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(shè)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(xué)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(yīng)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(shè)，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(biāo)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(jù)。

1 試驗原材料

水泥:云南麗江永保水泥股份有限公司生產(chǎn)的中熱42.5水泥，各項性能指標(biāo)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(biāo)滿足《用于水泥和混凝土中的粉煤灰GB/T 1596－2005》指標(biāo)要求。

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

骨料:細(xì)骨料由正長巖加工而成，細(xì)度模數(shù)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(xì)砂巖破碎而成。

粉煤灰和火山灰的物理、化學(xué)性能測試結(jié)果見表1?？梢钥闯?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(chǎn)生影響。

表1 粉煤灰、火山灰的物理化學(xué)性能測試結(jié)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(jié)時間等指標(biāo)進(jìn)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(fù)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(dá)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(jié)構(gòu)，對氣泡有吸附作用。最明顯差別是混凝土的凝結(jié)時間，全H碾壓混凝土凝結(jié)時間較全F碾壓混凝土凝結(jié)時間急劇縮短，這和文獻(xiàn)［3］結(jié)論一致。該文認(rèn)為，天然火山灰產(chǎn)生‘促凝’的原因并不是化學(xué)反應(yīng)活性特別大而導(dǎo)致初期形成大量水化產(chǎn)物，而是其特殊的結(jié)構(gòu)屬性(即熱力學(xué)不穩(wěn)定性)對初始結(jié)構(gòu)形成起到重要作用，而天然火山灰的化學(xué)反應(yīng)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(jié)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(dá)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(xiàn)+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?！敖庑酢睌U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(jié)構(gòu)，對水的吸附能力強，導(dǎo)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(chǎn)生負(fù)效應(yīng)。

圖1 摻合料細(xì)觀形貌Fig.1 Micro-morphology of the mixture

2.3 力學(xué)性能

全F、全H及F+H碾壓混凝土力學(xué)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(xué)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(xì)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(yīng)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(xué)反應(yīng)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(jié)構(gòu)屬性對初始結(jié)構(gòu)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(chǎn)生了較好的早期強度效應(yīng)。在水化后期，粉煤灰的火山灰活性效應(yīng)發(fā)揮作用，漿體結(jié)構(gòu)逐步密實，強度逐步提高，而火山灰中活性物質(zhì)——無定型或玻璃體物質(zhì)以及沸石類化合物含量較少，在水泥水化反應(yīng)基本結(jié)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(yīng)、火山灰效應(yīng)、微集料效應(yīng)三重效應(yīng)，使粉煤灰對混凝土強度的影響過程是隨齡期的增長從負(fù)效應(yīng)逐漸向正效應(yīng)轉(zhuǎn)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(jīng)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(chǎn)物層，而全H混凝土(圖4(c))在膠凝材料內(nèi)部也形成了水化產(chǎn)物，但結(jié)構(gòu)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(jié)果見表4。從試驗結(jié)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(xiàn)+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(jié)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(jié)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(jié)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(fù)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(jié)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(jié)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(jié)論

通過以上的試驗研究可知:

(1)當(dāng)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(dá)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(jié)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(yīng)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(xiàn)+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(xiàn)+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(dāng)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(jié)時間急劇縮短，后期強度活性效應(yīng)較低，干縮變形值、絕熱溫升值增大。

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