火山灰對(duì)水泥基材料強(qiáng)度影響及活性分析

許志楊，王春明，彭先兵，俞鋒，賈濤

（蘇州混凝土水泥制品研究院有限公司 江蘇省高耐久性混凝土工程技術(shù)研究中心，江蘇 蘇州 215000）

0 引言

火山灰是指火山在噴發(fā)過(guò)程中，巖漿在急速冷卻中形成的礦物質(zhì)經(jīng)過(guò)粉磨得到的礦物摻合料?；鹕交抑懈缓Ａ嗪臀⒕啵旧砭哂幸欢ɑ钚?，其化學(xué)組成主要有SiO2和Al2O3，可與水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2二次反應(yīng)，產(chǎn)生水化硅酸鈣等凝膠，對(duì)混凝土有一定的增強(qiáng)作用[1-2]。火山灰早期填充和水化后期的火山灰效應(yīng)能使混凝土更加密實(shí)，提高混凝土的抗?jié)B和抗腐蝕性能，非常適合作為摻合料摻入混凝土中。

本試驗(yàn)研究了火山灰對(duì)水泥基材料的強(qiáng)度影響，并分析其活性。試驗(yàn)中，通過(guò)改變水膠比和火山灰摻量，分析水膠比和火山灰摻量對(duì)膠砂強(qiáng)度和火山灰強(qiáng)度貢獻(xiàn)率的影響。測(cè)定長(zhǎng)齡期的膠砂抗壓強(qiáng)度，分析火山灰水泥基材料的長(zhǎng)齡期強(qiáng)度變化。再進(jìn)行火山灰的混凝土試驗(yàn)，分析火山灰在混凝土中的最佳替代量，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)提供參考。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

水泥：西藏日喀則華新水泥廠生產(chǎn)的P·O 42.5；火山灰：西藏羊八井生產(chǎn)，細(xì)度25.4%；化學(xué)成分見(jiàn)表1。標(biāo)準(zhǔn)砂：廈門(mén)艾思?xì)W生產(chǎn)；減水劑：東方雨虹生產(chǎn)的聚羧酸減水型減水劑。

表1 火山灰主要化學(xué)成分 單位：%

1.2 試驗(yàn)方法

膠砂試驗(yàn)中，膠凝材料總量不變，根據(jù)摻量改變水泥與火山灰的比例。水膠比變化時(shí)，其他原材料質(zhì)量不變，改變用水量從而改變水膠比。確定膠砂的水膠比分別為0.4、0.45、0.5、0.55和0.6，改變火山灰摻量分別為0%、10%、20%、30%、40%、60%、80%、100%，分別測(cè)定膠砂7 d和28 d抗壓強(qiáng)度。選取水膠比0.5，測(cè)定其不同火山灰摻量下7 d、28 d、60 d、90 d和120 d抗壓強(qiáng)度，分析火山灰摻入水泥基材料對(duì)長(zhǎng)齡期的影響。

混凝土試驗(yàn)中，選取水膠比0.5的C30混凝土配合比，膠凝材料質(zhì)量350 kg，用水量175 kg固定不變，改變火山灰摻量0%、10%、20%、30%、40%、60%、80%、100%，測(cè)定其3 d、7 d、28 d、60 d和120 d抗壓強(qiáng)度，分析火山灰摻量對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)提供參考。

試驗(yàn)采用比強(qiáng)度分析法[3]，通過(guò)比強(qiáng)度、火山灰效應(yīng)比強(qiáng)度、比強(qiáng)度系數(shù)和火山灰效應(yīng)強(qiáng)度貢獻(xiàn)率等指標(biāo)，對(duì)不同水膠比和不同火山灰摻量的膠砂中的火山灰效應(yīng)進(jìn)行分析。其中水泥砂漿中單位水泥用量對(duì)水泥基材料提供的強(qiáng)度為R0（公式1），摻有火山灰砂漿中單位水泥用量對(duì)水泥基材料提供的強(qiáng)度為R1（公式2），單位火山灰提高水泥基材料的強(qiáng)度為Rp（公式3），火山灰對(duì)水泥基材料強(qiáng)度提高的貢獻(xiàn)率為Pp（公式4），水泥水化反應(yīng)對(duì)水泥基材料強(qiáng)度提高貢獻(xiàn)率為Ph（公式5）。

式中：Rc為基準(zhǔn)水泥基材料的強(qiáng)度值，Mpa；f為摻合料水泥基材料強(qiáng)度，Mpa；q為摻合料水泥基材料中水泥的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，%。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 膠砂流動(dòng)度控制

火山灰的需水量要高于水泥，表2是0%火山灰、50%火山灰和100%火山灰的標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量。

表2 不同摻量火山灰標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量

由表2可知，100%火山灰的標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量比0%火山灰標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量高30%，相同用水量情況下，需水量過(guò)高會(huì)降低膠砂流動(dòng)度，從而導(dǎo)致膠砂密實(shí)度不足，進(jìn)而影響膠砂抗壓強(qiáng)度。表3是不加減水劑不同火山灰摻量的膠砂流動(dòng)度。

表3 不同火山灰摻量膠砂流動(dòng)度

為了保證膠砂的密實(shí)度不影響其抗壓強(qiáng)度，在不改變用水量的情況下，用減水劑對(duì)膠砂流動(dòng)度進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證膠砂流動(dòng)度在190～210。

2.2 火山灰摻量對(duì)強(qiáng)度的影響

圖1和2分別是不同水膠比情況下，火山灰摻量變化對(duì)膠砂7 d和28 d抗壓強(qiáng)度的影響。

圖1 火山灰摻量對(duì)7 d抗壓強(qiáng)度的影響

由圖1可知，當(dāng)水膠比為0.4～0.55、火山灰摻量10%時(shí)，膠砂7 d抗壓強(qiáng)度略有上升，火山灰效應(yīng)明顯；當(dāng)火山灰摻量20%時(shí)，抗壓強(qiáng)度比摻量10%略有下降；當(dāng)火山灰摻量20%以上時(shí)，膠砂抗壓強(qiáng)度快速下降。從圖2可以看出，當(dāng)水膠比為0.4～0.55、火山灰摻量在20%以下時(shí)，28 d抗壓強(qiáng)度隨著火山灰摻量的增加而上升；當(dāng)火山灰摻量30%時(shí)，強(qiáng)度略有下降；當(dāng)火山灰摻量30%以上時(shí)，強(qiáng)度快速下降。當(dāng)水膠比為0.6時(shí)，隨著火山灰摻量增多，膠砂7 d和28 d抗壓強(qiáng)度下降明顯。當(dāng)水膠比0.4時(shí)，火山灰摻量40%的28 d抗壓強(qiáng)度要高于不摻火山灰的試樣，當(dāng)水膠比為0.45時(shí)，火山灰摻量30%的28 d抗壓強(qiáng)度要高于摻量為0%的試樣，當(dāng)水膠比為0.5和0.55時(shí)，摻量降至20%。

圖2 火山灰摻量對(duì)28 d抗壓強(qiáng)度的影響

從圖1和2可知，少量的火山灰摻入，會(huì)提高膠砂強(qiáng)度，水膠比越低，火山灰可替代水泥比例越高，火山灰效應(yīng)越加明顯。水膠比高于0.6，火山灰摻入提高膠砂抗壓強(qiáng)度效果有限。純火山灰膠砂強(qiáng)度很低，幾乎沒(méi)有活性，說(shuō)明火山灰在水泥基材料中提供強(qiáng)度主要以火山灰效應(yīng)為主。

2.3 比強(qiáng)度法分析

圖3、4、5和6是在不同水膠比、不同火山灰摻量情況下，28 d砂漿抗壓強(qiáng)度代入公式得到的比強(qiáng)度指標(biāo)。

圖3 火山灰摻量對(duì)R1的影響

圖4 火山灰摻量對(duì)Rp的影響

圖5 火山灰摻量對(duì)Pp的影響

圖6 火山灰摻量對(duì)Ph的影響

由圖3、4、5、6可知，隨著火山灰摻量的增加，火山灰提高水泥基材料的強(qiáng)度Rp不斷升高，火山灰效應(yīng)的強(qiáng)度貢獻(xiàn)率Pp也不斷升高，水泥水化提供的強(qiáng)度貢獻(xiàn)率Ph不斷下降。火山灰在水泥膠砂中的摻量提高可以更好地發(fā)揮火山灰效應(yīng)，提供更多的強(qiáng)度。摻量較小時(shí)，火山灰活性組分少，水化產(chǎn)生的Ca(OH)2相對(duì)過(guò)剩，火山灰摻量增多，與Ca(OH)2二次反應(yīng)增加，火山灰效應(yīng)的強(qiáng)度貢獻(xiàn)率提高。結(jié)合圖2，火山灰摻量較低時(shí)，火山灰效應(yīng)提供的強(qiáng)度大于水泥降低所損失的強(qiáng)度，膠砂強(qiáng)度略有上升。隨著火山灰摻量提高，火山灰效應(yīng)提供的強(qiáng)度變大，但不足以彌補(bǔ)水泥降低損失的強(qiáng)度，膠砂強(qiáng)度下降。

隨著水膠比的升高，相同火山灰摻量的Rp下降，Pp也下降，Ph升高，說(shuō)明水膠比增大會(huì)降低火山灰效應(yīng)，減少火山灰效應(yīng)在膠砂中提供的強(qiáng)度，水膠比越大，火山灰效應(yīng)越不明顯。圖2中，當(dāng)水膠比0.6、火山灰摻量低時(shí)，火山灰效應(yīng)提供的強(qiáng)度不能彌補(bǔ)水泥降低損失的強(qiáng)度，Pp只有7.62%，水膠比與火山灰效應(yīng)呈負(fù)相關(guān)。

2.4 齡期對(duì)強(qiáng)度與火山灰強(qiáng)度貢獻(xiàn)率P p的影響

表4為水膠比0.5時(shí)，不同火山灰摻量7 d、28 d、60 d、90 d和120 d膠砂抗壓強(qiáng)度，圖7為齡期變化對(duì)火山灰強(qiáng)度貢獻(xiàn)率Pp的影響。

表4 水膠比0.5時(shí)齡期對(duì)膠砂抗壓強(qiáng)度的影響

圖7 水膠比0.5時(shí)齡期對(duì)火山灰強(qiáng)度貢獻(xiàn)率Pp的影響

由表4可知，當(dāng)火山灰摻量較低時(shí)，膠砂早期強(qiáng)度發(fā)展較快，火山灰摻量10%和20%的膠砂，7 d抗壓強(qiáng)度分別為120 d抗壓強(qiáng)度的85.5%和84.0%。后期強(qiáng)度發(fā)展較慢，60 d之后，強(qiáng)度基本不再發(fā)展?；鹕交覔搅枯^高時(shí)，膠砂早期強(qiáng)度發(fā)展較慢，火山灰摻量60%和80%的膠砂，7 d抗壓強(qiáng)度分別為120 d強(qiáng)度的52.4%和25.5%，且強(qiáng)度會(huì)隨齡期發(fā)展而發(fā)展。從圖7中也可看出，火山灰摻量較低時(shí)，火山灰強(qiáng)度貢獻(xiàn)率在后期幾乎無(wú)變化，而火山灰摻量高時(shí)，火山灰強(qiáng)度貢獻(xiàn)率在后期依舊增長(zhǎng)，因此火山灰有利于膠砂的后期強(qiáng)度發(fā)展。

2.5 混凝土中火山灰摻量對(duì)強(qiáng)度的影響

圖8為水膠比0.5時(shí)，不同火山灰摻量的混凝土抗壓強(qiáng)度，測(cè)定齡期為3 d、7 d、28 d、60 d和120 d。

圖8 火山灰對(duì)混凝土強(qiáng)度影響

由圖8可知，火山灰摻量在0%～20%時(shí)，不同齡期的混凝土抗壓強(qiáng)度變化較小，火山灰摻量高于20%以后，混凝土抗壓強(qiáng)度開(kāi)始下降。本試驗(yàn)混凝土水膠比為0.5，與膠砂相比，混凝土強(qiáng)度下降的火山灰摻量轉(zhuǎn)折點(diǎn)要低于膠砂，混凝土中，火山灰摻量在20%以上，抗壓強(qiáng)度開(kāi)始隨著摻量的增多快速下降，膠砂抗壓強(qiáng)度快速下降的轉(zhuǎn)折點(diǎn)在30%摻量?；炷林校鹕交覔搅?0%以下不會(huì)損失抗壓強(qiáng)度，28 d抗壓強(qiáng)度也可以達(dá)到C30標(biāo)準(zhǔn)，在混凝土實(shí)際生產(chǎn)中，火山灰替代水泥的最佳摻量為20%，可以減少生產(chǎn)中的水泥用量，節(jié)省成本。

3 結(jié)論

（1）火山灰在水泥基材料中提供強(qiáng)度主要以火山灰效應(yīng)為主，少量火山灰摻入替代水泥，可以提高抗壓強(qiáng)度，水膠比越低，火山灰可替代水泥比例越高，火山灰效應(yīng)越加明顯。

（2）火山灰摻量提高可以提高火山灰強(qiáng)度貢獻(xiàn)率，水膠比增大會(huì)降低火山灰效應(yīng)，減小火山灰強(qiáng)度貢獻(xiàn)率?；鹕交覍?duì)水泥基材料的長(zhǎng)齡期強(qiáng)度增長(zhǎng)有積極作用。

（3）火山灰在混凝土中可以部分替代水泥，不影響混凝土強(qiáng)度性能，水膠比0.5時(shí)，適宜摻量為20%。