混凝土施工用火山灰與粉煤灰性能對(duì)比試驗(yàn)

趙少華，李世雄，崔小飛

(中國水利水電第五工程局有限公司，成都，610066)

國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中，混凝土工程較為常用的摻和料為粉煤灰。粉煤灰經(jīng)過相當(dāng)長一段時(shí)間的應(yīng)用，技術(shù)比較成熟，風(fēng)險(xiǎn)較小。近年來，火山灰材料在道路工程、建材等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用[1]。采用天然火山灰質(zhì)材料作為礦物摻和料，技術(shù)性能優(yōu)良，經(jīng)濟(jì)效益明顯[2]。本文通過對(duì)比試驗(yàn)，研究火山灰混凝土的技術(shù)特性。

1 摻和料原材料檢測(cè)

試驗(yàn)火山灰為某公司生產(chǎn)的火山巖微粉，粉煤灰為某電廠Ⅱ級(jí)灰，試驗(yàn)結(jié)果見表1、表2。

表1 粉煤灰品質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果

表2 火山灰品質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著齡期的增長，粉煤灰的強(qiáng)度活性指數(shù)逐漸變大，火山灰強(qiáng)度活性指數(shù)在一個(gè)區(qū)間變化，14d后火山灰的強(qiáng)度活性指數(shù)小于粉煤灰的強(qiáng)度活性指數(shù)。

2 膠凝材料混合料水化熱試驗(yàn)

進(jìn)行水泥及粉煤灰兩種摻和料水化熱試驗(yàn)，結(jié)果見表3。

表3 水泥及混合膠凝材料水化熱試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

從試驗(yàn)結(jié)果看，摻20%火山灰的混合膠凝材料水化熱比摻20%粉煤灰的混合膠凝材料水化熱3d、7d大3%～5%左右，摻20%火山灰的混合膠凝材料3d、7d水化熱占同齡期純水泥水化熱的88.6%、88.8%，說明摻20%火山灰時(shí)，可有效降低膠凝材料水化熱11%左右。

3 混凝土拌和物參數(shù)試驗(yàn)

本次試驗(yàn)配合比為二級(jí)配泵送混凝土，按純水泥、摻粉煤灰、摻火山灰，進(jìn)行不同摻量下(15%、20%、25%)混凝土性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 混凝土配合比拌和物試驗(yàn)結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果看，在用水量、水膠比和設(shè)計(jì)塌落度不變的情況下，隨著摻量的增加，火山灰混凝土拌和物減水劑用量增大，含氣量減?。换鹕交一炷翜p水劑和引氣劑用量比粉煤灰混凝土用量多，說明了火山灰對(duì)其具有一定的吸附作用。引起混凝土減水劑和引氣劑用量有較大差別的主要原因是摻和料比表面積和顆粒形狀的影響，粉煤灰是完整的球型顆粒，其潤滑作用改善了混凝土的工作性[2]，而火山灰不規(guī)則的多孔結(jié)構(gòu)，對(duì)水的吸附能力強(qiáng)，導(dǎo)致需水量的增加。

4 硬化混凝土性能檢測(cè)

4.1 強(qiáng)度試驗(yàn)

按表4成型檢測(cè)3d、7d、14d、28d、56d、90d抗壓、劈拉強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 硬化混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，繪制摻火山灰混凝土不同摻量的強(qiáng)度柱狀圖(見圖1、圖2)，分析強(qiáng)度的發(fā)展趨勢(shì)。

圖1 C與不同摻量C+H抗壓強(qiáng)度對(duì)比

圖2 C與不同摻量C+H劈拉強(qiáng)度對(duì)比

由試驗(yàn)結(jié)果可知，摻火山灰的混凝土在三個(gè)摻量中，摻量為20%時(shí)抗壓、劈拉強(qiáng)度最高。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，繪制摻火山灰混凝土和粉煤灰混凝土相同摻量的強(qiáng)度增長趨勢(shì)圖(如圖3-圖8)，分析強(qiáng)度對(duì)比情況。

圖3 C+H15%與C+F15%抗壓強(qiáng)度對(duì)比

圖4 C+H20%與C+F20%抗壓強(qiáng)度對(duì)比

圖5 C+H25%與C+F25%抗壓強(qiáng)度對(duì)比

圖6 C+H15%與C+F15%劈拉強(qiáng)度對(duì)比

圖7 C+H20%與C+F20%劈拉強(qiáng)度對(duì)比

圖8 C+H25%與C+F25%劈拉強(qiáng)度對(duì)比

從曲線圖可知，在摻量為20%的情況下，同齡期摻火山灰的混凝土強(qiáng)度與摻粉煤灰的混凝土強(qiáng)度相差不大，其它摻量下?lián)椒勖夯业幕炷翉?qiáng)度比摻火山灰的混凝土強(qiáng)度都高；兩種摻和料混凝土7d前強(qiáng)度發(fā)展迅速，7d后強(qiáng)度發(fā)展放緩，摻火山灰的混凝土后期強(qiáng)度增長較摻粉煤灰的要緩。分析原因可能是：在常溫水化初期，粉煤灰和火山灰這兩種摻和料主要起填充作用，化學(xué)反應(yīng)活性居次要地位；相對(duì)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(duì)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，使得摻火山灰的混凝土產(chǎn)生了較好的早期強(qiáng)度效應(yīng)[3]。在水化后期，粉煤灰的活性效應(yīng)發(fā)揮作用，漿體結(jié)構(gòu)逐步密實(shí)，強(qiáng)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(qiáng)度發(fā)展較為緩慢[4]。隨著火山灰的摻量增大，后期的強(qiáng)度發(fā)展比摻粉煤灰混凝土要緩慢。

4.2 混凝土耐久性能試驗(yàn)

4.2.1 混凝土的碳化試驗(yàn)

在兩種摻和料不同齡期混凝土劈拉試驗(yàn)后的劈拉面上滴1%的酚酞乙醇溶液，劈拉面顯示均成酒紅色，表明摻火山灰和粉煤灰的混凝土在最大試驗(yàn)齡期90d時(shí)均未碳化。

4.2.2 混凝土的抗凍、抗?jié)B試驗(yàn)

分別成型不同摻量下的抗凍、抗?jié)B試樣，試驗(yàn)結(jié)果如下。

從表6可知，同摻量火山灰與粉煤灰混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量、質(zhì)量損失率、抗?jié)B性能相差不大。隨著火山灰摻量的增加，抗?jié)B性能變強(qiáng)。

表6 混凝土抗凍抗?jié)B試驗(yàn)結(jié)果

4.2.3 混凝土的干縮(濕脹)試驗(yàn)

成型混凝土干縮試件，測(cè)定不同齡期試件的干縮(濕脹)情況，試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 混凝土干縮(濕脹)試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制干縮(濕脹)趨勢(shì)圖如圖9所示，并進(jìn)行相應(yīng)分析。

圖9 不同摻和料及摻量混凝土干縮濕脹趨勢(shì)

從試驗(yàn)結(jié)果看出，無摻和料的混凝土干縮最大；火山灰和粉煤灰各摻15%、20%的混凝土干縮相差不大，摻25%時(shí)兩種摻和料的干縮相差很大；隨著火山灰摻量的增加，混凝土的干縮變大。

4.2.4 現(xiàn)場(chǎng)混凝土的溫升試驗(yàn)

試驗(yàn)室模擬施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了三種狀態(tài)的混凝土內(nèi)部溫度檢測(cè)，結(jié)果見表8。

表8 現(xiàn)場(chǎng)混凝土溫度檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，繪制混凝土溫度隨時(shí)間的變化曲線(見圖10)。

圖10 混凝土溫度隨時(shí)間變化曲線

從圖中可以看出，不摻摻和料的混凝土溫度增長最快，最終溫度最高，溫降緩慢；20%摻量的粉煤灰混凝土溫度增長最慢，最高溫度最低，下降相對(duì)較快；20%火山灰混凝土溫度變化在摻20%粉煤灰和不摻之間；摻20%粉煤灰和不摻摻和料溫度最高可降低4℃左右，摻20%火山灰混凝土和不摻摻和料溫度最高可降低3℃左右，表明兩種摻和料都能降低混凝土內(nèi)部水化熱溫升，兩種摻和料的降溫效果相差不大。

5 結(jié)語

(1)隨著齡期的增長，14d后火山灰膠凝材料的強(qiáng)度活性指數(shù)小于粉煤灰的強(qiáng)度活性指數(shù)，膠凝材料中摻20%火山灰時(shí)，可有效降低水化熱11%左右。

(2)火山灰對(duì)減水劑和引氣劑具有一定的吸附作用。在最大摻量為25%、火山灰與粉煤灰相同摻量時(shí)，混凝土耐久性相差不大；摻20%火山灰的混凝土抗壓、劈拉強(qiáng)度最高，與同摻量粉煤灰的混凝土強(qiáng)度相差不大；其它摻量下?lián)椒勖夯业幕炷翉?qiáng)度比摻火山灰的混凝土強(qiáng)度都高。摻火山灰的混凝土7d前強(qiáng)度發(fā)展迅速，7d后強(qiáng)度發(fā)展增長速度放緩，摻火山灰的混凝土后期強(qiáng)度增長較摻粉煤灰的要緩。

(3)不摻摻和料的混凝土干縮最大；火山灰和粉煤灰各摻15%、20%的干縮相差不大；摻25%時(shí)火山灰的干縮較大，隨著火山灰摻量的增加，混凝土的干縮變大。

(4)不摻摻和料的混凝土溫度增長最快，最終溫度最高，下降相對(duì)較慢；摻20%火山灰可降低混凝土溫度3℃左右；火山灰和粉煤灰摻和料都能降低混凝土內(nèi)部水化熱溫升，摻量為20%時(shí)，兩種摻和料的降溫效果相差不大。

總的來說，摻火山灰的混凝土和摻粉煤灰的混凝土性能各有不同，火山灰摻量為膠凝材料的20%時(shí)，膠砂性能和混凝土性能與同摻量的粉煤灰性能基本相近。