掺粉煤灰与天然火山灰碾压混凝土性能对比试验

毕亚丽，彭乃中，冀培民，张 勇

(中国水电顾问集团西北勘测设计研究院，西安 710043)

我国有12个省拥有火山灰资源，并且储量丰富［1］，但由于不同地域火山灰成因各异，其化学成分、矿物组成和物理性能差别较大，对混凝土性能的改善效果也不尽相同，所以火山灰仅在火山灰含量丰富的地区有少量应用，利用水平低［2］。我国西南地区，众多水利水电工程在建或即将建设，作为混凝土掺合料的粉煤灰资源相对紧缺，而云南大理附近有天然火山灰资源。本文通过掺火山灰与粉煤灰碾压混凝土各项性能指标的对比试验研究，为火山灰作为碾压混凝土掺合料的选择提供依据。

1 试验原材料

水泥:云南丽江永保水泥股份有限公司生产的中热42.5水泥，各项性能指标满足《中热硅酸盐水泥GB200－2003》要求。

粉煤灰:昆明环恒Ⅱ级粉煤灰，各项指标满足《用于水泥和混凝土中的粉煤灰GB/T 1596－2005》指标要求。

火山灰:云南大理附近某天然火山灰，其矿物组成经X衍射分析为斜长石、透辉石、钾长石及非晶相，矿石构造特征有气孔、杏仁状或致密构造。将火山灰粉磨成比表面积为412 m2/kg的细粉后进行混凝土性能试验。火山灰各项性能指标满足《用于水泥和混凝土中火山灰混合材GB2847－2005》要求。

骨料:细骨料由正长岩加工而成，细度模数为2.68，石粉(0.16 mm以下颗粒)含量为18.6%，粗骨料由石英粉细砂岩破碎而成。

粉煤灰和火山灰的物理、化学性能测试结果见表1。可以看出:火山灰需水量较粉煤灰的大，碱含量较粉煤灰的高，抗压强度较粉煤灰的低，这将会对混凝土的胶材用量及其它性能产生影响。

表1 粉煤灰、火山灰的物理化学性能测试结果Table 1 Test results of physical and chemical properties of fly ash and pozzolana

2 掺粉煤灰与天然火山灰碾压混凝土性能对比

2.1 拌和物性能

碾压混凝土拌和物性能主要从拌和物和易性、工作度(VC值)、含气量以及凝结时间等指标进行考察。碾压混凝土在单掺粉煤灰(以下简称“全F”)、单掺天然火山灰(以下简称“全H”)及粉煤灰和火山灰复合掺(以下简称“F+H”)时，拌和物性能对比见表2。

可以看出:3种掺合料碾压混凝土拌和物和易性差别不大，但要达到相同的含气量，掺火山灰混凝土引气剂掺量需提高，这主要是火山灰的多孔颗粒结构，对气泡有吸附作用。最明显差别是混凝土的凝结时间，全H碾压混凝土凝结时间较全F碾压混凝土凝结时间急剧缩短，这和文献［3］结论一致。该文认为，天然火山灰产生‘促凝’的原因并不是化学反应活性特别大而导致初期形成大量水化产物，而是其特殊的结构属性(即热力学不稳定性)对初始结构形成起到重要作用，而天然火山灰的化学反应活性居次要地位。另外，天然火山灰的碱含量比粉煤灰的碱含量高很多，在火山灰的溶出、黏结及水泥水化的共同催促下，单掺火山灰混凝土体系很快到达初凝时间。

2.2 胶材用量

如表2所示，在3种掺合料碾压混凝土的工作性一致的情况下，全H碾压混凝土胶材用量较全F碾压混凝土增加21% ～28%，F+H碾压混凝土(F∶H=5∶5)胶材用量较全F碾压混凝土增加9% ～13%。引起胶材用量较大差别的主要原因是:掺合料比表面积和颗粒形状的影响［4］(见图1)。粉煤灰是完美的球状颗粒，粉煤灰玻璃微珠在新拌混凝土浆体中，使水泥颗粒“解絮”扩散，使混凝土减水，胶凝材料用量减少，粉煤灰的润滑作用改善了混凝土的工作性［5］。而火山灰不规则的多孔结构，对水的吸附能力强，导致需水量的增加，从而使混凝土胶凝材料用量提高，火山灰保水的不稳定对混凝土的性能产生负效应。

图1 掺合料细观形貌Fig.1 Micro-morphology of the mixture

2.3 力学性能

全F、全H及F+H碾压混凝土力学性能对比见表3，强度对比见图2，强度增长率对比见图3，混凝土90 d拉伸断面微观形貌见图4。

图2 不同掺合料碾压混凝土强度对比Fig.2 Strengths of RCC with different mixtures

图3 不同掺合料碾压混凝土强度增长率对比Fig.3 Growth rates of the strength of RCC with different mixtures

表2 不同掺合料碾压混凝土拌和物性能及胶材用量Table 2 Properties of mix and cementitious material for the RCC with different mixtures

表3 不同掺合料碾压混凝土力学性能Table 3 Mechanical properties of RCC with different mixtures

图4 不同掺合料碾压混凝土拉伸断面细观形貌Fig.4 Tensile fracture and micro-morphology of the RCC with different mixtures

可见:在早龄期，全F混凝土的强度要略低些，而后期，全F混凝土强度要高于F+H碾压混凝土和全H碾压混凝土;掺粉煤灰混凝土比掺火山灰的混凝土强度随时间能获得较好的发展，掺加粉煤灰混凝土强度后期效应较掺加火山灰混凝土高。分析原因可能是:在常温水化初期，粉煤灰和火山灰这2种掺合料主要起物理填充作用，化学反应活性居次要地位;相对而言，具有多棱状外形的火山灰颗粒由于其特殊的结构属性对初始结构的作用，以及高碱含量加速了早期水化速度和水化程度，使得掺火山灰混凝土产生了较好的早期强度效应。在水化后期，粉煤灰的火山灰活性效应发挥作用，浆体结构逐步密实，强度逐步提高，而火山灰中活性物质——无定型或玻璃体物质以及沸石类化合物含量较少，在水泥水化反应基本结束后，浆体强度发展较为缓慢，随着火山灰的掺量增大，后期的强度发展与掺粉煤灰混凝土差别越大［6］。另外，由于粉煤灰的形态效应、火山灰效应、微集料效应三重效应，使粉煤灰对混凝土强度的影响过程是随龄期的增长从负效应逐渐向正效应转变，后期强度显著增加，其活性明显优于火山灰［7］。

从图4可见:经过长龄期的水化后，全F混凝土(图4(a))表面覆盖一层较为致密的水化产物层，而全H混凝土(图4(c))在胶凝材料内部也形成了水化产物，但结构显得较为疏松。

2.4 干缩变形性能

全F、全H及F+H碾压混凝土干缩变形试验结果见表4。从试验结果可以看出:不同掺合料碾压混凝土干缩变形值差别不大;相对而言，全F碾压混凝土干缩变形最小，F+H碾压混凝土干缩值较大，全H碾压混凝土干缩值最大。这是因为:与含有大量致密球形玻璃体颗粒的粉煤灰不同，表面粗糙、多孔的天然火山灰具有很大的比表面积，对水的吸附能力大，所配制的混凝土用水量大，过多的水不仅使混凝土的性能受到影响，而且未水化的吸附水会逐渐蒸发，造成水化面的收缩，所配制的混凝土干缩性将较大［8］。

表4 不同掺合料碾压混凝土干缩变形试验结果Table 4 Test results of shrinkage deformation of RCC with different mixtures

2.5 耐久性能

全F、全H及F+H碾压混凝土抗冻性能试验结果见表5。可以看出:由于在试验过程中控制不同掺合料碾压混凝土含气量相同，全F、全H和F+H碾压混凝土的抗冻性能无明显差别。

2.6 绝热温升值

全F、全H及F+H碾压混凝土(水胶比0.63，掺合料掺量65%)绝热温升试验结果见表6及图5。可以看出:全F碾压混凝土绝热温升值最小，复合掺碾压混凝土绝热温升值较大，全H碾压混凝土绝热温升值最大。F+H碾压混凝土28 d绝热温升值比全F碾压混凝土提高16%，全H碾压混凝土28 d绝热温升值比全F碾压混凝土提高31%。也就是说，全H混凝土胶材用量的增加，使得混凝土的绝热温升值有较大提高。

表5 不同掺合料碾压混凝土抗冻性能试验结果Table 5 Test results of freezing and thawing of the RCC with different mixtures

表6 不同掺合料碾压混凝土绝热温升试验结果Table 6 Test results of the adiabatic temperature rise of RCC with different mixtures

图5 不同掺合料碾压混凝土绝热温升图Fig.5 Curves of the adiabatic temperature rise of RCC with different mixtures

3 结论

通过以上的试验研究可知:

(1)当水胶比、减水剂掺量一致时，全H混凝土胶材用量较全F混凝土增加21% ～28%;F+H混凝土胶材用量较全F混凝土增加9%～13%。

(2)全F、全H及F+H碾压混凝土拌和物和易性差别不大，但要达到相同的含气量掺火山灰混凝土引气剂掺量需提高，全H碾压混凝土凝结时间较全F碾压混凝土急剧缩短。

(3)全F碾压混凝土后期强度效应要明显高于F+H和全H混凝土。

(4)全F、全H及F+H碾压混凝土干缩变形值差别不大;相对而言，全F碾压混凝土干缩变形最小，F+H碾压混凝土干缩值较大，全H碾压混凝土干缩值最大。

(5)控制全F、全H和F+H碾压混凝土含气量相同时，其抗冻性能无明显差别。

(6)火山灰的掺入使得碾压混凝土胶材用量增加，绝热温升值提高。水胶比相同时，F+H碾压混凝土28d绝热温升值比全F碾压混凝土提高16%，全H碾压混凝土28 d绝热温升值较全F碾压混凝土提高31%。

总的来说，当控制不同掺合料碾压混凝土水胶比和减水剂掺量相同时，掺火山灰碾压混凝土较掺粉煤灰碾压混凝土胶材用量增加，凝结时间急剧缩短，后期强度活性效应较低，干缩变形值、绝热温升值增大。

［1］蒋明镜，郑 敏，王 闯，等.不同颗粒某火山灰力学性质研究［J］.岩土力学，2009，30(2):64－66.(JIANG Ming-jing，ZHENG Min，WANG Chuang，et al.Experimental Investigation on Mechanical Properties of a Volcanic Ash with Different Grain Size Gradations［J］.Rock and Soil Mechanics，2009，30(2):64 －66.(in Chinese))

［2］张 众，李春红.天然火山灰掺合料在水电工程中的应用［J］.云南水力发电，2009，25(1):67－71.(ZHANG Zhong，LI Chun-hong.Use of Natural Pozzolanic Admixture in Construction of Hydropower Projects［J］.Yunnan Water Power，2009，25(1):67 － 71.(in Chinese))

［3］梁文泉，何 真.天然火山灰在碾压混凝土中的凝结特性［J］.硅酸盐建筑制品，1995，(4):11－15.(LIANG Wen-quan，HE Zhen.Setting Property of Natural Pozzolana Blended in Roller Compacted Concrete［J］.Housing Materials and Applications，1995，(4):11 －15.(in Chinese))

［4］MINDESS S，YOUNG J F，DARWIN D.混凝土［M］.北京:化学工业出版社，2005:83－96.(MINDESS S，YOUNG J F，DARWIN D.Concrete［M］.Beijing:Chemical Industry Press，2005:83 －96.(in Chinese))

［5］王福元，吴正严.粉煤灰利用手册［M］.北京:中国电力出版社，1997:124－132.(WANG Fu-yuan，WU Zheng-yan.Manual of Fly Ash Application［M］.Beijing:China Electric Power Press，1997:124 － 132.(in Chi-nese))

［6］阎培渝，张庆欢.含有活性或惰性掺合料的复合胶凝材料硬化浆体的微观结构特征［J］.硅酸盐学，2006，34(12):1491 － 1496.(YAN Pei-yu，ZHANG Qinghuan.Microstructural Characteristics of Complex Binder Paste Containing Active or Inert Mineral Admixtures［J］.Journal of the Chinese Ceramic Society，2006，34(12):1491 －1496.(in Chinese))

［7］冯乃谦.高性能混凝土结构［M］.北京:机械工业出版社，2004.(FENG Nai-qian.High Performance Concrete Structure［M］.Beijing:Mechanical Industry Press，2004.(in Chinese))

［8］万志华，李斌怀.粉煤灰及其对水泥和混凝土性能的影响［J］.湖北教育学院学报，2003，20(5):39－41.(WAN Zhi-hua，LI Bin-huai.The Fly Ash and Its Influence to the Capability of Cement and Concrete［J］.Journal of Hubei University of Education，2003，20(5):39 －41.(in Chinese))