天然火山灰與粉煤灰復摻對混凝土工作性能的影響

陶元洪 ，徐 鑫，吳振興，宋普濤

(1.中國路橋工程有限責任公司，北京 100011；2.中交隧道工程局有限公司，北京 100102；3.中國建筑科學研究院，北京 100013)

內馬鐵路是繼蒙內鐵路之后完全采用中國標準設計施工的又一條國際干線鐵路。由于肯尼亞工業落后，缺乏粉煤灰、磨細礦渣粉、硅灰等傳統礦物摻合料，使得工程配制鐵路高性能混凝土變得困難。內馬鐵路沿線分布有豐富的天然火山灰資源，天然火山灰具有與粉煤灰相近的化學成分，能夠與水泥水化產物氫氧化鈣發生二次水化反應，其包括火山灰、浮石、沸石、凝灰巖、硅藻土、硅藻石以及蛋白石等，開發利用這些天然火山灰，可以就地取材，有效緩解內馬鐵路對混凝土礦物摻和料的需求，節省水泥用量，提高混凝土性能[1-7]，降低工程建設成本。為促進天然火山灰的應用，該文研究了天然火山灰與粉煤灰組成的摻合料體系對混凝土工作性能的影響。

1 試 驗

1.1 原材料

1)水泥 采用肯尼亞拉法基集團控股Bamburi水泥廠生產的CEM Ι 42.5水泥，生產執行的標準為EN 197-1，初凝135 min，終凝178 min，3 d和28 d抗壓強度分別為22.2 MPa、55.8 MPa，比表面積315 m2/kg。

2)粉煤灰 采用印度I級粉煤灰，細度 (45 μm篩余)10.1%，需水量比85%，燒失量1.45%。

3)細骨料 機制砂和河砂1∶1混合，細度模數2.6，石粉含量6.8。

4)粗骨料 5～20 mm連續級配碎石，巖性為玄武巖，母材強度140 MPa，表觀密度2 740 kg/m3，吸水率1.1%，壓碎值7%，針片狀含量4%。

5)減水劑 國內某聚羧酸減水劑，固含量31%，減水率28.5%。

1.2 試驗配合比

火山灰與粉煤灰分別按照(30%、0)，(20%、10%)，(10%、20%)，(0、30%)的比例等質量取代水泥時。C35混凝土試驗配合比見表1，C45混凝土試驗配合比見表2。

表1 C35混凝土試驗配合比

表2 C45混凝土試驗配合比

1.3 方法

初始坍落度/擴展度、經時坍落度/擴展度、凝結時間、含氣量、容重和壓力泌水率、倒置坍落度筒排空時間參照GB/T50080規定的試驗方法進行。粘度參照《黏度測試方法》GB10247規定的試驗方法進行。

2 結果與分析

C35混凝土的拌合物性能試驗結果見表3及圖1、圖2所示。C45混凝土的拌合物性能試驗結果見表4及圖3、圖4所示。

表3 C35混凝土拌合物性能試驗結果

編號壓力泌水率/%倒筒時間/s含氣量/%凝結時間(h∶min)初凝終凝K125142.68 h 45 min12 h 35 minK218171.99 h 35 min14 h 10 minK313142.59 h 45 min14 h 15 minK414132.89 h 45 min14 h 20 minK516103.39 h 55 min14 h 35 min

表4 C45混凝土拌合物性能與抗壓強度試驗結果

2.1 壓力泌水率

由表3及表4中壓力泌水率試驗結果可知：1)C35混凝土的壓力泌水率隨著摻合料的摻入而降低；2)與火山灰相比，粉煤灰的摻入更有利于混凝土拌合物壓力泌水率的降低；3)雙摻火山灰與粉煤灰可進一步降低混凝土拌合物的壓力泌水率，在摻入質量相同的情況下，雙摻粉煤灰與火山灰比單摻對壓力泌水率的降低作用更明顯，火山灰與粉煤灰質量比例為1/2及2/1時混凝土拌合物的壓力泌水率最低僅為10%；4)摻合料對C45混凝土拌合物壓力泌水率的影響規律與C35混凝土相同，與C35混凝土相比，C45混凝土拌合物的壓力泌水率更低。

2.2 倒筒時間

由表3及表4中倒筒時間試驗結果可知：粉煤灰與火山灰的摻入對混凝土拌合物壓力泌水率的影響規律與其對混凝土倒筒時間的影響規律相同。1)倒筒時間隨著摻合料的摻入而降低；2)摻粉煤灰的混凝土拌合物倒筒時間更低；3)火山灰與粉煤灰質量比例為1/2及2/1時混凝土拌合物的倒筒時間相近，兩者大于單摻粉煤灰的混凝土拌合物的倒筒時間，但均小于單摻粉煤灰的混凝土拌合物倒筒時間；4)摻合料對C45混凝土拌合物倒筒時間的影響規律與C35混凝土相同，但C45混凝土拌合物的倒筒時間相對更低。

2.3 含氣量

表3及表4中含氣量試驗結果表明：1)粉煤灰的摻入可提高混凝土拌合物的含氣量，火山灰的摻入使混凝土拌合物的含氣量降低，雙摻火山灰與粉煤灰可使混凝土拌合物含氣量控制在較為適中的范圍。2)與C35混凝土相比，火山灰與粉煤灰的摻入對混凝土拌合物含氣量的影響更為明顯，粉煤灰與火山灰按照1/2及2/1的質量比例取代水泥時，C45混凝土拌合物的含氣量仍高于未摻火山灰與粉煤灰的混凝土拌合物，而C35混凝土拌合物的含氣量則與未摻火山灰及粉煤灰的混凝土拌合物含氣量相當。

2.4 凝結時間

表3及表4中凝結時間試驗結果表明：1)火山灰與粉煤灰的摻入使混凝土初凝時間及終凝時間延長，兩者的“火山灰”效應延遲了漿體中膠凝材料體系的的水化反應歷程，鈣礬石等水化產物生成時間更久，混凝土凝結時間延長；2)與火山灰相比，粉煤灰的摻入對混凝土凝結時間影響更明顯；3)與C35混凝土相比C45混凝土的初凝時間和終凝時間相當更短，但兩者凝結時間均能滿足施工要求。

2.5 坍落度和擴展度

由圖1及圖3試驗結果可知：1)火山灰及粉煤灰的摻入使混凝土拌合物的坍落度增大，拌合物擴展度增加；2)粉煤灰的摻入對混凝土拌合物的坍落度及擴展度影響更敏感，與火山灰相比粉煤灰的摻入可進一步提高混凝土拌合物的坍落度及擴展度；3)火山灰與粉煤灰的摻入對C35混凝土拌合物坍落度及擴展度的影響規律與其對C45混凝土拌合物的影響規律一致，與C35混凝土相比，等比例取代水泥后，C45混凝土拌合物的初始坍落度及擴展度更大；4)雙摻火山灰與粉煤灰時，混凝土拌合物的坍落度與擴展度均大于單摻火山灰的混凝土拌合物，略低于單摻粉煤灰的混凝土拌合物，但混凝土拌合物的坍落度經時損失及擴展度經時損失均得到降低，火山灰與粉煤灰按照2/1的比例摻配時混凝土拌合物的坍落度及擴展度經時損失量最小。

粉煤灰的“滾珠效應”及雙摻火山灰與粉煤灰的“微集料”填充效應增加了混凝土拌合物體系的有效水膠比，混凝土流動性提高，坍落度及擴展度更大。火山灰與粉煤灰的“火山灰”效應使膠凝材料體系的水化速率降低，因水化需水引起的自由水數量減少速度降低；火山灰與粉煤灰的摻入對混凝土和易性的改善使混凝土拌合物保水性提高，拌合物漿體中自由水分散失速率降低，兩者共同作用使得混凝土流動度經時變化量減小。

2.6 混凝土粘度

由圖2及圖4試驗結果可知：1) C35混凝土拌合物與C45混凝土拌合物的粘度值均隨火山灰的摻入增大，且隨粉煤灰的摻入降低；2)雙摻火山灰與粉煤灰可使混凝土拌合物粘度適中，避免因粘度過大可能造成混凝土輸送困難以及粘度過小導致的混凝土粘聚性降低，易出現分層、離析等問題。粉煤灰與火山灰的形貌效應，微集料填充效應等共同作用影響混凝土拌合物的粘度。

3 結 論

a.混凝土的壓力泌水率隨著摻合料的摻入降低，與火山灰相比，粉煤灰的摻入更有利于混凝土拌合物壓力泌水率的降低，雙摻火山灰與粉煤灰可進一步降低混凝土拌合物的壓力泌水率；倒筒時間隨著摻合料的摻入降低，摻粉煤灰的混凝土拌合物倒筒時間更低。

b.粉煤灰的摻入可提高混凝土拌合物的含氣量，火山灰的摻入使混凝土拌合物的含氣量降低，雙摻火山灰與粉煤灰可使混凝土拌合物含氣量控制在較為適中的范圍。

c.火山灰及粉煤灰的摻入使混凝土拌合物的坍落度增大，拌合物擴展度增加，粉煤灰的摻入對混凝土拌合物的坍落度及擴展度影響更敏感，與火山灰相比粉煤灰的摻入可進一步提高混凝土拌合物的坍落度及擴展度。

d.C35混凝土拌合物與C45混凝土拌合物的粘度值均隨火山灰的摻入增大，且隨粉煤灰的摻入降低，雙摻火山灰與粉煤灰可使混凝土拌合物粘度適中。

[1] 周永祥,王永海.水泥砂漿和混凝土用天然火山灰質材料JG/T 315—2011解讀[J].施工技術,2012,41(365):83-86.

[2] 董 蕓，楊華全，李鵬翔.天然火山灰質材料對骨料堿活性的抑制研究[J].混凝土,2011(11):77-80.

[3] 陶元洪,夏京亮,王 偉,等.蒙內鐵路工程混凝土早期收縮和抗裂研究[J].建材世界,2015(6):29-31.

[4] Jamal Shannag M,Asim Yeginobali.Properties of Pastes,Mortars and Concretes Containing Natural Pozzolan[J].Cement and Concrete Research,1995,25(3)：647-657.

[5] 陳志國，王哲人，趙長虹.火山灰路面基層路用性能研究及機理分析[J].公路交通科技,2008(8):15-25.

[6] Turanli L,Uzal B,Bektas F.Effect of Material Characteristics on the Properties of Blended Cements Containing High Volumes of Natural Pozzolans[J].Cement and Concrete Research,2004 (34)：2277-2282.

[7] 岳新興,侯 敏,劉 松,等.肯尼亞蒙內鐵路大體積混凝土溫控防裂技術研究[J].建材世界,2016,37(4):20-23.