火山灰的掺入对水泥浆流动性和强度影响研究

陈嘉健

摘 要：火山灰于混凝土生产中的作用可概括为经济效益和社会效益两方面，前者体现为火山灰可以替代粉煤灰、矿粉等常规矿物掺合料置换水泥用于混凝土中，对整体性降低工程造价具有显著经济效益；后者体现为火山灰若得不到合适应用或处理，可以深入人体的呼吸道，诱发肺部和呼吸道疾病。为探究掺入火山灰对水泥浆性能的影响，本研究通过配制16组火山灰水泥浆配比并作流动性和强度实验测试，发现在低水灰比情况下掺入火山灰能对混凝土性能的提高有较显著作用。

关键词：混凝土；火山灰；流动性；强度

从成因来分类，火山灰可分为天然火山灰和人造无机材料，其中天然火山灰是火山运动过程中喷发出天然火山碎石和矿物质颗粒经磨细而成的材料。在混凝土工业上，火山灰由于和水泥、石灰一样具有胶凝特性，可与水可发生水化反应生成水化硅酸钙、氢氧化钙等水化产物，并能凝结硬化具有一定强度，为合适的辅助性胶凝材料。由于其胶凝特性和微填充作用，火山灰可作为混凝土掺合料应用于粉煤灰、矿粉等掺合料匮乏地区的土建工程建设中，具有显著经济效益和社会效益。为探讨掺加火山灰对水性能的影响，本文就火山灰对水泥浆的流动性和强度影响作了实验测试。

1 实验方案

1.1 材料

水泥采用52.5N水泥，实验测得该水泥28天强度测得为59.0MPa。火山灰为广东佛山本地市场购买所得材料。其颗粒粒径分布经激光粒度分析仪测得如图1所示。

1.2 测试配比

本研究共配制16组水泥浆配比试件作测试，水灰比于0.55与0.70间变化，火山灰掺量于0和15% 间变化。

1.3 测试方法

水泥浆试样的动态流动性的测量采用V型漏斗作流速测试，流速为充满V型漏斗的水泥浆全部流出所需的时间与V型漏斗体积之比值。流动性测量均在水泥浆完成搅拌后5分钟内进行，整个试验过程中实验室温度控制在20±2°C。水泥浆试样的抗压强度用70.7mm立方体试样7天强度测定。

2 结果

火山灰的掺入对流动性影响结果示于图2。测试结果表明，在水灰比低于0.60时，掺入不高于15% 火山灰时能提高流动性；在水灰比高于0.65时，掺入不高于15% 火山灰时却对流动性产生不利影响。这是由于流动性主要取决于总水量、颗粒填充密度和比表面积。在水灰比相同即总水量相同的情况下，当水灰比较低时，火山灰的掺入提高了颗粒填充密度提高对流动性产生的有利效应高于对增大比表面积而带来的不利效应，总体体现为对流动性的增大；而当水灰比较低时，火山灰的掺入对增大比表面积而带来的不利效应比提高了颗粒填充密度提高对流动性产生的有利效应更为显著，总体体现为对流动性的减少。

在混凝土矿物掺合料性能中，活性为重要一个指标。火山灰的掺入对抗压强度影响结果示于图3。测试结果表明，在水灰比低于0.60时，掺入不高于15% 火山灰时能提高强度；在水灰比为0.55左右时，掺入不高于15% 火山灰对强度影响不大；在水灰比高于0.65时，掺入不高于15% 火山灰会降低强度。火山灰的掺入对水化反应进程产生影响，对混凝土硬化后强度产生贡献。当然对强度的贡献是通过火山灰反应来影响作用的。一次水化中单位质量的水泥会释放出游离钙。当游离钙与液相水分接触，会生成碱性激发剂Ca（OH）2。在水存在的条件下，火山灰中的二氧化硅会和钙离子发生二次水化反应生成额外水化硅酸钙产物。除此之外，火山灰的掺入还能起到微填充作用，填充水泥颗粒间空隙。因此，利用火山灰置换水泥或许能起到提高强度效果。

火山灰的掺入对粘聚性影响结果示于图4。测试结果表明，在水灰比低于0.60时，掺入不高于15% 火山灰时明显提高过筛率，也就是说，大大降低粘聚性；在水灰比高于0.65时，掺入不高于15% 火山灰时却对粘聚性影响不显著，这是由于此时过筛率已经相当高甚至接近100%，测试结果对粘聚性的表现已不敏感。

3 水泥混凝土中掺加火山灰的颗粒学理论

宏观角度看，混凝土可以被认为是由骨料和水泥浆两部分组成。在骨料部分中，固体颗粒的粒径范围涵括75（下转第296页）

微米到10、20或者40毫米的最大粗骨料粒径。中粒径颗粒能填充大粒径颗粒之间的孔隙，而小粒径颗粒又能填充中粒径颗粒之间的孔隙，各粒径大小如此连续的填隙作用能有效减少孔隙的体积，增大整个骨料部分的填充密度。水泥颗粒远比细骨料颗粒细，在没矿物掺合料情况下水泥颗粒直接填充细骨料间的空隙。若火山会细度在再细骨料和水泥之间，约100微米左右，火山灰颗粒可以先填充细骨料间的孔隙，水泥再填充火山灰间的孔隙，利用火山灰的“挤占”效应提高混凝土固体颗粒整体的填充密度。若火山灰能磨细到比水泥还细，火山灰颗粒则可以进一步填充水泥间的孔隙，利用火山灰的“填充”效应亦能提高混凝土固体颗粒整体的填充密度。应用火山灰提高填充密度的意义在于，由于水泥浆需要先填充骨料部分的孔隙，填隙以外的水泥浆才能用于润滑、带动混凝土流动，所以在水泥浆体积一定时，提高骨料填充密度能增加混凝土工作性，或在流动性要求相同时减少水泥浆的体积。

微观角度来看，水泥浆可以被认为是由水泥、火山灰等火山灰材料固体微粒和水两部分构成。在火山灰材料固体微粒部分中，固体颗粒的粒径范涵括从小于1微米到75微米。和宏观观察到的骨料填充效应一样，由较小粒径颗粒产生的连续一系列填隙作用同样能有效减少火山灰材料中孔隙的体积，增加填充密度。因为水需要先填充火山灰材料部分的孔隙，填隙以外的水才能用于润滑、带动整个水泥浆流动，所以在水体积一定时，提高火山灰材料填充密度能增加混凝土工作性，或在流动性要求相同时减少水的体积。此种填充效应理论实质上是Powers理论在微观结构方面的延伸。然而，在应用宏观和微观填充效应时不同的是，骨料填充密度可以用干测量法来测量，而火山灰材料填充密度由于材料间的凝聚现象很难同样用干测量法来有效准确测量。

4 火山灰于混凝土生产中的应用前景讨论

火山灰混凝土的开发与应用一方面可以因地制宜合理利用天然火山灰材料，节约大量的运输费用，另一方面采用所制备的掺合料替代常规矿物掺合料，可以减少建筑业对粉煤灰、矿粉等的消耗，缓解常规掺合料资源日趋匮乏的压力。在满足质量要求的前提下，火山灰碾压混凝土较普通混凝土大约每立方米可节省二十元，因此对于用量巨大的道路工程其累计节约成本是非常巨大的，因而火山灰利用的经济效益非常显著。同时火山灰的利用可以降低由于外地运输粉煤灰、矿粉掺合料的造价，这对于因地制宜、就地取材的工程还可以缩短施工周期，整体性降低工程造价，因此火山灰资源的利用具有非常可观的经济效益。

大量火山灰资源循环利用还有利于环境保护，获得显著社会效益。细微颗粒的火山灰随空气流动或者大风吹拂会弥漫在空气当中污染大气，对人类居住、工作环境带来恶劣影响。此外，细小的火山灰颗粒可以深入人体的呼吸道，甚至达到细支气管和肺部，损伤人体心肺功能，诱发肺部疾病和呼吸道疾病等。尤其对于抵抗力较弱的儿童和老人，其损伤性更强。因此合理处理火山灰资源与环境的协调相容性，其生态环保社会效益非常显著。

5 结论

本项目配制了16组配比的火山灰水泥浆，并系统测量了其流动性和强度。实验结果表明，在较低水灰比情况下火山灰的掺入会提高流动性，然而在较高水灰比时火山灰的掺入会降低流动性，这取决于火山灰对胶凝材料填充密度和比表面积的影响。在水灰比较低时，掺入火山灰能提高强度，然而在较高水灰比时，火山灰的掺入会降低强度。然而，值得注意的是火山灰的掺入可能削弱粘聚性。总体来说，在低水灰比情况下掺入火山灰能对混凝土性能的提高有较显著作用。

参考文献

[1] 詹国良，林东，沈云泽，刘冠升，陶仁成，叶门康，文梓芸，殷素红，杨永民.养护制度对活性粉末混凝土强度影响机理研究[J].建筑科学， 2016（05）.

[2] K.M.A. Hossain，M. Lachemi. Performance of volcanic ash and pumice based blended cement concrete in mixed sulfate environment[J]. Cement and Concrete Research，2006（06）.

[3] 郭田跃.关于用火山灰水泥做水泥砂浆地面层的探讨[J].西部探矿工程，2004（02）.

[4] 俞然刚.掺粘土火山灰水泥外加剂的作用机理[J].房材与应用，2000 （05）.

[5] 俞然刚，颜庆智.复合激发剂对改善掺粘土火山灰水泥性能的作用[J].石油大学学报（自然科学版），2000（03）.