火山灰的摻入對水泥漿流動性和強度影響研究

陳嘉健

摘 要：火山灰于混凝土生產中的作用可概括為經濟效益和社會效益兩方面，前者體現為火山灰可以替代粉煤灰、礦粉等常規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濟效益；后者體現為火山灰若得不到合適應用或處理，可以深入人體的呼吸道，誘發肺部和呼吸道疾病。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度實驗測試，發現在低水灰比情況下摻入火山灰能對混凝土性能的提高有較顯著作用。

關鍵詞：混凝土；火山灰；流動性；強度

從成因來分類，火山灰可分為天然火山灰和人造無機材料，其中天然火山灰是火山運動過程中噴發出天然火山碎石和礦物質顆粒經磨細而成的材料。在混凝土工業上，火山灰由于和水泥、石灰一樣具有膠凝特性，可與水可發生水化反應生成水化硅酸鈣、氫氧化鈣等水化產物，并能凝結硬化具有一定強度，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用于粉煤灰、礦粉等摻合料匱乏地區的土建工程建設中，具有顯著經濟效益和社會效益。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度影響作了實驗測試。

1 實驗方案

1.1 材料

水泥采用52.5N水泥，實驗測得該水泥28天強度測得為59.0MPa。火山灰為廣東佛山本地市場購買所得材料。其顆粒粒徑分布經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分鐘內進行，整個試驗過程中實驗室溫度控制在20±2°C。水泥漿試樣的抗壓強度用70.7mm立方體試樣7天強度測定。

2 結果

火山灰的摻入對流動性影響結果示于圖2。測試結果表明，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生的有利效應高于對增大比表面積而帶來的不利效應，總體體現為對流動性的增大；而當水灰比較低時，火山灰的摻入對增大比表面積而帶來的不利效應比提高了顆粒填充密度提高對流動性產生的有利效應更為顯著，總體體現為對流動性的減少。

在混凝土礦物摻合料性能中，活性為重要一個指標。火山灰的摻入對抗壓強度影響結果示于圖3。測試結果表明，在水灰比低于0.60時，摻入不高于15% 火山灰時能提高強度；在水灰比為0.55左右時，摻入不高于15% 火山灰對強度影響不大；在水灰比高于0.65時，摻入不高于15% 火山灰會降低強度。火山灰的摻入對水化反應進程產生影響，對混凝土硬化后強度產生貢獻。當然對強度的貢獻是通過火山灰反應來影響作用的。一次水化中單位質量的水泥會釋放出游離鈣。當游離鈣與液相水分接觸，會生成堿性激發劑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生二次水化反應生成額外水化硅酸鈣產物。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度效果。

火山灰的摻入對粘聚性影響結果示于圖4。測試結果表明，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相當高甚至接近100%，測試結果對粘聚性的表現已不敏感。

3 水泥混凝土中摻加火山灰的顆粒學理論

宏觀角度看，混凝土可以被認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。水泥顆粒遠比細骨料顆粒細，在沒礦物摻合料情況下水泥顆粒直接填充細骨料間的空隙。若火山會細度在再細骨料和水泥之間，約100微米左右，火山灰顆粒可以先填充細骨料間的孔隙，水泥再填充火山灰間的孔隙，利用火山灰的“擠占”效應提高混凝土固體顆粒整體的填充密度。若火山灰能磨細到比水泥還細，火山灰顆粒則可以進一步填充水泥間的孔隙，利用火山灰的“填充”效應亦能提高混凝土固體顆粒整體的填充密度。應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，水泥漿可以被認為是由水泥、火山灰等火山灰材料固體微粒和水兩部分構成。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一樣，由較小粒徑顆粒產生的連續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。因為水需要先填充火山灰材料部分的孔隙，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。此種填充效應理論實質上是Powers理論在微觀結構方面的延伸。然而，在應用宏觀和微觀填充效應時不同的是，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象很難同樣用干測量法來有效準確測量。

4 火山灰于混凝土生產中的應用前景討論

火山灰混凝土的開發與應用一方面可以因地制宜合理利用天然火山灰材料，節約大量的運輸費用，另一方面采用所制備的摻合料替代常規礦物摻合料，可以減少建筑業對粉煤灰、礦粉等的消耗，緩解常規摻合料資源日趨匱乏的壓力。在滿足質量要求的前提下，火山灰碾壓混凝土較普通混凝土大約每立方米可節省二十元，因此對于用量巨大的道路工程其累計節約成本是非常巨大的，因而火山灰利用的經濟效益非常顯著。同時火山灰的利用可以降低由于外地運輸粉煤灰、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濟效益。

大量火山灰資源循環利用還有利于環境保護，獲得顯著社會效益。細微顆粒的火山灰隨空氣流動或者大風吹拂會彌漫在空氣當中污染大氣，對人類居住、工作環境帶來惡劣影響。此外，細小的火山灰顆粒可以深入人體的呼吸道，甚至達到細支氣管和肺部，損傷人體心肺功能，誘發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。因此合理處理火山灰資源與環境的協調相容性，其生態環保社會效益非常顯著。

5 結論

本項目配制了16組配比的火山灰水泥漿，并系統測量了其流動性和強度。實驗結果表明，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度，然而在較高水灰比時，火山灰的摻入會降低強度。然而，值得注意的是火山灰的摻入可能削弱粘聚性。總體來說，在低水灰比情況下摻入火山灰能對混凝土性能的提高有較顯著作用。

參考文獻

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