川藏地區不同摻合料對混凝土性能影響的研究

李 鳳 玉

(中國水利水電第七工程局有限公司 試驗檢測研究院，四川 成都 611730)

1 概 述

川藏地區現有大量在建的水電、公路與鐵路工程，混凝土用量大，但該地區粉煤灰資源緊缺，從外地采購運距遠、價格高；同時，川藏公路運輸繁忙、時有中斷，嚴重影響到粉煤灰的供應保障，存在諸多問題。根據相關調研：該地區分布著豐富的磷渣粉、火山灰和硅灰等摻合料資源，總產能>100萬t/a，若能將其廣泛應用到工程中，將有效緩解粉煤灰短缺的問題。具體分析于后：

(1)磷渣粉是生產黃磷的附加產品，具有較高的活性。長科院與中電建中南院的相關研究表明：摻磷渣粉混凝土的力學性能和耐久性與同摻量粉煤灰混凝土相當，但其極限拉伸強度和拉伸值更高，早期水化溫升更低，更有利于混凝土抗裂[1，2]。目前，磷渣粉已在大朝山水電站、索風營水電站、貴清高速和雅康高速等多個水電、公路工程中得到應用。

(2)火山灰是一種SiO2含量>50%且含有少量玻璃體的天然摻合料。蘇洼龍水電站前期建設中使用了大量火山灰，實際應用結果表明：摻火山灰混凝土的力學性能與同摻量粉煤灰混凝土相當，但干縮率較大[3]。葉巴灘水電站可替代粉煤灰摻合料相關研究結果表明：<40%摻量下摻火山灰和粉煤灰混凝土的強度、耐久性相當，但摻火山灰的混凝土干縮率更高，而摻磷渣粉混凝土的強度優于摻粉煤灰和火山灰的混凝土[4]。

(3)摻加適量的硅灰可以提高混凝土的力學性能[5]。目前水電、鐵路、公路工程已普遍采用硅灰以提升混凝土的強度和耐久性。

磷渣粉與火山灰在水電行業中的應用較多，而硅灰在公路、鐵路、港口等市政行業的應用更多。為拓寬摻合料的應用領域，以典型隧道襯砌混凝土為例，詳細闡述了對采用川藏地區典型的花崗巖和河灘骨料、摻加上述摻合料對混凝土性能影響進行的研究。

2 試 驗

2.1 原材料

所用主要原材料均來自川藏地區。

水泥：采用四川天全西南水泥廠生產的P·O42.5水泥和西藏山南華新水泥廠生產的P·O42.5水泥。

粉煤灰：采用四川金堂某公司生產的F類I級粉煤灰和寧夏某公司生產的F類Ⅱ級粉煤灰，分別與四川地區的花崗巖骨料和西藏地區的河灘骨料搭配。

磷渣粉：采用四川雅安某公司生產的L95級磷渣粉。

火山灰：采用四川爐霍某公司生產的安山巖火山灰。

硅灰：采用四川滎經某公司生產的S92級硅灰。

以上摻合料物理性能見表1。

表1 摻合料物理性能表

骨料：采用四川瀘定花崗巖骨料場和西藏昌都河灘骨料。

外加劑：減水劑采用上海三瑞和北京中安生產的緩凝型聚羧酸高性能減水劑，引氣劑采用同廠家的配套產品。

2.2 試驗方法

混凝土配合比設計遵照《普通混凝土配合比設計規程》JGJ 55-2011；拌合物性能及硬化性能試驗遵照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》GB/T 50080-2016、《普通混凝土力學性能試驗方法標準》GB/T 50081-2002和《普通混凝土長期性能和耐久性試驗方法標準》GB/T 50082-2009。

2.3 配合比

基于所選定的4種摻合料，采用7種摻合料方案制備混凝土。C35襯砌混凝土試拌參數見表2。由于不同摻合料的活性不同，在實際拌合過程中對不同摻合料方案的混凝土試拌配合比用水量進行了動態調整，如活性較高的硅灰水膠比取值高于活性較低的火山灰；同時，由于不同摻合料的需水量不同，對用水量進行了動態調整以控制拌合物的工作性能。

表2 C35襯砌混凝土試拌參數表

在混凝土試驗過程中，由減水劑生產廠家的技術人員在現場對減水劑和引氣劑配方進行調整，使采用不同摻合料方案的混凝土的上述外加劑用量大致相同。

3 取得的結果與討論

3.1 抗壓強度

對采用兩種巖性骨料、不同摻合料方案的混凝土各齡期抗壓強度進行了試驗，不同摻合料方案的混凝土各階段強度發展情況見圖1。采用不同摻合料的混凝土28 d/7 d抗壓強度增長率差異較大，其中，復摻磷渣粉+硅灰的強度增長率最高，為141%；單摻粉煤灰的強度增長率最低，為126%。此外，采用不同摻合料的混凝土后期抗壓強度增長率差異較小，56 d/28 d的平均比值為110%～120%，90 d/56 d的平均比值為100%～110%。

圖1 不同摻合料方案的混凝土各階段強度發展示意圖

相同水膠比水平(0.41～0.43)下，取得了采用不同摻合料方案的混凝土抗壓強度，不同摻合料方案的混凝土各齡期抗壓強度見圖2。

圖2 不同摻合料方案的混凝土各齡期抗壓強度示意圖

強度由高到低為：單摻硅灰>單摻磷渣粉>單摻粉煤灰>單摻火山灰。就單摻方案而言，摻硅灰、磷渣粉混凝土90 d強度與摻粉煤灰混凝土相比高25%，與摻火山灰混凝土相比高35%。此外，單摻火山灰混凝土在各齡期的強度最低，且其90 d抗壓強度不滿足43.2 MPa的配制強度。由此得出結論：單摻火山灰不適宜配制C35以上的混凝土。但通過與硅灰復配，則火山灰可以滿足使用要求。

3.2 耐久性

當混凝土強度處于相同水平時，除單摻火山灰、復摻磷渣粉+粉煤灰的混凝土外，其它方案中的混凝土電通量均滿足<1 200 C的要求。不同摻合料方案中混凝土電通量與水膠比之間的關系見圖3。因此，若以火山灰作為混凝土摻合料，則需將其與其它摻合料復配。

圖3 不同摻合料方案中混凝土電通量與水膠比關系示意圖

花崗巖骨料混凝土干縮率見圖4，河灘骨料混凝土干縮率見圖5。試驗結果表明：除單摻火山灰、復摻磷渣粉+粉煤灰的混凝土90 d干縮率> 400 με，其他摻合料方案的混凝土收縮率均< 400 με，體積穩定性更強。

圖4 花崗巖骨料混凝土干縮率示意圖

圖5 河灘骨料混凝土干縮率示意圖

不同巖性骨料混凝土抗滲、抗凍性數據見表3。試驗結果表明：不同摻合料方案中的混凝土在90 d時的抗滲等級均>P12。此外，除采用花崗巖骨料、單摻8%硅灰的混凝土抗凍等級難以達到F350外，其它混凝土抗凍等級均>F350。

表3 不同巖性骨料混凝土抗滲、抗凍性數據表

4 結 語

采用川藏地區的磷渣粉、火山灰、硅灰等摻合料，通過單摻或復摻方式可以配制出滿足工作性能、力學性能、耐久性和體積穩定性要求的C35隧道襯砌混凝土。研究表明：在相同水膠比水平下，單摻磷渣粉和硅灰的混凝土表現出最優的力學性能及干縮率，可進一步通過配合比優化降低混凝土總膠材的用量，節約生產成本。該研究成果被川藏地區工程建設中采用，為可替代粉煤灰摻合料設計、生產混凝土提供了理論依據和技術儲備。