摻粉煤灰與天然火山灰碾壓混凝土性能對比試驗

畢亞麗，彭乃中，冀培民，張 勇

(中國水電顧問集團西北勘測設計研究院，西安 710043)

我國有12個省擁有火山灰資源，并且儲量豐富［1］，但由于不同地域火山灰成因各異，其化學成分、礦物組成和物理性能差別較大，對混凝土性能的改善效果也不盡相同，所以火山灰僅在火山灰含量豐富的地區(qū)有少量應用，利用水平低［2］。我國西南地區(qū)，眾多水利水電工程在建或即將建設，作為混凝土摻合料的粉煤灰資源相對緊缺，而云南大理附近有天然火山灰資源。本文通過摻火山灰與粉煤灰碾壓混凝土各項性能指標的對比試驗研究，為火山灰作為碾壓混凝土摻合料的選擇提供依據。

1 試驗原材料

水泥:云南麗江永保水泥股份有限公司生產的中熱42.5水泥，各項性能指標滿足《中熱硅酸鹽水泥GB200－2003》要求。

粉煤灰:昆明環(huán)恒Ⅱ級粉煤灰，各項指標滿足《用于水泥和混凝土中的粉煤灰GB/T 1596－2005》指標要求。

火山灰:云南大理附近某天然火山灰，其礦物組成經X衍射分析為斜長石、透輝石、鉀長石及非晶相，礦石構造特征有氣孔、杏仁狀或致密構造。將火山灰粉磨成比表面積為412 m2/kg的細粉后進行混凝土性能試驗。火山灰各項性能指標滿足《用于水泥和混凝土中火山灰混合材GB2847－2005》要求。

骨料:細骨料由正長巖加工而成，細度模數為2.68，石粉(0.16 mm以下顆粒)含量為18.6%，粗骨料由石英粉細砂巖破碎而成。

粉煤灰和火山灰的物理、化學性能測試結果見表1。可以看出:火山灰需水量較粉煤灰的大，堿含量較粉煤灰的高，抗壓強度較粉煤灰的低，這將會對混凝土的膠材用量及其它性能產生影響。

表1 粉煤灰、火山灰的物理化學性能測試結果Table 1 Test results of physical and chemical properties of fly ash and pozzolana

2 摻粉煤灰與天然火山灰碾壓混凝土性能對比

2.1 拌和物性能

碾壓混凝土拌和物性能主要從拌和物和易性、工作度(VC值)、含氣量以及凝結時間等指標進行考察。碾壓混凝土在單摻粉煤灰(以下簡稱“全F”)、單摻天然火山灰(以下簡稱“全H”)及粉煤灰和火山灰復合摻(以下簡稱“F+H”)時，拌和物性能對比見表2。

可以看出:3種摻合料碾壓混凝土拌和物和易性差別不大，但要達到相同的含氣量，摻火山灰混凝土引氣劑摻量需提高，這主要是火山灰的多孔顆粒結構，對氣泡有吸附作用。最明顯差別是混凝土的凝結時間，全H碾壓混凝土凝結時間較全F碾壓混凝土凝結時間急劇縮短，這和文獻［3］結論一致。該文認為，天然火山灰產生‘促凝’的原因并不是化學反應活性特別大而導致初期形成大量水化產物，而是其特殊的結構屬性(即熱力學不穩(wěn)定性)對初始結構形成起到重要作用，而天然火山灰的化學反應活性居次要地位。另外，天然火山灰的堿含量比粉煤灰的堿含量高很多，在火山灰的溶出、黏結及水泥水化的共同催促下，單摻火山灰混凝土體系很快到達初凝時間。

2.2 膠材用量

如表2所示，在3種摻合料碾壓混凝土的工作性一致的情況下，全H碾壓混凝土膠材用量較全F碾壓混凝土增加21% ～28%，F+H碾壓混凝土(F∶H=5∶5)膠材用量較全F碾壓混凝土增加9% ～13%。引起膠材用量較大差別的主要原因是:摻合料比表面積和顆粒形狀的影響［4］(見圖1)。粉煤灰是完美的球狀顆粒，粉煤灰玻璃微珠在新拌混凝土漿體中，使水泥顆粒“解絮”擴散，使混凝土減水，膠凝材料用量減少，粉煤灰的潤滑作用改善了混凝土的工作性［5］。而火山灰不規(guī)則的多孔結構，對水的吸附能力強，導致需水量的增加，從而使混凝土膠凝材料用量提高，火山灰保水的不穩(wěn)定對混凝土的性能產生負效應。

圖1 摻合料細觀形貌Fig.1 Micro-morphology of the mixture

2.3 力學性能

全F、全H及F+H碾壓混凝土力學性能對比見表3，強度對比見圖2，強度增長率對比見圖3，混凝土90 d拉伸斷面微觀形貌見圖4。

圖2 不同摻合料碾壓混凝土強度對比Fig.2 Strengths of RCC with different mixtures

圖3 不同摻合料碾壓混凝土強度增長率對比Fig.3 Growth rates of the strength of RCC with different mixtures

表2 不同摻合料碾壓混凝土拌和物性能及膠材用量Table 2 Properties of mix and cementitious material for the RCC with different mixtures

表3 不同摻合料碾壓混凝土力學性能Table 3 Mechanical properties of RCC with different mixtures

圖4 不同摻合料碾壓混凝土拉伸斷面細觀形貌Fig.4 Tensile fracture and micro-morphology of the RCC with different mixtures

可見:在早齡期，全F混凝土的強度要略低些，而后期，全F混凝土強度要高于F+H碾壓混凝土和全H碾壓混凝土;摻粉煤灰混凝土比摻火山灰的混凝土強度隨時間能獲得較好的發(fā)展，摻加粉煤灰混凝土強度后期效應較摻加火山灰混凝土高。分析原因可能是:在常溫水化初期，粉煤灰和火山灰這2種摻合料主要起物理填充作用，化學反應活性居次要地位;相對而言，具有多棱狀外形的火山灰顆粒由于其特殊的結構屬性對初始結構的作用，以及高堿含量加速了早期水化速度和水化程度，使得摻火山灰混凝土產生了較好的早期強度效應。在水化后期，粉煤灰的火山灰活性效應發(fā)揮作用，漿體結構逐步密實，強度逐步提高，而火山灰中活性物質——無定型或玻璃體物質以及沸石類化合物含量較少，在水泥水化反應基本結束后，漿體強度發(fā)展較為緩慢，隨著火山灰的摻量增大，后期的強度發(fā)展與摻粉煤灰混凝土差別越大［6］。另外，由于粉煤灰的形態(tài)效應、火山灰效應、微集料效應三重效應，使粉煤灰對混凝土強度的影響過程是隨齡期的增長從負效應逐漸向正效應轉變，后期強度顯著增加，其活性明顯優(yōu)于火山灰［7］。

從圖4可見:經過長齡期的水化后，全F混凝土(圖4(a))表面覆蓋一層較為致密的水化產物層，而全H混凝土(圖4(c))在膠凝材料內部也形成了水化產物，但結構顯得較為疏松。

2.4 干縮變形性能

全F、全H及F+H碾壓混凝土干縮變形試驗結果見表4。從試驗結果可以看出:不同摻合料碾壓混凝土干縮變形值差別不大;相對而言，全F碾壓混凝土干縮變形最小，F+H碾壓混凝土干縮值較大，全H碾壓混凝土干縮值最大。這是因為:與含有大量致密球形玻璃體顆粒的粉煤灰不同，表面粗糙、多孔的天然火山灰具有很大的比表面積，對水的吸附能力大，所配制的混凝土用水量大，過多的水不僅使混凝土的性能受到影響，而且未水化的吸附水會逐漸蒸發(fā)，造成水化面的收縮，所配制的混凝土干縮性將較大［8］。

表4 不同摻合料碾壓混凝土干縮變形試驗結果Table 4 Test results of shrinkage deformation of RCC with different mixtures

2.5 耐久性能

全F、全H及F+H碾壓混凝土抗凍性能試驗結果見表5。可以看出:由于在試驗過程中控制不同摻合料碾壓混凝土含氣量相同，全F、全H和F+H碾壓混凝土的抗凍性能無明顯差別。

2.6 絕熱溫升值

全F、全H及F+H碾壓混凝土(水膠比0.63，摻合料摻量65%)絕熱溫升試驗結果見表6及圖5。可以看出:全F碾壓混凝土絕熱溫升值最小，復合摻碾壓混凝土絕熱溫升值較大，全H碾壓混凝土絕熱溫升值最大。F+H碾壓混凝土28 d絕熱溫升值比全F碾壓混凝土提高16%，全H碾壓混凝土28 d絕熱溫升值比全F碾壓混凝土提高31%。也就是說，全H混凝土膠材用量的增加，使得混凝土的絕熱溫升值有較大提高。

表5 不同摻合料碾壓混凝土抗凍性能試驗結果Table 5 Test results of freezing and thawing of the RCC with different mixtures

表6 不同摻合料碾壓混凝土絕熱溫升試驗結果Table 6 Test results of the adiabatic temperature rise of RCC with different mixtures

圖5 不同摻合料碾壓混凝土絕熱溫升圖Fig.5 Curves of the adiabatic temperature rise of RCC with different mixtures

3 結論

通過以上的試驗研究可知:

(1)當水膠比、減水劑摻量一致時，全H混凝土膠材用量較全F混凝土增加21% ～28%;F+H混凝土膠材用量較全F混凝土增加9%～13%。

(2)全F、全H及F+H碾壓混凝土拌和物和易性差別不大，但要達到相同的含氣量摻火山灰混凝土引氣劑摻量需提高，全H碾壓混凝土凝結時間較全F碾壓混凝土急劇縮短。

(3)全F碾壓混凝土后期強度效應要明顯高于F+H和全H混凝土。

(4)全F、全H及F+H碾壓混凝土干縮變形值差別不大;相對而言，全F碾壓混凝土干縮變形最小，F+H碾壓混凝土干縮值較大，全H碾壓混凝土干縮值最大。

(5)控制全F、全H和F+H碾壓混凝土含氣量相同時，其抗凍性能無明顯差別。

(6)火山灰的摻入使得碾壓混凝土膠材用量增加，絕熱溫升值提高。水膠比相同時，F+H碾壓混凝土28d絕熱溫升值比全F碾壓混凝土提高16%，全H碾壓混凝土28 d絕熱溫升值較全F碾壓混凝土提高31%。

總的來說，當控制不同摻合料碾壓混凝土水膠比和減水劑摻量相同時，摻火山灰碾壓混凝土較摻粉煤灰碾壓混凝土膠材用量增加，凝結時間急劇縮短，后期強度活性效應較低，干縮變形值、絕熱溫升值增大。

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