預(yù)濕火山石骨料對混凝土強(qiáng)度及收縮性能的影響

王震，毛雯婷，黃曉敏，李昕成，趙孝華，段發(fā)軍，黨玉棟

（1.云南大學(xué)建筑與規(guī)劃學(xué)院，云南昆明 650500；2.云南省建筑科學(xué)研究院有限公司云南省建筑結(jié)構(gòu)與新材料企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南昆明 650223；3.昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，云南昆明 650500；4.騰沖世泓環(huán)保科技有限公司，云南騰沖 679100）

0 引 言

火山石（俗稱浮石或多孔玄武巖）是火山爆發(fā)后由火山玻璃、礦物與氣泡形成的多孔石材[1]，廣泛用于建筑、水利、園林造景、無土栽培等領(lǐng)域?；鹕绞Y源廣泛分布于我國內(nèi)蒙古、張家口、海南、吉林、云南騰沖等地?；鹕绞虍a(chǎn)地不同，其性質(zhì)以及制備成建筑材料后的性能也有較大差異[2-5]。天然火山石用于混凝土集料時(shí)，其較高吸水率將對混凝土的工作性能、物理力學(xué)性能及體積穩(wěn)定性造成影響[6-7]。與石灰石混凝土相比，火山石混凝土具有自重輕、耐火、保溫隔熱性能好、抗震性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)[8]，火山石混凝土及其制品用于建筑工程可顯著降低結(jié)構(gòu)自重，減少荷載，在混凝土工程中具有廣闊的應(yīng)用前景[9-12]。

云南騰沖當(dāng)?shù)鼗鹕绞Y源非常豐富，主要切割成地磚、外墻裝飾板材等，每年產(chǎn)生大量切割廢料[13]，不僅得不到有效利用，反而需要花費(fèi)高昂成本去清理。將切割廢料加工成火山石粗骨料應(yīng)用到混凝土中，將極大降低建設(shè)成本，提高火山石的綜合利用率。但火山石固有的一些多孔、吸水特性對混凝土工作性能不利，導(dǎo)致騰沖當(dāng)?shù)睾苌儆没鹕绞止橇现苽浠炷?，相關(guān)研究結(jié)果也較少，從而阻礙了火山石混凝土的應(yīng)用。本文基于質(zhì)量法設(shè)計(jì)C30、C40 兩種騰沖當(dāng)?shù)刈畛Ｓ脧?qiáng)度等級的石灰石混凝土與火山石混凝土，對比研究了C30、C40 兩種強(qiáng)度等級下，預(yù)濕前后火山石混凝土與石灰石混凝土拌合物性能、抗壓強(qiáng)度、自收縮、干燥收縮性能，從而為騰沖火山石混凝土的研究與應(yīng)用提供參考。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：盈江縣允罕水泥有限責(zé)任公司產(chǎn)海螺牌P·O 42.5水泥，主要技術(shù)性能見表1；火山灰：騰沖華輝火山石建材開發(fā)有限公司，比表面積308 m2/kg，活性指數(shù)76%；減水劑：云南石博士新材料有限公司產(chǎn)DS-J2 聚羧酸系高性能減水劑（緩凝型），固含量10.5%，減水率32.4%；水：自來水；細(xì)集料：騰沖當(dāng)?shù)氐臋C(jī)制砂，細(xì)度模數(shù)3.1，其物理性能見表2。

表1 水泥的主要技術(shù)性能

表2 機(jī)制砂的物理性能

天然火山石：來自云南騰沖，其外觀形貌如圖1 所示，在工業(yè)顯微鏡下觀察火山石表面孔洞，如圖2 所示。通過觀察統(tǒng)計(jì)，騰沖火山石表面孔洞的數(shù)量與分布是隨機(jī)的，火山石表面孔洞較大，直徑在0.1~10 mm，且直徑在2~5 mm 的孔洞占比約為75%。值得注意的是，火山石表面孔洞多呈現(xiàn)為近似的圓形，或由2 個(gè)及2 個(gè)以上圓形融合后形成的不規(guī)則圖形，少部分呈現(xiàn)細(xì)長橢圓形孔洞，這主要是與火山石形成時(shí)，巖漿中的氣泡溢出有關(guān)。正是因?yàn)榛鹕绞砻孑^多的孔隙，使得火山石表觀密度低于石灰石，吸水率高于石灰石。

圖1 騰沖火山石外觀形貌

圖2 工業(yè)顯微鏡下火山石的表面孔洞

依據(jù)GB/T 14685—2022《建設(shè)用卵石、碎石》測試火山石和石灰石的吸水率，結(jié)果見圖3。

圖3 火山石和石灰石的吸水率

由圖3 可見，火山石的吸水速度快，0.5 h 吸水率已經(jīng)達(dá)到24 h 吸水率的92%，說明火山石的孔洞多為大孔、開孔。

火山石和石灰石粗集料的基本物理性能見表3，火山石粗集料的主要化學(xué)成分見表4，顆粒級配見表5，為更好地對比火山石與石灰石各項(xiàng)性能及配制成混凝土后的差異，同時(shí)考慮級配不同會影響到對比結(jié)果，故用于配制石灰石混凝土所用石灰石的級配均為按照火山石級配通過篩分重新調(diào)配而成。

表3 火山石與石灰?guī)r粗集料的基本物理性能

表4 火山石粗集料的主要化學(xué)成分%

表5 火山石粗集料的顆粒級配

1.2 試驗(yàn)方法

混凝土拌合物性能、抗壓強(qiáng)度、自收縮、干燥收縮性能分別依據(jù)GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》、GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》、GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測試。

根據(jù)JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》，采用質(zhì)量法進(jìn)行火山石混凝土配合比設(shè)計(jì)，結(jié)合工作性能，對配合比的水膠比、砂率等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。

為更好地比較石灰石混凝土與火山石混凝土的各項(xiàng)性能的差別，先對火山石混凝土進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，制得火山石混凝土（HC 系列）；然后采用石灰石等體積替代火山石，制得石灰石混凝土（SC 系列）；預(yù)濕骨料是將火山石預(yù)濕至飽和面干狀態(tài)，具體預(yù)濕工藝：提前將火山石粗骨料在水中浸泡24 h，攪拌前，將瀝水后的火山石骨料擦至飽和面干狀態(tài)，攪拌時(shí)將預(yù)濕火山石骨料、細(xì)骨料、水泥、礦物摻合料一起投入攪拌機(jī)干拌1 min，再加入拌合用水和減水劑繼續(xù)攪拌2 min，制得預(yù)濕火山石混凝土（YHC 系列）。各組混凝土制備過程中，通過調(diào)整減水劑摻量，使混凝土初始坍落度保持在（200±20）mm，具體配合比見表6，編號后面數(shù)字代表混凝土強(qiáng)度等級。

表6 火山石混凝土與石灰石混凝土配合比 kg/m3

2 結(jié)果分析與討論

2.1 工作性能分析

火山石混凝土與石灰石混凝土的工作性能見表7。

表7 火山石混凝土與石灰石混凝土的工作性能

由表6、表7 可知，相同條件下，通過適當(dāng)增加減水劑摻量能使得火山石混凝土獲得較大的坍落度和擴(kuò)展度。對比預(yù)濕火山石混凝土的工作性能可知，相近的工作性能下，預(yù)濕火山石可以將減水劑摻量降到石灰石混凝土相當(dāng)?shù)乃?。C30、C40 火山石混凝土與石灰石混凝土1 h 坍落度損失較小。這是由于騰沖火山石的孔洞主要為大孔且孔隙較多，使得火山石的吸水速率較快，這就導(dǎo)致火山石在攪拌過程中已經(jīng)吸水接近飽和，之后在1 h 靜置過程中，再次吸收拌合用水量很少，故坍落度損失較小。

2.2 抗壓強(qiáng)度分析

火山石混凝土與石灰石混凝土的抗壓強(qiáng)度見表8。

表8 火山石混凝土與石灰石混凝土的抗壓強(qiáng)度

由表8 可知，未預(yù)濕火山石混凝土各齡期抗壓強(qiáng)度要高于石灰石混凝土，盡管預(yù)濕火山石混凝土各齡期抗壓強(qiáng)度相對于未預(yù)濕火山石混凝土有所下降，但仍與石灰石混凝土相當(dāng)。主要是由于火山石多孔、高吸水率的特點(diǎn)，在相同用水量情況下，未預(yù)濕的火山石骨料攪拌時(shí)吸收了拌合用水，使得未預(yù)濕火山石混凝土實(shí)際水膠比小于設(shè)計(jì)水膠比，C40、C30 混凝土水膠比分別由設(shè)計(jì)的0.40、0.55 降到約為0.39、0.49，預(yù)濕飽和的火山石混凝土不再吸收拌合用水，故水膠比基本沒有變化，導(dǎo)致未預(yù)濕火山石混凝土的抗壓強(qiáng)度高于預(yù)濕火山石混凝土與石灰石混凝土；另一方面，火山石所吸附的水也可以對混凝土起到一定的內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用，有利于強(qiáng)度發(fā)展[4]。尤其是對于C30 強(qiáng)度等級，火山石混凝土各齡期抗壓強(qiáng)度高于石灰石混凝土的規(guī)律更為明顯，而對于C40 強(qiáng)度等級，火山石混凝土的抗壓強(qiáng)度略高于石灰石混凝土。在低強(qiáng)度火山石混凝土中，火山石骨料多，吸水導(dǎo)致水膠比減小的優(yōu)勢明顯，是火山石混凝土強(qiáng)度高于石灰石混凝土強(qiáng)度的主要原因。到C40 強(qiáng)度等級甚至更高強(qiáng)度等級時(shí)，火山石吸水使得水膠比減小的優(yōu)勢較C30 強(qiáng)度等級減少。由表3 可知，火山石與石灰石的壓碎指標(biāo)分別為15%與8%，說明火山石骨料沒有石灰石堅(jiān)固，強(qiáng)度同時(shí)受到骨料的限制，故28 d 前火山石混凝土強(qiáng)度相對于石灰石混凝土增長不明顯。至90 d 齡期，由于火山石吸附的水釋放，起到內(nèi)養(yǎng)護(hù)效果，強(qiáng)度得到一定提高[4]。

2.3 自收縮與干燥收縮分析

自收縮是指混凝土在與外界無物質(zhì)交換的條件下，膠凝材料的水化反應(yīng)引起的毛細(xì)孔負(fù)壓和內(nèi)部相對濕度降低導(dǎo)致的宏觀體積的減小。由于測試C30 強(qiáng)度等級對應(yīng)的火山石混凝土和石灰石混凝土的自收縮基本為零，故本文僅對C40 混凝土的自收縮進(jìn)行比較。干燥收縮指混凝土置于低于混凝土濕度的環(huán)境中時(shí)，水化硅酸鈣物理吸附水損失導(dǎo)致了收縮應(yīng)變?；鹕绞炷僚c石灰石混凝土早期自收縮率、干燥收縮率分別如圖4、圖5 所示。

圖4 火山石混凝土與石灰石混凝土的自收縮

圖5 火山石混凝土與石灰石混凝土的干燥收縮

由圖4 可見，C40 強(qiáng)度等級未預(yù)濕火山石混凝土、預(yù)濕火山石混凝土和石灰石混凝土3 d 自收縮率分別為1.75×10-4、0.68×10-4和0.73×10-4，C40 未預(yù)濕火山石混凝土自收縮約為石灰石混凝土的2.4 倍，且早期自收縮發(fā)展更快。其主要的原因是火山石吸水導(dǎo)致實(shí)際水膠比小于石灰石混凝土。水膠比小的混凝土漿體相對密度高，細(xì)毛細(xì)孔數(shù)量相對增加，使得火山石混凝土自收縮大于石灰石混凝土[14-15]；另一方面，火山石表面的孔洞被水泥漿漿體填補(bǔ)，使得同體積火山石混凝土進(jìn)行水化反應(yīng)的漿體體積大于石灰石混凝土，故其最終自收縮率大于石灰石混凝土[16]。

預(yù)濕骨料后的火山石混凝土能夠有效降低早期自收縮，其自收縮率較石灰石混凝土更低。這是因?yàn)轭A(yù)濕骨料至飽和面干狀態(tài)，骨料不再吸收拌合用水，實(shí)際水膠比并未減小，故自收縮小于未預(yù)濕的火山石混凝土。同時(shí)預(yù)濕后的火山石起到內(nèi)養(yǎng)護(hù)的作用，向周圍釋放水分，減少細(xì)毛細(xì)孔數(shù)量，使得預(yù)濕后的火山石混凝土自收縮發(fā)展較石灰石混凝土緩慢。說明預(yù)濕火山石骨料，能夠有效解決火山石混凝土早期自收縮大的問題。

由圖5 可見，在粗集料相同時(shí)，前28 d，C40 混凝土干燥收縮較C30 混凝土發(fā)展得更快。這主要是因?yàn)?，水泥用量和水膠比對混凝土干燥收縮影響不是直接的。因?yàn)樗酀{體體積的增加意味著骨料體積分?jǐn)?shù)降低，因此混凝土中受水分影響的變形相應(yīng)增大，C40 強(qiáng)度等級的水泥漿體體積大于C30強(qiáng)度等級的水泥漿漿體，故收縮更大[16]。而28 d 后，C30 混凝土干燥收縮發(fā)展比C40 混凝土快，這主要是由于在早期的強(qiáng)度發(fā)展中，混凝土靠近表層的水分蒸發(fā)完后，內(nèi)部水分向表層方向遷移，而C40 混凝土較C30 混凝土更致密，水分遷移緩慢，故C40 混凝土在長齡期干燥收縮發(fā)展速度減慢[17-18]。

由圖5 還可以看出，粗集料不同、強(qiáng)度等級相同時(shí)，未預(yù)濕火山石混凝土與預(yù)濕火山石混凝土的干燥收縮相當(dāng)，且均大于石灰石混凝土，180 d 齡期時(shí)，約高出40×10-6，前28 d 齡期收縮速率也快于石灰石混凝土。這是由于火山石表面的孔洞被水泥漿漿體填補(bǔ)，使得單位體積的火山石混凝土水泥漿漿體的用量大于石灰石混凝土，故其最終收縮率也大于石灰石混凝土[16]。盡管火山石混凝土干燥收縮大于石灰石混凝土，但是相比較于自收縮，180 d 高出的收縮率僅為3 d 自收縮的一半，且干燥收縮主要發(fā)生在28 d 齡期前，故對于火山石混凝土應(yīng)更關(guān)注其早期自收縮和早期的養(yǎng)護(hù)。

3 結(jié) 論

（1）騰沖火山石可以參考普通混凝土進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)?；鹕绞梢耘渲瞥鯟40 強(qiáng)度等級混凝土。對于C30、C40 強(qiáng)度等級，配合比相同情況下，火山石混凝土強(qiáng)度高于石灰石混凝土。

（2）火山石表面孔隙直徑較大，多為2~5 mm，分布多，吸水速率快，0.5 h 吸水率就達(dá)到24 h 吸水率的92%，故火山石混凝土在攪拌時(shí)已經(jīng)吸水接近飽和，對混凝土坍落度損失影響小。

（3）火山石混凝土的自收縮、干燥收縮均大于石灰石混凝土。實(shí)際工程應(yīng)更加關(guān)注火山石混凝土早期的養(yǎng)護(hù)，避免因早期養(yǎng)護(hù)不當(dāng)而發(fā)生開裂。

（4）通過預(yù)濕火山石至飽和面干狀態(tài)，在強(qiáng)度并未下降太多的情況下，可以有效減少火山石混凝土的減水劑用量，降低早期自收縮。