何忠海

(中鐵十二局集團(tuán)第一工程有限公司 陜西西安 710038)

1 引言

碳達(dá)峰、碳中和雙碳目標(biāo)下發(fā)展綠色混凝土是當(dāng)前建筑行業(yè)的責(zé)任所在。為降低水泥用量，綠色建材技術(shù)、綠色礦物摻合料應(yīng)運(yùn)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(yīng)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(yīng)日趨緊張，某些地區(qū)價(jià)格已遠(yuǎn)超過水泥價(jià)格，且品質(zhì)變差、不穩(wěn)定，對(duì)混凝土帶來諸多不確定因素。在此背景下，將火山灰質(zhì)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(zhì)巖礦物摻合料，一定程度上緩解了礦渣粉、粉煤灰供應(yīng)緊張問題，成品到站價(jià)格低，且綠色環(huán)保，具有重要的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

云南保山地區(qū)天然火山巖儲(chǔ)量豐富，以凝灰?guī)r、浮石、安山巖和玄武巖為主。其主要化學(xué)成分為SiO2、Al2O3和 Fe2O3等，占比 80%以上，其中SiO2含量占60%左右[1]。活性礦物與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2反應(yīng)生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等膠凝物質(zhì)，即為“火山灰效應(yīng)”。

2 火山灰質(zhì)巖礦物摻合料國(guó)內(nèi)外研究與應(yīng)用概況

在國(guó)外，有許多應(yīng)用火山灰質(zhì)巖礦物摻合料的大型工程實(shí)例，著名的羅馬萬神殿就大量應(yīng)用火山灰質(zhì)材料；美國(guó)從1910年就開始大量應(yīng)用天然火山灰于大壩、橋梁等大型工程；希臘、德國(guó)、羅馬尼亞、俄羅斯等國(guó)家也有大量應(yīng)用實(shí)例。我國(guó)中交集團(tuán)在肯尼亞蒙內(nèi)鐵路和內(nèi)馬鐵路混凝土中成功應(yīng)用了火山灰質(zhì)礦物摻合料[2]。

國(guó)內(nèi)應(yīng)用，主要有滇西南地區(qū)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(yù)應(yīng)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?xí)簾o應(yīng)用先例。為簡(jiǎn)化表述，下文將天然火山灰質(zhì)巖礦物摻合料簡(jiǎn)稱為火山灰。

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)火山灰摻合料進(jìn)行了許多研究，周世華等通過試驗(yàn)分析火山灰與粉煤灰相似，具有形態(tài)效應(yīng)、微集料效應(yīng)和火山灰效應(yīng)。安愛軍，周永祥等以國(guó)際化鐵路內(nèi)蒙鐵路為背景對(duì)火山灰進(jìn)行了系統(tǒng)研究。王稷良等[6]研究了火山灰在機(jī)制砂混凝土的應(yīng)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(duì)堿骨料反應(yīng)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?guī)r和玄武巖。岳新興等[9]研究提出火山灰宜與粉煤灰復(fù)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(yù)應(yīng)力混凝土梁中的應(yīng)用，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

3 火山灰與粉煤灰物理性能對(duì)比研究

表1為火山灰和粉煤灰物理性能試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果?？梢?，火山灰物理性能較好，28 d活性指數(shù)略高于F類Ⅰ級(jí)粉煤灰，“火山灰效應(yīng)”明顯，說明火山灰主要化學(xué)成分中SiO2和Al2O3能提高礦物摻合料的活性指數(shù)?；鹕交业膩喖姿{(lán)MB值較小，說明其中吸附性礦物含量較少。火山灰經(jīng)過磨制加工，由形狀不規(guī)則、大小不一的顆粒組成，而Ⅰ級(jí)粉煤灰中玻璃微珠含量大于70%，因此火山灰的流動(dòng)度比小于粉煤灰?；鹕交壹?xì)度大于Ⅰ級(jí)粉煤灰但遠(yuǎn)小于Ⅱ級(jí)粉煤的指標(biāo)要求，可見火山灰有“微集料效應(yīng)”。

表1 摻合料物理性能檢驗(yàn)結(jié)果

4 配合比設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

4.1 配合比設(shè)計(jì)

混凝土基準(zhǔn)配合比設(shè)計(jì)為:膠凝材料∶細(xì)骨料∶粗骨料∶減水劑∶水 ＝420∶792∶1 049∶4.20∶155。根據(jù)膠凝材料種類和摻合料摻量不同設(shè)計(jì)5組配合比，編號(hào)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(shè)計(jì)容重均相同。為減少試驗(yàn)工作量，HSH-3未制作劈裂抗拉強(qiáng)度和抗壓彈性模量試件。

原材料:采用F類Ⅰ級(jí)粉煤灰、火山灰、P.O42.5散裝水泥、白云巖機(jī)制中砂、5～31.5 mm石灰?guī)r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(yàn)

由表2可知:

表2 混凝土拌合物性能試驗(yàn)結(jié)果

(1)混凝土工作性能良好，混凝土的包裹性、流動(dòng)性、保水性和保坍性甚至接近于F類Ⅰ級(jí)粉煤灰混凝土?；鹕交业男螒B(tài)效應(yīng)在混凝土拌合物工作性能中表現(xiàn)出潤(rùn)滑作用，混凝土擴(kuò)展度大、倒置坍落度排空時(shí)間小，體現(xiàn)出火山灰相比粉煤灰同樣具有“形態(tài)效應(yīng)”。經(jīng)測(cè)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(shí)間7 s左右，混凝土可泵性能良好。

(2)兩種摻合料對(duì)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(shí)要考慮火山灰摻入對(duì)混凝土含氣量的影響，以免影響混凝土的力學(xué)性能和耐久性。

4.3 混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)

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

(2)圖2表明，火山灰摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度影響顯著，火山灰摻量40%其抗壓強(qiáng)度明顯低于20%摻量。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和相關(guān)文獻(xiàn)，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(jié)時(shí)間越來越短，在摻量小于50%時(shí)促凝作用為主導(dǎo)，而摻量過大時(shí)緩凝作用才逐漸得以體現(xiàn)[10]。

(3)由表3可知，混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度和抗壓彈性模量增長(zhǎng)趨勢(shì)與混凝土抗壓強(qiáng)度值基本一致。早期強(qiáng)度和彈性模量因火山灰促進(jìn)水泥的水化反應(yīng)增長(zhǎng)速度比粉煤灰快，后期強(qiáng)度和彈性模量因火山灰的“二次水化反應(yīng)”其效果遜于粉煤灰。摻量30%火山灰混凝土28 d劈裂抗拉強(qiáng)度(軸心抗拉強(qiáng)度折算系數(shù)0.8)和抗壓彈性模量值滿足C40及以下混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。

表3 硬化混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

(4)混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)說明:火山灰的“火山灰效應(yīng)”明顯，且火山灰填充效果好，對(duì)混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)影響顯著，是一種優(yōu)質(zhì)的礦物摻合料。

4.4 混凝土耐久性能試驗(yàn)

由表4混凝土耐久性能試驗(yàn)結(jié)果可知，摻合料對(duì)混凝土電通量和氯離子滲透系數(shù)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(yàn)結(jié)果氯離子滲透系數(shù)接近?；鹕交液头勖夯业摹盎鹕交倚?yīng)”及“微集料效應(yīng)”明顯，使電通量值顯著降低，氯離子滲透系數(shù)也明顯降低。電通量滿足設(shè)計(jì)使用年限100年C35～C45混凝土要求[11]?；鹕交以诟纳苹炷羶?nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)作用方面與粉煤灰混凝土有一定差距，但明顯優(yōu)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(yīng)”和“火山灰效應(yīng)”，提高了混凝土的密實(shí)性[12]。

表4 混凝土56 d耐久性能試驗(yàn)結(jié)果

火山灰混凝土抗?jié)B性有明顯提高，摻30%火山灰與30%粉煤灰抗?jié)B性能相當(dāng)，但摻40%火山灰其抗?jié)B性反而降低，究其原因?yàn)閾搅窟^大導(dǎo)致“二次水化反應(yīng)”時(shí)間變長(zhǎng)，但其后期抗?jié)B性仍會(huì)繼續(xù)增長(zhǎng)。

4.5 火山灰混凝土應(yīng)用試驗(yàn)

在某鐵路項(xiàng)目路基重力式擋土墻施工中，應(yīng)用配合比HSH-2進(jìn)行澆筑試驗(yàn)?；炷凉ぷ餍阅芰己?，混凝土擋墻顏色一致，無蜂窩麻面和開裂等質(zhì)量缺陷，回彈強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。經(jīng)測(cè)試環(huán)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(yàn)標(biāo)要求，說明火山灰起到降低混凝土水化熱的作用。

5 結(jié)論

(1)綜合試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，火山灰摻合料和粉煤灰各項(xiàng)性能較為接近，部分指標(biāo)甚至優(yōu)于粉煤灰?；鹕交遗c粉煤灰、石灰石粉等優(yōu)質(zhì)摻合料復(fù)合使用效果會(huì)更好。隨著西部地區(qū)鐵路建設(shè)，火山灰質(zhì)巖礦物摻合料不失為一種好的選擇。

(2)火山灰原材料儲(chǔ)量大、分布廣，緩解了礦渣粉、粉煤灰的供應(yīng)緊張問題。就地取材、減少運(yùn)輸成本、加工成本低，有效降低了混凝土成本。火山灰可改善混凝土工作性、降低水化熱、提高密實(shí)性，其混凝土拌合物力學(xué)性能和耐久性滿足一般鐵路混凝土要求。

(3)不同地區(qū)和種類的火山灰有不同特性，因火山巖形成年代、地質(zhì)條件和環(huán)境不同，外觀形貌方面和材料基本性能差別很大，對(duì)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(shí)要進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查和全面試驗(yàn)檢驗(yàn)，必要時(shí)先磨制小樣進(jìn)行混凝土試拌再?zèng)Q定后續(xù)能否生產(chǎn)加工。