天然火山灰質巖摻合料鐵路混凝土試驗研究

何忠海

(中鐵十二局集團第一工程有限公司 陜西西安 710038)

1 引言

碳達峰、碳中和雙碳目標下發展綠色混凝土是當前建筑行業的責任所在。為降低水泥用量，綠色建材技術、綠色礦物摻合料應運而生。?；郀t礦渣粉(礦渣粉)、粉煤灰、硅灰等作為水泥混凝土用礦物摻合料已廣泛應用?；炷林屑尤氲V物摻合料可降低成本、提高耐久性能及改善工作性能。近年來粉煤灰、礦渣粉供應日趨緊張，某些地區價格已遠超過水泥價格，且品質變差、不穩定，對混凝土帶來諸多不確定因素。在此背景下，將火山灰質巖等天然材料加工成礦物摻合料意義重大。制備天然火山灰質巖礦物摻合料，一定程度上緩解了礦渣粉、粉煤灰供應緊張問題，成品到站價格低，且綠色環保，具有重要的經濟效益和社會效益。

云南保山地區天然火山巖儲量豐富，以凝灰巖、浮石、安山巖和玄武巖為主。其主要化學成分為SiO2、Al2O3和 Fe2O3等，占比 80%以上，其中SiO2含量占60%左右[1]?；钚缘V物與水泥水化產物Ca(OH)2反應生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等膠凝物質，即為“火山灰效應”。

2 火山灰質巖礦物摻合料國內外研究與應用概況

在國外，有許多應用火山灰質巖礦物摻合料的大型工程實例，著名的羅馬萬神殿就大量應用火山灰質材料；美國從1910年就開始大量應用天然火山灰于大壩、橋梁等大型工程；希臘、德國、羅馬尼亞、俄羅斯等國家也有大量應用實例。我國中交集團在肯尼亞蒙內鐵路和內馬鐵路混凝土中成功應用了火山灰質礦物摻合料[2]。

國內應用，主要有滇西南地區的龍江[3]、檳榔江和瑞麗江等水電站大壩混凝土[4]，賽格怒江大橋C50預應力混凝土[5]和大瑞鐵路軟基處理CPG樁。鐵路工程橋梁、隧道混凝土暫無應用先例。為簡化表述，下文將天然火山灰質巖礦物摻合料簡稱為火山灰。

國內學者對火山灰摻合料進行了許多研究，周世華等通過試驗分析火山灰與粉煤灰相似，具有形態效應、微集料效應和火山灰效應。安愛軍，周永祥等以國際化鐵路內蒙鐵路為背景對火山灰進行了系統研究。王稷良等[6]研究了火山灰在機制砂混凝土的應用。陶元洪等[7]提出火山灰與粉煤灰雙摻，混凝土的泌水率、含氣量和粘度可得到明顯改善。董蕓等[8]研究了不同巖性的火山灰對堿骨料反應的抑制作用，得出浮石效果最好，然后依次為氣孔玄武巖、氣孔安山巖、安山玄武巖、凝灰巖和玄武巖。岳新興等[9]研究提出火山灰宜與粉煤灰復合使用，火山灰摻量建議為10% ～20%。魯愛民研究了火山灰在C50預應力混凝土梁中的應用，并取得了良好的經濟效益。

3 火山灰與粉煤灰物理性能對比研究

表1為火山灰和粉煤灰物理性能試驗對比結果?？梢?，火山灰物理性能較好，28 d活性指數略高于F類Ⅰ級粉煤灰，“火山灰效應”明顯，說明火山灰主要化學成分中SiO2和Al2O3能提高礦物摻合料的活性指數?；鹕交业膩喖姿{MB值較小，說明其中吸附性礦物含量較少?；鹕交医涍^磨制加工，由形狀不規則、大小不一的顆粒組成，而Ⅰ級粉煤灰中玻璃微珠含量大于70%，因此火山灰的流動度比小于粉煤灰?；鹕交壹毝却笥冖窦壏勖夯业h小于Ⅱ級粉煤的指標要求，可見火山灰有“微集料效應”。

表1 摻合料物理性能檢驗結果

4 配合比設計與試驗

4.1 配合比設計

混凝土基準配合比設計為:膠凝材料∶細骨料∶粗骨料∶減水劑∶水 ＝420∶792∶1 049∶4.20∶155。根據膠凝材料種類和摻合料摻量不同設計5組配合比，編號分別為 CSN(純水泥)、HSH-1(火山灰摻20%)、HSH-2(火山灰摻 30%)、HSH-3(火山灰摻40%)、FMH-1(粉煤灰摻30%)；水膠比、用水量、砂率和設計容重均相同。為減少試驗工作量，HSH-3未制作劈裂抗拉強度和抗壓彈性模量試件。

原材料:采用F類Ⅰ級粉煤灰、火山灰、P.O42.5散裝水泥、白云巖機制中砂、5～31.5 mm石灰巖碎石、聚羧酸高性能減水劑和飲用自來水。

4.2 混凝土拌合物性能試驗

由表2可知:

表2 混凝土拌合物性能試驗結果

(1)混凝土工作性能良好，混凝土的包裹性、流動性、保水性和保坍性甚至接近于F類Ⅰ級粉煤灰混凝土?；鹕交业男螒B效應在混凝土拌合物工作性能中表現出潤滑作用，混凝土擴展度大、倒置坍落度排空時間小，體現出火山灰相比粉煤灰同樣具有“形態效應”。經測試火山灰混凝土拌合物性能滿足混凝土施工要求，尤其是倒置坍落度排空時間7 s左右，混凝土可泵性能良好。

(2)兩種摻合料對混凝土的含氣量影響較大，相較于純水泥摻入摻合料后含氣量明顯降低，但火山灰與粉煤灰含氣量接近?；炷僚浜媳仍嚢钑r要考慮火山灰摻入對混凝土含氣量的影響，以免影響混凝土的力學性能和耐久性。

4.3 混凝土力學性能試驗

(1)由圖1不同齡期混凝土抗壓強度增長曲線可知，火山灰混凝土早期抗壓強度高于粉煤灰，28 d后抗壓強度與粉煤灰混凝土相比增長較慢，說明火山灰的“二次水化反應”程度略遜于粉煤灰。

(2)圖2表明，火山灰摻量對抗壓強度影響顯著，火山灰摻量40%其抗壓強度明顯低于20%摻量。根據試驗結果和相關文獻，摻量宜為15% ～20%。隨著火山灰摻量的增加，火山灰-水泥膠凝材料體系凝結時間越來越短，在摻量小于50%時促凝作用為主導，而摻量過大時緩凝作用才逐漸得以體現[10]。

(3)由表3可知，混凝土劈裂抗拉強度和抗壓彈性模量增長趨勢與混凝土抗壓強度值基本一致。早期強度和彈性模量因火山灰促進水泥的水化反應增長速度比粉煤灰快，后期強度和彈性模量因火山灰的“二次水化反應”其效果遜于粉煤灰。摻量30%火山灰混凝土28 d劈裂抗拉強度(軸心抗拉強度折算系數0.8)和抗壓彈性模量值滿足C40及以下混凝土結構設計要求。

表3 硬化混凝土力學性能試驗結果

(4)混凝土力學性能試驗說明:火山灰的“火山灰效應”明顯，且火山灰填充效果好，對混凝土強度增長影響顯著，是一種優質的礦物摻合料。

4.4 混凝土耐久性能試驗

由表4混凝土耐久性能試驗結果可知，摻合料對混凝土電通量和氯離子滲透系數影響較大，摻火山灰混凝土電通量值比摻粉煤灰要高，但明顯比純水泥混凝土低。兩種摻合料的試驗結果氯離子滲透系數接近?；鹕交液头勖夯业摹盎鹕交倚奔啊拔⒓闲泵黠@，使電通量值顯著降低，氯離子滲透系數也明顯降低。電通量滿足設計使用年限100年C35～C45混凝土要求[11]?；鹕交以诟纳苹炷羶炔靠紫督Y構作用方面與粉煤灰混凝土有一定差距，但明顯優于純水泥混凝土。表明火山灰具有與粉煤灰同樣的“微集料效應”和“火山灰效應”，提高了混凝土的密實性[12]。

表4 混凝土56 d耐久性能試驗結果

火山灰混凝土抗滲性有明顯提高，摻30%火山灰與30%粉煤灰抗滲性能相當，但摻40%火山灰其抗滲性反而降低，究其原因為摻量過大導致“二次水化反應”時間變長，但其后期抗滲性仍會繼續增長。

4.5 火山灰混凝土應用試驗

在某鐵路項目路基重力式擋土墻施工中，應用配合比HSH-2進行澆筑試驗。混凝土工作性能良好，混凝土擋墻顏色一致，無蜂窩麻面和開裂等質量缺陷，回彈強度滿足設計要求。經測試環境溫度、表層溫度和芯部溫度的溫差以及芯部最高溫度均符合鐵路混凝土驗標要求，說明火山灰起到降低混凝土水化熱的作用。

5 結論

(1)綜合試驗數據可知，火山灰摻合料和粉煤灰各項性能較為接近，部分指標甚至優于粉煤灰。火山灰與粉煤灰、石灰石粉等優質摻合料復合使用效果會更好。隨著西部地區鐵路建設，火山灰質巖礦物摻合料不失為一種好的選擇。

(2)火山灰原材料儲量大、分布廣，緩解了礦渣粉、粉煤灰的供應緊張問題。就地取材、減少運輸成本、加工成本低，有效降低了混凝土成本?；鹕交铱筛纳苹炷凉ぷ餍?、降低水化熱、提高密實性，其混凝土拌合物力學性能和耐久性滿足一般鐵路混凝土要求。

(3)不同地區和種類的火山灰有不同特性，因火山巖形成年代、地質條件和環境不同，外觀形貌方面和材料基本性能差別很大，對混凝土拌合物性能和耐久性等影響也不盡相同。加工火山灰摻合料時要進行詳細調查和全面試驗檢驗，必要時先磨制小樣進行混凝土試拌再決定后續能否生產加工。