火山灰的摻入對水泥漿流動性和強(qiáng)度影響研究

陳嘉健

摘 要：火山灰于混凝土生產(chǎn)中的作用可概括為經(jīng)濟(jì)效益和社會效益兩方面，前者體現(xiàn)為火山灰可以替代粉煤灰、礦粉等常規(guī)礦物摻合料置換水泥用于混凝土中，對整體性降低工程造價具有顯著經(jīng)濟(jì)效益；后者體現(xiàn)為火山灰若得不到合適應(yīng)用或處理，可以深入人體的呼吸道，誘發(fā)肺部和呼吸道疾病。為探究摻入火山灰對水泥漿性能的影響，本研究通過配制16組火山灰水泥漿配比并作流動性和強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)測試，發(fā)現(xiàn)在低水灰比情況下?lián)饺牖鹕交夷軐炷列阅艿奶岣哂休^顯著作用。

關(guān)鍵詞：混凝土；火山灰；流動性；強(qiáng)度

從成因來分類，火山灰可分為天然火山灰和人造無機(jī)材料，其中天然火山灰是火山運(yùn)動過程中噴發(fā)出天然火山碎石和礦物質(zhì)顆粒經(jīng)磨細(xì)而成的材料。在混凝土工業(yè)上，火山灰由于和水泥、石灰一樣具有膠凝特性，可與水可發(fā)生水化反應(yīng)生成水化硅酸鈣、氫氧化鈣等水化產(chǎn)物，并能凝結(jié)硬化具有一定強(qiáng)度，為合適的輔助性膠凝材料。由于其膠凝特性和微填充作用，火山灰可作為混凝土摻合料應(yīng)用于粉煤灰、礦粉等摻合料匱乏地區(qū)的土建工程建設(shè)中，具有顯著經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。為探討摻加火山灰對水性能的影響，本文就火山灰對水泥漿的流動性和強(qiáng)度影響作了實(shí)驗(yàn)測試。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 材料

水泥采用52.5N水泥，實(shí)驗(yàn)測得該水泥28天強(qiáng)度測得為59.0MPa?；鹕交覟閺V東佛山本地市場購買所得材料。其顆粒粒徑分布經(jīng)激光粒度分析儀測得如圖1所示。

1.2 測試配比

本研究共配制16組水泥漿配比試件作測試，水灰比于0.55與0.70間變化，火山灰摻量于0和15% 間變化。

1.3 測試方法

水泥漿試樣的動態(tài)流動性的測量采用V型漏斗作流速測試，流速為充滿V型漏斗的水泥漿全部流出所需的時間與V型漏斗體積之比值。流動性測量均在水泥漿完成攪拌后5分鐘內(nèi)進(jìn)行，整個試驗(yàn)過程中實(shí)驗(yàn)室溫度控制在20±2°C。水泥漿試樣的抗壓強(qiáng)度用70.7mm立方體試樣7天強(qiáng)度測定。

2 結(jié)果

火山灰的摻入對流動性影響結(jié)果示于圖2。測試結(jié)果表明，在水灰比低于0.60時，摻入不高于15% 火山灰時能提高流動性；在水灰比高于0.65時，摻入不高于15% 火山灰時卻對流動性產(chǎn)生不利影響。這是由于流動性主要取決于總水量、顆粒填充密度和比表面積。在水灰比相同即總水量相同的情況下，當(dāng)水灰比較低時，火山灰的摻入提高了顆粒填充密度提高對流動性產(chǎn)生的有利效應(yīng)高于對增大比表面積而帶來的不利效應(yīng)，總體體現(xiàn)為對流動性的增大；而當(dāng)水灰比較低時，火山灰的摻入對增大比表面積而帶來的不利效應(yīng)比提高了顆粒填充密度提高對流動性產(chǎn)生的有利效應(yīng)更為顯著，總體體現(xiàn)為對流動性的減少。

在混凝土礦物摻合料性能中，活性為重要一個指標(biāo)?；鹕交业膿饺雽箟簭?qiáng)度影響結(jié)果示于圖3。測試結(jié)果表明，在水灰比低于0.60時，摻入不高于15% 火山灰時能提高強(qiáng)度；在水灰比為0.55左右時，摻入不高于15% 火山灰對強(qiáng)度影響不大；在水灰比高于0.65時，摻入不高于15% 火山灰會降低強(qiáng)度?；鹕交业膿饺雽λ磻?yīng)進(jìn)程產(chǎn)生影響，對混凝土硬化后強(qiáng)度產(chǎn)生貢獻(xiàn)。當(dāng)然對強(qiáng)度的貢獻(xiàn)是通過火山灰反應(yīng)來影響作用的。一次水化中單位質(zhì)量的水泥會釋放出游離鈣。當(dāng)游離鈣與液相水分接觸，會生成堿性激發(fā)劑Ca（OH）2。在水存在的條件下，火山灰中的二氧化硅會和鈣離子發(fā)生二次水化反應(yīng)生成額外水化硅酸鈣產(chǎn)物。除此之外，火山灰的摻入還能起到微填充作用，填充水泥顆粒間空隙。因此，利用火山灰置換水泥或許能起到提高強(qiáng)度效果。

火山灰的摻入對粘聚性影響結(jié)果示于圖4。測試結(jié)果表明，在水灰比低于0.60時，摻入不高于15% 火山灰時明顯提高過篩率，也就是說，大大降低粘聚性；在水灰比高于0.65時，摻入不高于15% 火山灰時卻對粘聚性影響不顯著，這是由于此時過篩率已經(jīng)相當(dāng)高甚至接近100%，測試結(jié)果對粘聚性的表現(xiàn)已不敏感。

3 水泥混凝土中摻加火山灰的顆粒學(xué)理論

宏觀角度看，混凝土可以被認(rèn)為是由骨料和水泥漿兩部分組成。在骨料部分中，固體顆粒的粒徑范圍涵括75（下轉(zhuǎn)第296頁）

微米到10、20或者40毫米的最大粗骨料粒徑。中粒徑顆粒能填充大粒徑顆粒之間的孔隙，而小粒徑顆粒又能填充中粒徑顆粒之間的孔隙，各粒徑大小如此連續(xù)的填隙作用能有效減少孔隙的體積，增大整個骨料部分的填充密度。水泥顆粒遠(yuǎn)比細(xì)骨料顆粒細(xì)，在沒礦物摻合料情況下水泥顆粒直接填充細(xì)骨料間的空隙。若火山會細(xì)度在再細(xì)骨料和水泥之間，約100微米左右，火山灰顆?？梢韵忍畛浼?xì)骨料間的孔隙，水泥再填充火山灰間的孔隙，利用火山灰的“擠占”效應(yīng)提高混凝土固體顆粒整體的填充密度。若火山灰能磨細(xì)到比水泥還細(xì)，火山灰顆粒則可以進(jìn)一步填充水泥間的孔隙，利用火山灰的“填充”效應(yīng)亦能提高混凝土固體顆粒整體的填充密度。應(yīng)用火山灰提高填充密度的意義在于，由于水泥漿需要先填充骨料部分的孔隙，填隙以外的水泥漿才能用于潤滑、帶動混凝土流動，所以在水泥漿體積一定時，提高骨料填充密度能增加混凝土工作性，或在流動性要求相同時減少水泥漿的體積。

微觀角度來看，水泥漿可以被認(rèn)為是由水泥、火山灰等火山灰材料固體微粒和水兩部分構(gòu)成。在火山灰材料固體微粒部分中，固體顆粒的粒徑范涵括從小于1微米到75微米。和宏觀觀察到的骨料填充效應(yīng)一樣，由較小粒徑顆粒產(chǎn)生的連續(xù)一系列填隙作用同樣能有效減少火山灰材料中孔隙的體積，增加填充密度。因?yàn)樗枰忍畛浠鹕交也牧喜糠值目紫?，填隙以外的水才能用于潤滑、帶動整個水泥漿流動，所以在水體積一定時，提高火山灰材料填充密度能增加混凝土工作性，或在流動性要求相同時減少水的體積。此種填充效應(yīng)理論實(shí)質(zhì)上是Powers理論在微觀結(jié)構(gòu)方面的延伸。然而，在應(yīng)用宏觀和微觀填充效應(yīng)時不同的是，骨料填充密度可以用干測量法來測量，而火山灰材料填充密度由于材料間的凝聚現(xiàn)象很難同樣用干測量法來有效準(zhǔn)確測量。

4 火山灰于混凝土生產(chǎn)中的應(yīng)用前景討論

火山灰混凝土的開發(fā)與應(yīng)用一方面可以因地制宜合理利用天然火山灰材料，節(jié)約大量的運(yùn)輸費(fèi)用，另一方面采用所制備的摻合料替代常規(guī)礦物摻合料，可以減少建筑業(yè)對粉煤灰、礦粉等的消耗，緩解常規(guī)摻合料資源日趨匱乏的壓力。在滿足質(zhì)量要求的前提下，火山灰碾壓混凝土較普通混凝土大約每立方米可節(jié)省二十元，因此對于用量巨大的道路工程其累計節(jié)約成本是非常巨大的，因而火山灰利用的經(jīng)濟(jì)效益非常顯著。同時火山灰的利用可以降低由于外地運(yùn)輸粉煤灰、礦粉摻合料的造價，這對于因地制宜、就地取材的工程還可以縮短施工周期，整體性降低工程造價，因此火山灰資源的利用具有非常可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

大量火山灰資源循環(huán)利用還有利于環(huán)境保護(hù)，獲得顯著社會效益。細(xì)微顆粒的火山灰隨空氣流動或者大風(fēng)吹拂會彌漫在空氣當(dāng)中污染大氣，對人類居住、工作環(huán)境帶來惡劣影響。此外，細(xì)小的火山灰顆?？梢陨钊肴梭w的呼吸道，甚至達(dá)到細(xì)支氣管和肺部，損傷人體心肺功能，誘發(fā)肺部疾病和呼吸道疾病等。尤其對于抵抗力較弱的兒童和老人，其損傷性更強(qiáng)。因此合理處理火山灰資源與環(huán)境的協(xié)調(diào)相容性，其生態(tài)環(huán)保社會效益非常顯著。

5 結(jié)論

本項目配制了16組配比的火山灰水泥漿，并系統(tǒng)測量了其流動性和強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在較低水灰比情況下火山灰的摻入會提高流動性，然而在較高水灰比時火山灰的摻入會降低流動性，這取決于火山灰對膠凝材料填充密度和比表面積的影響。在水灰比較低時，摻入火山灰能提高強(qiáng)度，然而在較高水灰比時，火山灰的摻入會降低強(qiáng)度。然而，值得注意的是火山灰的摻入可能削弱粘聚性?？傮w來說，在低水灰比情況下?lián)饺牖鹕交夷軐炷列阅艿奶岣哂休^顯著作用。

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