流紋巖微粉對梁體混凝土性能的影響研究

王浩 譚鹽賓 張國然 葛昕 鄭永杰 許大海 楊魯

1.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中鐵十七局集團第三工程有限公司，石家莊 050227

隨著高速鐵路、水電工程、工民建等的快速發展，對廣泛應用于混凝土的粉煤灰需求量增加［1］，我國多地出現粉煤灰緊缺局面，亟待開發替代材料。在我國西南地區，特別是在云南、四川兩省和西藏自治區，由于水力資源豐富，電力供應主要以水力發電為主，火力發電廠極少，粉煤灰極度緊缺，外運粉煤灰價格居高不下且質量難以保證；西南地區地處歐亞板塊地震活躍帶，古火山分布多，具有豐富的天然火山灰和火成巖資源［2-3］。與粉煤灰相似，火成巖的化學成分以SiO2、Al2O3、Fe2O3等為主，將其磨細加工至一定細度后具有較好的潛在水化活性，能有效改善混凝土拌和物性能并提高耐久性能，可作為混凝土用礦物摻和料［4-8］。目前火山灰質材料在水利工程和公路工程中有一定規模應用，鐵路工程中初步應用于我國承建的肯尼亞蒙內鐵路［9-10］。流紋巖微粉在鐵路工程預應力結構中應用甚少。本試驗選取粉煤灰和流紋巖微粉兩種礦物摻和料，對比其對梁體混凝土性能的影響，探討用流紋巖微粉替代粉煤灰的可行性。

1 原材料與混凝土配合比

1.1 原材料

水泥為北京金隅北水環保科技有限公司P·O 42.5級水泥；粉煤灰（Fly Ash，FA）為天津國華盤山發電有限責任公司F類Ⅰ級粉煤灰；流紋巖微粉（Micropowder of Rhyolite，MR）由甘肅立之林建材有限公司生產，其性能指標檢測結果見表1。礦粉為三河天龍新型建材有限公司S95 級礦粉；砂為曲陽縣達銘建材有限公司提供的中砂，細度模數2.5；碎石為淶水縣順合建材有限公司生產的5 ～20 mm 級配碎石；外加劑為北京市成城交大建材有限公司生產的減水劑和引氣劑。

表1 流紋巖微粉性能指標檢測結果

1.2 混凝土配合比

混凝土強度等級為C55，具體配合比見表2。其中：FA-30 表示粉煤灰質量摻量為30 kg/m3，其他以此類推。混凝土入模坍落度為200 ～220 mm，含氣量2%～4%。

表2 混凝土配合比 kg·m-3

2 試驗方案

2.1 試驗地點

工程現場試驗位于北京東郊試車線Ⅰ線大橋13#—14#墩處，于2020年4月1日至4月14日在梁體混凝土時摻加了流紋巖微粉。T梁采用高性能聚氨酯防水層、2 000 MPa級高強度預應力體系。

2.2 混凝土性能試驗方法標準

混凝土工作性能按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》測試混凝土坍落度和含氣量；混凝土力學性能按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》測試抗壓強度、抗折強度和彈性模量；耐久性能和體積穩定性按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》測試混凝土電通量、抗凍性、收縮以及徐變。

2.3 T梁混凝土溫升及應變測試

分別測試T梁跨中截面、單側梁端截面的頂板、腹板和下翼緣馬蹄處混凝土內部溫升和應變。其中跨中截面埋設8 個溫度和應變測點，單側梁端截面埋設5個溫度測點，見圖1。

圖1 T梁混凝土內溫度和應變測點布置

3 試驗結果分析

3.1 流紋巖微粉對新拌混凝土工作性能的影響

摻加不同礦物摻和料新拌混凝土工作性能測試結果見表3。可知：兩種礦物摻和料摻量相同時，混凝土對外加劑的需求量基本相同，其中摻加流紋巖微粉混凝土減水劑摻量略高，而引氣劑摻量略低；流紋巖微粉摻量增加時，須提高減水劑用量才能使混凝土工作性能滿足要求。這是因為流紋巖微粉呈不規則粗糙結構［11］，摻入混凝土后需水量增加，若保持混凝土坍落度不變，需增加減水劑的摻量。

表3 新拌混凝土工作性能測試結果

3.2 流紋巖微粉對硬化混凝土性能的影響

1）力學性能

摻加不同礦物摻和料混凝土的抗壓強度、抗折強度以及彈性模量隨齡期變化情況見圖2 和表4。由圖2 和表4 可知：摻加不同礦物摻和料混凝土力學性能均滿足設計要求。摻量相同時，摻加流紋巖微粉混凝土各齡期力學性能均高于摻加粉煤灰混凝土，且硬化混凝土的力學性能隨流紋巖微粉摻量增加而提高。

圖2 摻加不同礦物摻和料混凝土抗壓強度隨齡期變化曲線

表4 摻加不同礦物摻和料混凝土抗折強度和彈性模量對比

2）耐久性能

摻加不同礦物摻和料混凝土的電通量和抗凍性能對比見圖3。可知：①隨著齡期增加，混凝土電通量顯著降低；粉煤灰和流紋巖微粉摻量相同時混凝土電通量相差不大，90 d時摻加粉煤灰混凝土電通量略高；混凝土電通量隨流紋巖微粉摻量增加而降低。②隨著凍融循環次數增加，摻加不同礦物摻和料混凝土相對動彈性模量均大于93%，凍融循環275 次時三種混凝土相對動彈性模量相差不大，超過275 次后摻加粉煤灰混凝土相對動彈性模量逐漸小于摻加流紋巖微粉混凝土，說明摻加流紋巖微粉混凝土抗凍性能優于摻加粉煤灰混凝土。

圖3 摻加不同礦物摻和料混凝土電通量和抗凍性能對比

3）體積穩定性

摻加不同礦物摻和料混凝土收縮率與徐變度隨齡期變化曲線見圖4。可知：①隨著齡期增加，三種混凝土的收縮率均呈逐漸增加趨勢，相同摻量時摻加粉煤灰混凝土收縮率大于摻加流紋巖微粉混凝土。120 d前流紋巖微粉摻量6%（30 kg/m3）的混凝土收縮率明顯大于摻量12%（60 kg/m3）的混凝土，150 d 時兩者相差不大。②流紋巖微粉摻量12%的混凝土徐變度總體上大于摻加粉煤灰混凝土，28 ～45 d時前者徐變度顯著增加，而后增幅漸緩。相同摻量（6%）時摻加流紋巖微粉混凝土徐變度與摻加粉煤灰混凝土相差不大，60 d 前摻加粉煤灰混凝土徐變度稍大，之后摻加流紋巖微粉混凝土稍大。

圖4 摻加不同礦物摻和料混凝土收縮率與徐變度隨齡期變化曲線

3.3 T梁混凝土溫升和應變

不同礦物摻和料混凝土溫度和應變時程曲線見圖5。其中，圖5（a）為梁端截面4#測點溫度隨時間變化曲線，圖 5（b）為跨中截面 6#、7#、8#測點應變均值隨時間變化曲線，試驗從完成混凝土澆筑后開始測試。可知：①梁端截面14 h 時摻加流紋巖微粉混凝土內部溫度達到峰值52.75 ℃，混凝土澆筑時入模溫度為22.50 ℃，混凝土溫升為30.25 ℃；18 h 時摻加粉煤灰混凝土內部溫度達到峰值43.00 ℃，混凝土入模溫度為13.50 ℃，混凝土溫升為29.50 ℃。可見，摻加流紋巖微粉混凝土內部溫度達到峰值的時間比摻加粉煤灰混凝土提前4 h，而兩者溫升相差不大。②兩種混凝土的拉應變均隨著測試時間延長而逐漸增加。測試時間為10.5 d 時，摻加流紋巖微粉混凝土應變為53.30×10-6，摻加粉煤灰混凝土應變為127.38×10-6，前者明顯小于后者；測試時間為90 d 時兩種混凝土應變相差不大，摻加流紋巖微粉混凝土的應變略大于摻加粉煤灰混凝土。

圖5 摻加不同礦物摻和料混凝土溫度和應變時程曲線

4 結論

1）摻量相同時，兩種礦物摻和料混凝土對外加劑的需求量基本相同，減水劑的摻量隨流紋巖微粉摻量增大而增加。

2）摻量相同時，摻加流紋巖微粉混凝土的力學性能和耐久性能均較摻加粉煤灰混凝土有所提高，且隨著流紋巖微粉摻量增加，混凝土更密實，力學性能和耐久性能進一步提高。

3）摻量相同時摻加粉煤灰的混凝土收縮率大于摻加流紋巖微粉混凝土。120 d 前流紋巖微粉摻量12%的混凝土收縮率明顯小于摻量6%的混凝土，150 d 時兩者收縮率相差不大。流紋巖微粉摻量12%的混凝土徐變度總體上大于摻加粉煤灰混凝土，28 ～45 d 時前者徐變度顯著增加，而后增幅漸緩。兩種礦物摻和料摻量相同時混凝土徐變度相差不大，60 d 前摻加粉煤灰混凝土徐變度稍大，之后摻加流紋巖微粉混凝土徐變度稍大。

4）摻加流紋巖微粉混凝土內部溫度達到峰值的時間比摻加粉煤灰混凝土提前4 h，而兩者溫升相差不大。10.5 d時摻加流紋巖微粉混凝土應變明顯小于摻加粉煤灰混凝土，90 d 時摻加流紋巖微粉混凝土的應變略大于摻加粉煤灰混凝土。

綜上，相同摻量時，摻加流紋巖微粉混凝土的拌和物性能、力學性能和耐久性能基本與摻加粉煤灰混凝土相當，可替代粉煤灰應用于T梁。