摻火山灰與磷渣粉的混凝土性能比較研究

摘要：為進一步豐富水工混凝土摻和料種類，促進新型礦物摻和料的應(yīng)用，對比研究了摻粉煤灰、火山灰和磷渣粉等不同礦物摻和料混凝土力學(xué)、變形和熱學(xué)性能。結(jié)果表明：與Ⅰ級粉煤灰相比，摻火山灰和磷渣粉混凝土的單位用水量略有增加，早期強度和變形基本相當，但摻磷渣粉混凝土后期強度明顯高于摻火山灰混凝土;粉煤灰、火山灰和磷渣粉的摻入可改變膠凝體系的水化特性，降低水化熱。因此火山灰和磷渣粉作為水工混凝土摻和料在技術(shù)上是可行的。

關(guān)鍵詞：火山灰; 磷渣粉; 力學(xué)性能; 變形性能; 熱學(xué)性能

中圖法分類號：TU528 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.S1.015

文章編號：1006 - 0081（2022）S1 - 0050 - 03

0 引 言

隨著水利水電工程建設(shè)的蓬勃發(fā)展，水工混凝土礦物摻和料的需求量也日益增加。然而，中國粉煤灰與礦渣等傳統(tǒng)礦物摻和料資源空間分布不均勻，很多地區(qū)粉煤灰供應(yīng)緊張，尤其是優(yōu)質(zhì)粉煤灰更是供不應(yīng)求。故因地制宜開發(fā)其他新型礦物摻和料或?qū)⒎勖夯遗c其他摻和料以合適比例摻入水泥基材料，已成為水工混凝土摻和料發(fā)展的趨勢，一方面可以適當緩解粉煤灰供應(yīng)緊張問題，另一方面結(jié)合其他礦物摻和料的優(yōu)勢，取長補短，使經(jīng)過復(fù)摻改性后混凝土的各項性能更加優(yōu)異[1]。

隨著中國水利水電建設(shè)逐漸向金沙江、雅礱江和瀾滄江等流域上游轉(zhuǎn)移，水泥、粉煤灰等大宗建筑材料由于交通不便、距離較遠，到貨價較高。因此，研究將在工程經(jīng)濟運輸半徑內(nèi)的可替代粉煤灰作為混凝土摻和料的材料在混凝土中的應(yīng)用很有意義。在上述地區(qū)分布著數(shù)量巨大的火山巖，目前，國外開發(fā)天然原材料替代水泥作為混凝土摻和料的研究技術(shù)已經(jīng)較為成熟[2-3]，而中國在天然材料作為混凝土摻和料相關(guān)方面的技術(shù)研究還較少[4-6]。近年來，隨著中國西南水電開發(fā)不斷深入，逐步進行了若干研究與實踐。在云南龍江干流十多個中小型電站開展了混凝土摻和料的推廣應(yīng)用，其中保山臘寨電站23萬m3的重力壩常態(tài)混凝土摻用了20%～30%的江騰火山灰，后續(xù)成功應(yīng)用于龍江干流多個水電站工程的常態(tài)混凝土壩和碾壓混凝土壩， 所應(yīng)用的壩型包括雙曲拱壩、 重力壩、碾壓壩等， 并在龍江樞紐水電站工程的115 m高拱壩中得到應(yīng)用?；鹕交覔胶土系攘咳〈嗟谋壤_到30%～70%[7]。同時，在附近還有一些磷化工企業(yè)，磷化工生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的磷石膏、磷渣等工業(yè)固體廢棄物的堆積不僅會占用土地資源，造成土壤和水資源污染，進而影響企業(yè)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境，更重要的是給人民群眾的生命財產(chǎn)安全帶來極大隱患[8]。因此，開展火山灰、磷渣粉混凝土性能比較研究，既可以為火山灰和磷渣的應(yīng)用提供技術(shù)支撐，也能為磷渣等工業(yè)的固廢處理提供新方向。

1 原材料與試驗方法

試驗采用四川嘉華企業(yè)（集團）股份有限公司生產(chǎn)的P·HM42.5中硅酸鹽水泥、珙縣發(fā)電廠Ⅰ級粉煤灰、石棉縣康瑞新材料有限公司（1號磷渣粉）和馬邊兩家磷化工企業(yè)生產(chǎn)的磷渣（2號磷渣粉和3號磷渣粉），以及理塘縣易成新型建材有限公司生產(chǎn)的火山灰（廠里的原灰為2號火山灰）。水泥、粉煤灰、火山灰和磷渣粉的化學(xué)組成見表1。

試驗使用的混凝土基準配合比：三級配混凝土、水膠比0.50、摻粉煤灰混凝土單位用水量100 kg/m³、摻磷渣粉混凝土單位用水量105 kg/m³、摻磷渣粉混凝土單位用水量110 kg/m³，摻和料摻量35%?；炷翉椖！O限拉伸值、干縮和自生體積變形的試驗方法和試驗結(jié)果按照DL/T 5150-2017《水工混凝土試驗規(guī)程》的有關(guān)規(guī)定進行處理。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 火山灰和磷渣粉對力學(xué)性能的影響

摻不同摻和料混凝土的強度和極限拉伸值見表2和圖1。

由表2和圖1可以看出，隨著齡期的延長，常態(tài)混凝土強度、極限拉伸值均持續(xù)增長。從整體上看，同齡期的不同摻和料混凝土強度、極限拉伸值相差較大。其中，早期摻粉煤灰混凝土強度較高，后期則是摻磷渣粉混凝土。這是由于水化早期，粉煤灰和磷渣粉既有填充的物理效應(yīng)，又有較好的火山灰反應(yīng)活性;而火山灰的活性效應(yīng)很弱且主要起物理填充作用，其細化孔徑、改善孔結(jié)構(gòu)效應(yīng)弱于粉煤灰和磷渣粉煤。隨著齡期的增長，火山灰效應(yīng)得到較好地發(fā)揮，膠凝體系孔結(jié)構(gòu)均勻性得到顯著提高，平均孔徑明顯細化，水泥-粉煤灰膠凝體系孔結(jié)構(gòu)的致密度優(yōu)于水泥-火山灰膠凝體系。然而，雖然磷渣作為摻和料摻入到混凝土中會使混凝土早期強度有所降低，但摻量適當時，不僅不會影響混凝土后期強度，甚至能使強度超出不摻磷渣的普通混凝土。這是因為水泥早期水化被抑制，會使其晶體“生長發(fā)育”條件好，使水化產(chǎn)物質(zhì)量顯著提高，水泥石結(jié)構(gòu)更加致密，孔隙率下降，孔徑變小，對混凝土后期強度發(fā)展有利，使混凝土后期強度提高。此外，磷渣是具有一定活性的摻和料，其二次水化反應(yīng)會提高水泥石強度，改善界面過渡區(qū)結(jié)構(gòu)和孔徑分布，使混凝土后期強度提高[1]。

2.2 火山灰和磷渣粉對干縮的影響

摻不同摻和料混凝土的干縮見圖2。由圖2可以看出：混凝土強度等級及類型、摻和料品種及摻量、膠材總用量等因素均會影響混凝土的干縮發(fā)展。不同摻和料混凝土干縮值仍處于增長趨勢，其中摻火山灰混凝土干縮率略高于摻粉煤灰和磷渣粉混凝土，摻粉煤灰混凝土的干縮最小。摻磷渣粉混凝土早期干縮較大，這可能與磷渣多為玻璃體物質(zhì)，親水能力較小，泌水較大，且早期水化較慢，所需水化用水亦較少，故可被蒸發(fā)水量也較多等原因有關(guān)。因此，加強磷渣混凝土的早期養(yǎng)護非常重要。

2.3 火山灰和磷渣粉對熱學(xué)性能的影響

摻不同摻和料膠凝材料體系水化熱見表3。由表3可以看出：從7 d齡期內(nèi)水化熱發(fā)展趨勢看，在相同摻量時，水泥-火山灰的二元膠凝體系水化熱最低，粉煤灰次之，磷渣粉最高。這是由于磷渣粉比表面積大，膠凝材料水化熱上升。然而，火山灰會影響水泥水化歷程。火山灰縮短了水泥水化的誘導(dǎo)期，致使其提前進入加速期，促進了水泥早期水化，阻礙其后期水化，這歸因于火山灰對水泥早期水化存在稀釋、微晶核、分散和活性作用，以及對后期水化的屏蔽作用。因此火山灰的早期水化熱高，后期的水化熱低。

3 結(jié) 論

（1） 在相同水膠比條件下，單摻磷渣粉混凝土的抗壓強度、劈拉強度、軸拉強度略大于摻粉煤灰和摻火山灰混凝土;摻1號磷渣粉的混凝土抗壓強度、劈拉強度、軸拉強度最高;摻火山灰混凝土的干縮率略大于摻粉煤灰和磷渣粉混凝土。

（2） 摻入粉煤灰、火山灰和磷渣粉，可改變膠凝體系的水化特性，降低水化熱，其中水泥-火山灰膠凝體系7 d水化熱最低。

參考文獻：

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（編輯：唐湘茜）