許志楊，王春明，彭先兵，俞鋒，賈濤

（蘇州混凝土水泥制品研究院有限公司 江蘇省高耐久性混凝土工程技術(shù)研究中心，江蘇 蘇州 215000）

0 引言

火山灰是指火山在噴發(fā)過程中，巖漿在急速冷卻中形成的礦物質(zhì)經(jīng)過粉磨得到的礦物摻合料?；鹕交抑懈缓Ａ嗪臀⒕?，本身具有一定活性，其化學(xué)組成主要有SiO2和Al2O3，可與水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2二次反應(yīng)，產(chǎn)生水化硅酸鈣等凝膠，對混凝土有一定的增強作用[1-2]?；鹕交以缙谔畛浜退笃诘幕鹕交倚?yīng)能使混凝土更加密實，提高混凝土的抗?jié)B和抗腐蝕性能，非常適合作為摻合料摻入混凝土中。

本試驗研究了火山灰對水泥基材料的強度影響，并分析其活性。試驗中，通過改變水膠比和火山灰摻量，分析水膠比和火山灰摻量對膠砂強度和火山灰強度貢獻(xiàn)率的影響。測定長齡期的膠砂抗壓強度，分析火山灰水泥基材料的長齡期強度變化。再進(jìn)行火山灰的混凝土試驗，分析火山灰在混凝土中的最佳替代量，對實際生產(chǎn)提供參考。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

水泥：西藏日喀則華新水泥廠生產(chǎn)的P·O 42.5；火山灰：西藏羊八井生產(chǎn)，細(xì)度25.4%；化學(xué)成分見表1。標(biāo)準(zhǔn)砂：廈門艾思?xì)W生產(chǎn)；減水劑：東方雨虹生產(chǎn)的聚羧酸減水型減水劑。

表1 火山灰主要化學(xué)成分 單位：%

1.2 試驗方法

膠砂試驗中，膠凝材料總量不變，根據(jù)摻量改變水泥與火山灰的比例。水膠比變化時，其他原材料質(zhì)量不變，改變用水量從而改變水膠比。確定膠砂的水膠比分別為0.4、0.45、0.5、0.55和0.6，改變火山灰摻量分別為0%、10%、20%、30%、40%、60%、80%、100%，分別測定膠砂7 d和28 d抗壓強度。選取水膠比0.5，測定其不同火山灰摻量下7 d、28 d、60 d、90 d和120 d抗壓強度，分析火山灰摻入水泥基材料對長齡期的影響。

混凝土試驗中，選取水膠比0.5的C30混凝土配合比，膠凝材料質(zhì)量350 kg，用水量175 kg固定不變，改變火山灰摻量0%、10%、20%、30%、40%、60%、80%、100%，測定其3 d、7 d、28 d、60 d和120 d抗壓強度，分析火山灰摻量對混凝土強度的影響，對實際生產(chǎn)提供參考。

試驗采用比強度分析法[3]，通過比強度、火山灰效應(yīng)比強度、比強度系數(shù)和火山灰效應(yīng)強度貢獻(xiàn)率等指標(biāo)，對不同水膠比和不同火山灰摻量的膠砂中的火山灰效應(yīng)進(jìn)行分析。其中水泥砂漿中單位水泥用量對水泥基材料提供的強度為R0（公式1），摻有火山灰砂漿中單位水泥用量對水泥基材料提供的強度為R1（公式2），單位火山灰提高水泥基材料的強度為Rp（公式3），火山灰對水泥基材料強度提高的貢獻(xiàn)率為Pp（公式4），水泥水化反應(yīng)對水泥基材料強度提高貢獻(xiàn)率為Ph（公式5）。

式中：Rc為基準(zhǔn)水泥基材料的強度值，Mpa；f為摻合料水泥基材料強度，Mpa；q為摻合料水泥基材料中水泥的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，%。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 膠砂流動度控制

火山灰的需水量要高于水泥，表2是0%火山灰、50%火山灰和100%火山灰的標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量。

表2 不同摻量火山灰標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量

由表2可知，100%火山灰的標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量比0%火山灰標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量高30%，相同用水量情況下，需水量過高會降低膠砂流動度，從而導(dǎo)致膠砂密實度不足，進(jìn)而影響膠砂抗壓強度。表3是不加減水劑不同火山灰摻量的膠砂流動度。

表3 不同火山灰摻量膠砂流動度

為了保證膠砂的密實度不影響其抗壓強度，在不改變用水量的情況下，用減水劑對膠砂流動度進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證膠砂流動度在190～210。

2.2 火山灰摻量對強度的影響

圖1和2分別是不同水膠比情況下，火山灰摻量變化對膠砂7 d和28 d抗壓強度的影響。

圖1 火山灰摻量對7 d抗壓強度的影響

由圖1可知，當(dāng)水膠比為0.4～0.55、火山灰摻量10%時，膠砂7 d抗壓強度略有上升，火山灰效應(yīng)明顯；當(dāng)火山灰摻量20%時，抗壓強度比摻量10%略有下降；當(dāng)火山灰摻量20%以上時，膠砂抗壓強度快速下降。從圖2可以看出，當(dāng)水膠比為0.4～0.55、火山灰摻量在20%以下時，28 d抗壓強度隨著火山灰摻量的增加而上升；當(dāng)火山灰摻量30%時，強度略有下降；當(dāng)火山灰摻量30%以上時，強度快速下降。當(dāng)水膠比為0.6時，隨著火山灰摻量增多，膠砂7 d和28 d抗壓強度下降明顯。當(dāng)水膠比0.4時，火山灰摻量40%的28 d抗壓強度要高于不摻火山灰的試樣，當(dāng)水膠比為0.45時，火山灰摻量30%的28 d抗壓強度要高于摻量為0%的試樣，當(dāng)水膠比為0.5和0.55時，摻量降至20%。

圖2 火山灰摻量對28 d抗壓強度的影響

從圖1和2可知，少量的火山灰摻入，會提高膠砂強度，水膠比越低，火山灰可替代水泥比例越高，火山灰效應(yīng)越加明顯。水膠比高于0.6，火山灰摻入提高膠砂抗壓強度效果有限。純火山灰膠砂強度很低，幾乎沒有活性，說明火山灰在水泥基材料中提供強度主要以火山灰效應(yīng)為主。

2.3 比強度法分析

圖3、4、5和6是在不同水膠比、不同火山灰摻量情況下，28 d砂漿抗壓強度代入公式得到的比強度指標(biāo)。

圖3 火山灰摻量對R1的影響

圖4 火山灰摻量對Rp的影響

圖5 火山灰摻量對Pp的影響

圖6 火山灰摻量對Ph的影響

由圖3、4、5、6可知，隨著火山灰摻量的增加，火山灰提高水泥基材料的強度Rp不斷升高，火山灰效應(yīng)的強度貢獻(xiàn)率Pp也不斷升高，水泥水化提供的強度貢獻(xiàn)率Ph不斷下降?；鹕交以谒嗄z砂中的摻量提高可以更好地發(fā)揮火山灰效應(yīng)，提供更多的強度。摻量較小時，火山灰活性組分少，水化產(chǎn)生的Ca(OH)2相對過剩，火山灰摻量增多，與Ca(OH)2二次反應(yīng)增加，火山灰效應(yīng)的強度貢獻(xiàn)率提高。結(jié)合圖2，火山灰摻量較低時，火山灰效應(yīng)提供的強度大于水泥降低所損失的強度，膠砂強度略有上升。隨著火山灰摻量提高，火山灰效應(yīng)提供的強度變大，但不足以彌補水泥降低損失的強度，膠砂強度下降。

隨著水膠比的升高，相同火山灰摻量的Rp下降，Pp也下降，Ph升高，說明水膠比增大會降低火山灰效應(yīng)，減少火山灰效應(yīng)在膠砂中提供的強度，水膠比越大，火山灰效應(yīng)越不明顯。圖2中，當(dāng)水膠比0.6、火山灰摻量低時，火山灰效應(yīng)提供的強度不能彌補水泥降低損失的強度，Pp只有7.62%，水膠比與火山灰效應(yīng)呈負(fù)相關(guān)。

2.4 齡期對強度與火山灰強度貢獻(xiàn)率P p的影響

表4為水膠比0.5時，不同火山灰摻量7 d、28 d、60 d、90 d和120 d膠砂抗壓強度，圖7為齡期變化對火山灰強度貢獻(xiàn)率Pp的影響。

表4 水膠比0.5時齡期對膠砂抗壓強度的影響

圖7 水膠比0.5時齡期對火山灰強度貢獻(xiàn)率Pp的影響

由表4可知，當(dāng)火山灰摻量較低時，膠砂早期強度發(fā)展較快，火山灰摻量10%和20%的膠砂，7 d抗壓強度分別為120 d抗壓強度的85.5%和84.0%。后期強度發(fā)展較慢，60 d之后，強度基本不再發(fā)展?；鹕交覔搅枯^高時，膠砂早期強度發(fā)展較慢，火山灰摻量60%和80%的膠砂，7 d抗壓強度分別為120 d強度的52.4%和25.5%，且強度會隨齡期發(fā)展而發(fā)展。從圖7中也可看出，火山灰摻量較低時，火山灰強度貢獻(xiàn)率在后期幾乎無變化，而火山灰摻量高時，火山灰強度貢獻(xiàn)率在后期依舊增長，因此火山灰有利于膠砂的后期強度發(fā)展。

2.5 混凝土中火山灰摻量對強度的影響

圖8為水膠比0.5時，不同火山灰摻量的混凝土抗壓強度，測定齡期為3 d、7 d、28 d、60 d和120 d。

圖8 火山灰對混凝土強度影響

由圖8可知，火山灰摻量在0%～20%時，不同齡期的混凝土抗壓強度變化較小，火山灰摻量高于20%以后，混凝土抗壓強度開始下降。本試驗混凝土水膠比為0.5，與膠砂相比，混凝土強度下降的火山灰摻量轉(zhuǎn)折點要低于膠砂，混凝土中，火山灰摻量在20%以上，抗壓強度開始隨著摻量的增多快速下降，膠砂抗壓強度快速下降的轉(zhuǎn)折點在30%摻量?；炷林校鹕交覔搅?0%以下不會損失抗壓強度，28 d抗壓強度也可以達(dá)到C30標(biāo)準(zhǔn)，在混凝土實際生產(chǎn)中，火山灰替代水泥的最佳摻量為20%，可以減少生產(chǎn)中的水泥用量，節(jié)省成本。

3 結(jié)論

（1）火山灰在水泥基材料中提供強度主要以火山灰效應(yīng)為主，少量火山灰摻入替代水泥，可以提高抗壓強度，水膠比越低，火山灰可替代水泥比例越高，火山灰效應(yīng)越加明顯。

（2）火山灰摻量提高可以提高火山灰強度貢獻(xiàn)率，水膠比增大會降低火山灰效應(yīng)，減小火山灰強度貢獻(xiàn)率?；鹕交覍λ嗷牧系拈L齡期強度增長有積極作用。

（3）火山灰在混凝土中可以部分替代水泥，不影響混凝土強度性能，水膠比0.5時，適宜摻量為20%。