粉煤灰混凝土车站地铁论文

1试验

1.1混凝土配合比和实验方案为了研究高掺量粉煤灰对福州地铁地下车站混凝土结构工程质量的影响。采用不同掺量的粉煤灰，研究其对混凝土力学性能和耐久性能的影响，基准混凝土配合比如F0表示，以F1、F2、F3、F4、F5分别代表掺入15%、25%、30%、35%、45%粉煤灰的混凝土。混凝土的水胶比固定为0.41，通过调整减水剂的用量和砂率，使混凝土坍落度均控制在160～180mm范围，混凝土配比和新拌混凝土性能测试结果如表2所示。

1.2试验方法根据试验原材料的检测分析结果，参照JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》确定试验配合比；新拌混凝土工作性能测试按GB50080-2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行；混凝土抗压强度测定试件尺寸为100mm×100mm×100mm，硬化混凝土力学性能测试按GB50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行，试件尺寸为100mm×100mm×100mm；混凝土抗氯离子渗透性能、早期抗裂性能以及抗碳化性能测定按GB50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行。

2结果与分析

2.1混凝土力学性能从图1可看出，在相同水胶比条件下，单掺粉煤灰混凝土3d、7d、28d、60d龄期的抗压强度随粉煤灰掺量的增加而减小，均不同程度地小于未掺粉煤灰的基准混凝土强度。结合表2粉煤灰混凝土的抗压强度测试结果也可发现：在标养条件下，掺粉煤灰混凝土7d之前的早期强度增长较为缓慢，7d之后的后期强度增长较快。混凝土3~7d抗压强度的增长率随粉煤灰掺量的增加而减小，混凝土7~28d、28~60d抗压强度的增长率随粉煤灰掺量的增加呈先增大后减小的趋势。基准混凝土（F0）抗压强度3~7d的增长率为47.2%、7~28d的增长率为33.3%、28~60d的增长率为6.8%；当粉煤灰掺量增加到30%时，混凝土抗压强度3~7d的增长率逐渐下降为38.1%、7~28d的增长率上升为59.9%、28~60d的增长率上升为20.9%；当粉煤灰掺量增加至45%时，混凝土抗压强度3~7d的增长率仅为32.5%、7~28d的增长率又下降至55%、28d至60d的增长率也下降至17.9%。这说明该单掺粉煤灰的掺量与混凝土力学性能之间存在一个最佳掺量范围，与基准混凝土相比粉煤灰掺量为15%～30%时，混凝土60d龄期抗压强度下降甚微。其主要原因在于，在相同水胶比条件下，粉煤灰等量取代水泥后，7d之前混凝土中的水泥水化产物相应减少，早期强度增长较为缓慢。与未掺粉煤灰的基准混凝土相比，在地铁地下车站工程中湿度条件较为良好情况下，能够保证粉煤灰中的活性矿物成分与水泥水化生成产物Ca(OH)2反应的水分需要，进一步生成水化铝酸钙和水化硅酸钙等，从而不断填充混凝土孔隙，使混凝土7d之后的强度逐渐提高。因此在地下工程高掺量粉煤灰混凝土结构中宜采用较长的设计龄期(宜为60d以上)，从而更能真实体现混凝土结构的力学性能。

2.2混凝土抗氯离子渗透性能从图2可看出，在相同水胶比和粉煤灰等量取代水泥条件下，随着粉煤灰掺量的增加混凝土氯离子扩散系数、56d电通量呈逐渐减小的趋势，混凝土的抗氯离子渗透性能有所增强。当单掺粉煤灰掺量从0%增加至25%，混凝土氯离子扩散系数、56d电通量呈迅速减小趋势，混凝土抗氯离子渗透性能增长较为明显；当单掺粉煤灰掺量从25%增加至45%，混凝土氯离子扩散系数、56d电通量减小趋势趋于缓慢，混凝土抗氯离子渗透性能增长缓慢。大量的研究表明适量粉煤灰的掺入能有效提高混凝土的抗氯离子渗透性能[2]，其原因在于粉煤灰颗粒呈玻璃体球状，内比表面积较小，吸附自由水能力相对较低，在56d龄期时混凝土因失去自由水留下的孔隙率也相对较低。同时，粉煤灰具有良好的微集料效应和火山灰效应，等量取代水泥后可以进一步提高密实性。随粉煤灰掺量的增加，早龄期时由于密实填充作用混凝土的总孔隙率有所降低，但由于水化产物相对较少，混凝土大孔的孔隙率将有所增加。随着混凝土龄期的延长，粉煤灰和水泥水化产物的二次水化作用，能有效降低水泥石中大孔的孔隙率，从而改善混凝土的孔隙结构[6]，提高混凝土的抗氯离子渗透性能。

2.3混凝土早期抗裂性能从图3可以看出，随粉煤灰掺量从0%增加至45%，混凝土单位面积的总开裂面积呈逐渐减小的趋势，混凝土的初始裂纹出现时间呈逐渐延长的趋势，混凝土早期抗裂性能有所提高。当粉煤灰掺量从0%增加至25%，混凝土单位面积的总开裂面积减小速率较为明显，混凝土的早期开裂现象明显下降；当粉煤灰掺量从25%增加至45%，混凝土单位面积的总开裂面积减小呈逐渐下降趋势并趋于平缓。由此可看出，适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应中，随粉煤灰掺量的增加，混凝土中胶凝材料水化放热量相对减少，出现水化放热滞后现象[7]，当粉煤灰的掺量增加至25%～35%区间，粉煤灰混凝土的水化热降低效应更为明显，同时部分未水化的的粉煤灰玻璃体易均匀分布在水泥石孔隙中起到约束作用，进一步降低了混凝土的早期收缩开裂现象的出现。粉煤灰混凝土的早期开裂时间出现延迟现象主要是由于在粉煤灰混凝土中粉煤灰颗粒易吸附在水泥颗粒表面、化学性能稳定，在水化初期不参与水化反应，而在后期随水化产物Ca(OH)2浓度的增大，粉煤灰颗粒逐渐与水化产物进行二次水化反应，生成水化硅酸钙凝胶等，但此二次水化反应较为缓慢，从而在一定程度上延缓了粉煤灰混凝土中水化产物的生成，粉煤灰混凝土的早期开裂也相应出现延迟现象。

2.4混凝土抗碳化性能从图4可看出，在胶凝材料总量不变的情况下，粉煤灰等量取代水泥时混凝土3d、7d、14d、28d、56d龄期的碳化深度均随粉煤灰掺量的增加而增大，粉煤灰混凝土的抗碳化性能呈逐渐下降趋势。同时对比3~28d碳化深度值、28~56d碳化深度值可明显发现，28d龄期以前粉煤灰混凝土的碳化深度值增长速率较快，28d龄期以后混凝土碳化深度值增长速率较慢。除了环境温湿度、CO2浓度的影响外，掺粉煤灰混凝土的碳化速率主要取决于CO2与混凝土内部成分的反应、CO2的扩散速率以及粉煤灰的掺量等。粉煤灰等量取代水泥后，单位体积内混凝土的水泥含量减少，水泥水化生成的Ca(OH)2产物也相应地减少，从而降低了混凝土孔隙的液相碱度，导致混凝土表层吸收CO2的能力较低，加快了CO2气体向混凝土内部扩散的速率，混凝土碳化深度值逐渐增加，随粉煤灰掺量的增加这种碳化现象尤为明显。同时随着粉煤灰混凝土龄期的增长，粉煤灰的火山灰效应会在一定程度上改善混凝土的孔隙结构，阻碍了CO2气体扩散的速率，粉煤灰混凝土28d龄期以后的抗碳化性能较好。通常情况下，混凝土结构工程都会允许存在一定的碳化深度，但该碳化深度值必须要满足设计年限、混凝土耐久性设计要求，由此可看出针对碳化深度要求，混凝土中的粉煤灰掺量也存在一个限量要求。

3工程应用

高掺量粉煤灰高性能混凝土配制技术迄今已在福州地铁1号线地铁地下车站工程中得到了成功应用[8]，其粉煤灰掺量的确定应综合考虑混凝土力学性能以及耐久性能的设计要求。针对地铁地下车站钢筋混凝土结构专项工程应用以及耐久性设计说明要求，同时在相关国家及地方标准要求的基础上适量提高了粉煤灰的掺量，最终结合混凝土性能检测结果，确定单掺粉煤灰掺量为胶凝材料质量的30%。配制出的高掺量粉煤灰混凝土具有良好的和易性、28d抗压强度达46.2MPa、混凝土中56d龄期氯离子扩散系数为3.5×10-12m2/s、56d龄期电通量为1250.5C、早期抗裂等级达到I级、混凝土快速碳化56d深度值为9.4mm，符合福州地铁1号线地铁地下车站混凝土结构耐久性设计要求，在地下车站工程应用中取得了良好的技术经济效益。

4结论

（1）随粉煤灰掺量的增加，混凝土3d、7d、28d、60d龄期的抗压强度逐渐减小，掺粉煤灰混凝土早期强度增长较为缓慢，后期强度增长贡献较为显著，地下工程高掺量粉煤灰混凝土结构宜采用较长的设计龄期。（2）随着粉煤灰掺量从0%增加至45%，混凝土抗氯离子渗透性能呈逐渐增强的趋势。当粉煤灰掺量从0%增加至25%，混凝土抗氯离子渗透性能增长较为明显；但当粉煤灰掺量从25%增加至45%，混凝土抗氯离子渗透性能增长趋于缓慢。（3）适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，随粉煤灰掺量从0%增加至45%，掺粉煤灰混凝土单位面积的总开裂面积呈逐渐减小的趋势，混凝土的初始裂纹出现时间呈逐渐延长的趋势，当粉煤灰掺量从25%增加至45%，混凝土早期抗裂性能增强趋于平缓。（4）在粉煤灰等量取代水泥情况下，混凝土碳化深度值随粉煤灰掺量的增加而增大，粉煤灰混凝土的抗碳化性能呈逐渐下降趋势。粉煤灰混凝土早期碳化深度值增长速率较快，28d龄期以后碳化深度值增长速率较慢。（5）综合考虑粉煤灰掺量对混凝土力学性能、耐久性能的影响，针对福州地铁地下车站钢筋混凝土结构工程，根据地下车站耐久性设计要求，在配制单掺粉煤灰混凝土时，宜选用25%～30%的高掺量粉煤灰等量取代水泥配制地下工程高性能混凝土。

作者：施伯超单位：福州市地铁建设工程质量安全监督站