摻火山灰與磷渣粉的混凝土性能比較研究

摘要：為進一步豐富水工混凝土摻和料種類，促進新型礦物摻和料的應用，對比研究了摻粉煤灰、火山灰和磷渣粉等不同礦物摻和料混凝土力學、變形和熱學性能。結果表明：與Ⅰ級粉煤灰相比，摻火山灰和磷渣粉混凝土的單位用水量略有增加，早期強度和變形基本相當，但摻磷渣粉混凝土后期強度明顯高于摻火山灰混凝土;粉煤灰、火山灰和磷渣粉的摻入可改變膠凝體系的水化特性，降低水化熱。因此火山灰和磷渣粉作為水工混凝土摻和料在技術上是可行的。

關鍵詞：火山灰; 磷渣粉; 力學性能; 變形性能; 熱學性能

中圖法分類號：TU528 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.S1.015

文章編號：1006 - 0081（2022）S1 - 0050 - 03

0 引 言

隨著水利水電工程建設的蓬勃發展，水工混凝土礦物摻和料的需求量也日益增加。然而，中國粉煤灰與礦渣等傳統礦物摻和料資源空間分布不均勻，很多地區粉煤灰供應緊張，尤其是優質粉煤灰更是供不應求。故因地制宜開發其他新型礦物摻和料或將粉煤灰與其他摻和料以合適比例摻入水泥基材料，已成為水工混凝土摻和料發展的趨勢，一方面可以適當緩解粉煤灰供應緊張問題，另一方面結合其他礦物摻和料的優勢，取長補短，使經過復摻改性后混凝土的各項性能更加優異[1]。

隨著中國水利水電建設逐漸向金沙江、雅礱江和瀾滄江等流域上游轉移，水泥、粉煤灰等大宗建筑材料由于交通不便、距離較遠，到貨價較高。因此，研究將在工程經濟運輸半徑內的可替代粉煤灰作為混凝土摻和料的材料在混凝土中的應用很有意義。在上述地區分布著數量巨大的火山巖，目前，國外開發天然原材料替代水泥作為混凝土摻和料的研究技術已經較為成熟[2-3]，而中國在天然材料作為混凝土摻和料相關方面的技術研究還較少[4-6]。近年來，隨著中國西南水電開發不斷深入，逐步進行了若干研究與實踐。在云南龍江干流十多個中小型電站開展了混凝土摻和料的推廣應用，其中保山臘寨電站23萬m3的重力壩常態混凝土摻用了20%～30%的江騰火山灰，后續成功應用于龍江干流多個水電站工程的常態混凝土壩和碾壓混凝土壩， 所應用的壩型包括雙曲拱壩、 重力壩、碾壓壩等， 并在龍江樞紐水電站工程的115 m高拱壩中得到應用。火山灰摻和料等量取代水泥的比例達到30%～70%[7]。同時，在附近還有一些磷化工企業，磷化工生產過程中產生的磷石膏、磷渣等工業固體廢棄物的堆積不僅會占用土地資源，造成土壤和水資源污染，進而影響企業發展和生態環境，更重要的是給人民群眾的生命財產安全帶來極大隱患[8]。因此，開展火山灰、磷渣粉混凝土性能比較研究，既可以為火山灰和磷渣的應用提供技術支撐，也能為磷渣等工業的固廢處理提供新方向。

1 原材料與試驗方法

試驗采用四川嘉華企業（集團）股份有限公司生產的P·HM42.5中硅酸鹽水泥、珙縣發電廠Ⅰ級粉煤灰、石棉縣康瑞新材料有限公司（1號磷渣粉）和馬邊兩家磷化工企業生產的磷渣（2號磷渣粉和3號磷渣粉），以及理塘縣易成新型建材有限公司生產的火山灰（廠里的原灰為2號火山灰）。水泥、粉煤灰、火山灰和磷渣粉的化學組成見表1。

試驗使用的混凝土基準配合比：三級配混凝土、水膠比0.50、摻粉煤灰混凝土單位用水量100 kg/m³、摻磷渣粉混凝土單位用水量105 kg/m³、摻磷渣粉混凝土單位用水量110 kg/m³，摻和料摻量35%。混凝土彈模、極限拉伸值、干縮和自生體積變形的試驗方法和試驗結果按照DL/T 5150-2017《水工混凝土試驗規程》的有關規定進行處理。

2 試驗結果及分析

2.1 火山灰和磷渣粉對力學性能的影響

摻不同摻和料混凝土的強度和極限拉伸值見表2和圖1。

由表2和圖1可以看出，隨著齡期的延長，常態混凝土強度、極限拉伸值均持續增長。從整體上看，同齡期的不同摻和料混凝土強度、極限拉伸值相差較大。其中，早期摻粉煤灰混凝土強度較高，后期則是摻磷渣粉混凝土。這是由于水化早期，粉煤灰和磷渣粉既有填充的物理效應，又有較好的火山灰反應活性;而火山灰的活性效應很弱且主要起物理填充作用，其細化孔徑、改善孔結構效應弱于粉煤灰和磷渣粉煤。隨著齡期的增長，火山灰效應得到較好地發揮，膠凝體系孔結構均勻性得到顯著提高，平均孔徑明顯細化，水泥-粉煤灰膠凝體系孔結構的致密度優于水泥-火山灰膠凝體系。然而，雖然磷渣作為摻和料摻入到混凝土中會使混凝土早期強度有所降低，但摻量適當時，不僅不會影響混凝土后期強度，甚至能使強度超出不摻磷渣的普通混凝土。這是因為水泥早期水化被抑制，會使其晶體“生長發育”條件好，使水化產物質量顯著提高，水泥石結構更加致密，孔隙率下降，孔徑變小，對混凝土后期強度發展有利，使混凝土后期強度提高。此外，磷渣是具有一定活性的摻和料，其二次水化反應會提高水泥石強度，改善界面過渡區結構和孔徑分布，使混凝土后期強度提高[1]。

2.2 火山灰和磷渣粉對干縮的影響

摻不同摻和料混凝土的干縮見圖2。由圖2可以看出：混凝土強度等級及類型、摻和料品種及摻量、膠材總用量等因素均會影響混凝土的干縮發展。不同摻和料混凝土干縮值仍處于增長趨勢，其中摻火山灰混凝土干縮率略高于摻粉煤灰和磷渣粉混凝土，摻粉煤灰混凝土的干縮最小。摻磷渣粉混凝土早期干縮較大，這可能與磷渣多為玻璃體物質，親水能力較小，泌水較大，且早期水化較慢，所需水化用水亦較少，故可被蒸發水量也較多等原因有關。因此，加強磷渣混凝土的早期養護非常重要。

2.3 火山灰和磷渣粉對熱學性能的影響

摻不同摻和料膠凝材料體系水化熱見表3。由表3可以看出：從7 d齡期內水化熱發展趨勢看，在相同摻量時，水泥-火山灰的二元膠凝體系水化熱最低，粉煤灰次之，磷渣粉最高。這是由于磷渣粉比表面積大，膠凝材料水化熱上升。然而，火山灰會影響水泥水化歷程。火山灰縮短了水泥水化的誘導期，致使其提前進入加速期，促進了水泥早期水化，阻礙其后期水化，這歸因于火山灰對水泥早期水化存在稀釋、微晶核、分散和活性作用，以及對后期水化的屏蔽作用。因此火山灰的早期水化熱高，后期的水化熱低。

3 結 論

（1） 在相同水膠比條件下，單摻磷渣粉混凝土的抗壓強度、劈拉強度、軸拉強度略大于摻粉煤灰和摻火山灰混凝土;摻1號磷渣粉的混凝土抗壓強度、劈拉強度、軸拉強度最高;摻火山灰混凝土的干縮率略大于摻粉煤灰和磷渣粉混凝土。

（2） 摻入粉煤灰、火山灰和磷渣粉，可改變膠凝體系的水化特性，降低水化熱，其中水泥-火山灰膠凝體系7 d水化熱最低。

參考文獻：

[1] 楊華全，董蕓，周世華.水工混凝土礦物摻和料[M].北京：中國水利水電出版社，2017.

[2] KUMAR MEHTA P，MONTEIRO P J M. Concrete Structure，Properties and Materials （2nd Ed）[M].New Jersey：Prentice Hall，1993，271-285.

[3] SMADI M M，HADDAD R H. The use of oil shale ash in Portland cement concrete [J].Cement and Concrete Composites，2003（25）： 43-50.

[4] 馮乃謙.高性能混凝土[M].北京：中國建筑工業出版社，1996.

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[6] 喻樂華，段慶普.珍珠巖摻合料水泥漿體的微孔結構[J].硅酸鹽學報，2006（7）：894-898.

[7] 張眾，李春洪.天然火山灰摻合料在水電工程中的應用 [J].云南水力發電，2009，25（1）：67-71.

[8] 張漢泉，許鑫，胡超杰，等.磷化工固體廢棄物綜合利用技術現狀[J].中國礦業，2021，30（4）：50-55，63.

（編輯：唐湘茜）