藏區火山灰用作混凝土摻合料的試驗研究

王 毅, 詹 候 全, 黎 書 然, 何 碧, 楊 忠 義

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

火山灰具有一定的活性，可代替粉煤灰、硅灰、礦渣等礦物摻合料用于混凝土中以降低成本。有研究表明：火山灰早期的填充作用和水化后期的火山灰效應使得復合體系結構更為密實[1]，提高了其抗滲性和抗硫酸鹽侵蝕等耐久性能[2]。因此，火山灰被用于大體積混凝土、自密實混凝土、高性能混凝土、水工建筑以及對耐久性要求較高的構筑物。國內外將火山灰作為摻合料已在水利、水電、道路等工程中得以應用，例如已建成的肯尼亞蒙-內鐵路[3]，賽格怒江大橋[4]以及云南等水電工程[5]。

但西藏地區沒有火電廠，導致藏區混凝土所需的重要原材料——粉煤灰極度匱乏，如果從外地采購其運距較遠，將導致工程成本劇增。隨著國家“碳達峰”“碳中和”戰略的逐步推進，能源結構逐步優化，火電占比逐步減少已成為大趨勢，粉煤灰資源的供應將進一步減少。將來藏區工程要使用粉煤灰摻合料不僅面臨著工程成本的大幅增加，而且其供應亦可能無法得到保障。因此，在當地尋找可替代粉煤灰摻合料的地材對藏區工程建設具有現實意義。

鑒于上述情況，相關技術人員以區域地質調查資料為基礎，結合前人研究成果和相關文獻記載，以川藏鐵路為軸線開展了調查研究。通過現場踏勘、無人機攝像等手段對川藏鐵路沿線主要火山灰料源進行了初步地表地質調查；通過取樣試驗，對主要火山灰料源進行了質量評價并進行了火山灰作為混凝土摻合料的初步可行性試驗。闡述了所進行的研究情況。

2 火山灰資源的調查與評價

根據川藏鐵路沿線區域地層分布和火山灰(巖)巖石建造得知：雅安～瀘定火山灰(巖)分布少，瀘定～金沙江火山灰(巖)總體呈條帶狀斷續分布在康定、理塘、巴塘一帶，金沙江～瀾滄江火山灰(巖)主要呈條帶狀斷續分布在貢覺、察雅一帶，瀾滄江～怒江火山灰(巖)分布少，怒江以西僅在伯舒拉嶺高山一帶呈夾層狀分布。按照火山灰(巖)分布與川藏鐵路的區位關系，本次研究將火山灰資源的分布分為四川雅安～康定、四川康定～巴塘、西藏昌都和林芝四段。

2.1 雅安～康定段火山灰料源調查與質量評價

雅安～康定段選擇了4個料源點，并對每個初選料源點進行了取樣與磨片鑒定、物理力學、化學分析等試驗研究。雅安～康定段火山灰分布圖見圖1，雅安～康定段火山灰性能試驗結果見表1。

圖1 雅安～康定段火山灰分布圖

表1 雅安～康定段火山灰性能試驗結果表

從試驗結果看：雅安～康定段火山灰料源整體質量比較好，活性礦物(SiO2、Fe2O3、Al2O3之和，下同)含量較高、需水量較低、活性指數較高，從各項指標看，其性能與Ⅱ級粉煤灰相當。

2.2 康定～巴塘段火山灰料源調查與質量評價

康定～巴塘段選擇了5處火山灰料源點，取樣15組進行了磨片鑒定、物理力學、化學分析等試驗研究。康定～巴塘段火山灰分布圖見圖2，康定～巴塘段火山灰性能試驗結果見表2。

從試驗結果看：康定～巴塘段火山灰料源活性指數在64%～70%之間，個別料場存在燒失量較大、活性礦物成分較低的問題。

2.3 昌都段火山灰料源調查與質量評價

在昌都段選擇了7處火山灰料源點，取樣17組并進行了磨片鑒定、物理力學、化學分析等試驗研究。昌都段火山灰分布圖見圖3，昌都段火山灰性能試驗結果見表3。

從試驗結果看：昌都段火山灰料源質量參差不齊，貢覺料源點火山灰料源三氧化硫超標、燒失量較大，其火山灰性能較差；車所寺料源點火山灰燒失量較高、需水量較大、活性不高；相對而言，則巴和哈加料源火山灰質量較優，性能與Ⅱ級粉煤灰接近。

圖2 康定～巴塘段火山灰分布圖

圖3 昌都段火山灰分布圖

2.4 洛隆～林芝段火山灰料源調查與質量評價

洛隆～林芝段共完成調查點5處，取樣8組并進行了磨片鑒定、物理力學、化學成分分析等試驗研究。洛隆～林芝段火山灰分布圖見圖4，洛隆～林芝段火山灰性能試驗結果見表4。

表2 康定～巴塘段火山灰性能試驗結果表

表3 昌都段火山灰性能試驗結果表

圖4 洛隆～林芝段火山灰分布圖

從試驗結果看：兩個料源點存在部分樣品燒失量較高的現象，需水量比亦略高，但整體活性較好。

3 火山灰作為混凝土摻合料的試驗研究

通過對川藏鐵路沿線火山灰料源的調查，初步選擇了則巴和金湯河兩個質量較高的料源點進行火山灰作為混凝土摻合料的試驗研究。

3.1 試驗用的原材料及配合比

本次試驗用的水泥為峨勝普硅P·O42.5水泥，粉煤灰為盤南Ⅰ級粉煤灰，骨料為花崗巖骨料，火山灰分別取自則巴料場、金湯河料場。其性能檢測結果見表5～9?；炷敛捎肅35配合比，其試驗配合比見表10。

表4 洛隆～林芝段火山灰性能試驗結果表

表5 水泥物理力學性能試驗結果表

表6 粉煤灰物理化學性能試驗結果表

表7 火山灰物理化學性能試驗結果表

表8 人工砂物理性能表

表9 粗骨料物理性能檢測結果表

表10 試驗配合比表 /kg

3.2 試驗結果

3.2.1 拌合物性能

不同摻合料方案混凝土拌合物性能見表11。從試驗結果看，與Ⅰ級粉煤灰相比，采用火山灰配制的混凝土用水量較高，需提高減水劑摻量。

表11 不同摻合料方案混凝土拌合物性能表

3.2.2 力學性能

不同摻合料方案的混凝土抗壓強度試驗結果見圖5。從試驗結果看：與Ⅰ級粉煤灰相比，采用火山灰配制的混凝土3 d和28 d抗壓強度略高，56 d抗壓強度與Ⅰ級粉煤相當。

3.2.3 耐久性能

不同摻合料方案的混凝土耐久性能見表12。從試驗結果看：采用火山灰配制的混凝土抗凍和抗滲性能與Ⅰ級粉煤灰相當，具有良好的耐久性；采用火山灰配制的混凝土電通量較Ⅰ級粉煤灰高。

4 結 語

以川藏鐵路為軸線對藏區的火山灰料源進行了調查并開展了試驗研究。研究結果表明：川藏鐵路沿線存在豐富的火山灰資源，部分火山灰料源質量較好，其性能與Ⅱ級粉煤灰接近；火山灰作為混凝土摻合料配制的混凝土力學性能與粉煤灰接近，耐久性能優良，具備用于藏區大型基礎設施工程建設的潛力。

圖5 不同摻合料方案的混凝土抗壓強度試驗結果圖

表12 不同摻合料方案的混凝土耐久性能表