在56d齡期時混凝土因失去自由水留下的孔隙率也相對較低。同時，粉煤灰具有良好的微集料效應和火山灰效應，等量取代水泥后可以進一步提高密實性。隨粉煤灰摻量的增加，早齡期時由于密實填充作用混凝土的總孔隙率有所降低，但由于水化產物相對較少，混凝土大孔的孔隙率將有所增加。隨著混凝土齡期的延長，粉煤灰和水泥水化產物的二次水化作用，能有效降低水泥石中大孔的孔隙率，從而改善混凝土的孔隙結構[6]，提高混凝土的抗氯離子滲透性能。

2.3混凝土早期抗裂性能從圖3可以看出，隨粉煤灰摻量從0%增加至45%，混凝土單位面積的總開裂面積呈逐漸減小的趨勢，混凝土的初始裂紋出現時間呈逐漸延長的趨勢，混凝土早期抗裂性能有所提高。當粉煤灰摻量從0%增加至25%，混凝土單位面積的總開裂面積減小速率較為明顯，混凝土的早期開裂現象明顯下降；當粉煤灰摻量從25%增加至45%，混凝土單位面積的總開裂面積減小呈逐漸下降趨勢并趨于平緩。由此可看出，適量粉煤灰等量取代水泥可有效改善混凝土的早期抗裂性能。粉煤灰等量取代水泥能有效改善混凝土的早期抗裂性能的原因在于早期的水泥水化反應中，隨粉煤灰摻量的增加，混凝土中膠凝材料水化放熱量相對減少，出現水化放熱滯后現象[7]，當粉煤灰的摻量增加至25%～35%區間，粉煤灰混凝土的水化熱降低效應更為明顯，同時部分未水化的的粉煤灰玻璃體易均勻分布在水泥石孔隙中起到約束作用，進一步降低了混凝土的早期收縮開裂現象的出現。粉煤灰混凝土的早期開裂時間出現延遲現象主要是由于在粉煤灰混凝土中粉煤灰顆粒易吸附在水泥顆粒表面、化學性能穩定，在水化初期不參與水化反應，而在后期隨水化產物Ca(OH)2濃度的增大，粉煤灰顆粒逐漸與水化產物進行二次水化反應，生成水化硅酸鈣凝膠等，但此二次水化反應較為緩慢，從而在一定程度上延緩了粉煤灰混凝土中水化產物的生成，粉煤灰混凝土的早期開裂也相應出現延遲現象。

2.4混凝土抗碳化性能從圖4可看出，在膠凝材料總量不變的情況下，粉煤灰等量取代水泥時混凝土3d、7d、14d、28d、56d齡期的碳化深度均隨粉煤灰摻量的增加而增大，粉煤灰混凝土的抗碳化性能呈逐漸下降趨勢。同時對比3~28d碳化深度值、28~56d碳化深度值可明顯發現，28d齡期以前粉煤灰混凝土的碳化深度值增長速率較快，28d齡期以后混凝土碳化深度值增長速率較慢。除了環境溫濕度、CO2濃度的影響外，摻粉煤灰混凝土的碳化速率主要取決于CO2與混凝土內部成分的反應、CO2的擴散速率以及粉煤灰的摻量等。粉煤灰等量取代水泥后，單位體積內混凝土的水泥含量減少，水泥水化生成的Ca(OH)2產物也相應地減少，從而降低了混凝土孔隙的液相堿度，導致混凝土表層吸收CO2的能力較低，加快了CO2氣體向混凝土內部擴散的速率，混凝土碳化深度值逐漸增加，隨粉煤灰摻量的增加這種碳化現象尤為明顯。同時隨著粉煤灰混凝土齡期的增長，粉煤灰的火山灰效應會在一定程度上改善混凝土的孔隙結構，阻礙了CO2氣體擴散的速率，粉煤灰混凝土28d齡期以后的抗碳化性能較好。通常情況下，混凝土結構工程都會允許存在一定的碳化深度，但該碳化深度值必須要滿足設計年限、混凝土耐久性設計要求，由此可看出針對碳化深度要求，混凝土中的粉煤灰摻量也存在一個限量要求。

3工程應用

高摻量粉煤灰高性能混凝土配制技術迄今已在福州地鐵1號線地鐵地下車站工程中得到了成功應用[8]，其粉煤灰摻量的確定應綜合考慮混凝土力學性能以及耐久性能的設計要求。針對地鐵地下車站鋼筋混凝土結構專項工程應用以及耐久性設計說明要求，同時在相關國家及地方標準要求的基礎上適量提高了粉煤灰的摻量，最終結合混凝土性能檢測結果，確定單摻粉煤灰摻量為膠凝材料質量的30%。配制出的高摻量粉煤灰混凝土具有良好的和易性、28d抗壓強度達46.2MPa、混凝土中56d齡期氯離子擴散系數為3.5×10-12m2/s、56d齡期電通量為1250.5C、早期抗裂等級達到I級、混凝土快速碳化56d深度值為9.4mm，符合福州地鐵1號線地鐵地下車站混凝土結構耐久性設計要求，在地下車站工程應用中取得了良好的技術經濟效益。

4結論

（1）隨粉煤灰摻量的增加，混凝土3d、7d、28d、60d齡期的抗壓強度逐漸減小，摻粉煤灰混凝土早期強度增長較為緩慢，后期強度增長貢獻較為顯著，地下工程高摻量粉煤灰混凝土結構宜采用較長的設計齡期。（2）隨著粉煤灰摻量從0%增加至45%，混凝土抗氯離子滲透性能呈逐漸增強的趨勢。當粉煤灰摻量從0%增加至25%，混凝土抗氯離子滲透性能增長較為明顯；但當粉煤灰摻量從25%增加至45%，混凝土抗氯離子滲透性能增長趨于緩慢。（3）適量粉煤灰等量取代水泥可有效改善混凝土的早期抗裂性能，隨粉煤灰摻量從0%增加至45%，摻粉煤灰混凝土單位面積的總開裂面積呈逐漸減小的趨勢，混凝土的初始裂紋出現時間呈逐漸延長的趨勢，當粉煤灰摻量從25%增加至45%，混凝土早期抗裂性能增強趨于平緩。（4）在粉煤灰等量取代水泥情況下，混凝土碳化深度值隨粉煤灰摻量的增加而增大，粉煤灰混凝土的抗碳化性能呈逐漸下降趨勢。粉煤灰混凝土早期碳化深度值增長速率較快，28d齡期以后碳化深度值增長速率較慢。（5）綜合考慮粉煤灰摻量對混凝土力學性能、耐久性能的影響，針對福州地鐵地下車站鋼筋混凝土結構工程，根據地下車站耐久性設計要求，在配制單摻粉煤灰混凝土時，宜選用25%～30%的高摻量粉煤灰等量取代水泥配制地下工程高性能混凝土。

作者：施伯超單位：福州市地鐵建設工程質量安全監督站