王震，毛雯婷，黃曉敏，李昕成，趙孝華，段發(fā)軍，黨玉棟

（1.云南大學(xué)建筑與規(guī)劃學(xué)院，云南昆明 650500；2.云南省建筑科學(xué)研究院有限公司云南省建筑結(jié)構(gòu)與新材料企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南昆明 650223；3.昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，云南昆明 650500；4.騰沖世泓環(huán)?？萍加邢薰荆颇向v沖 679100）

0 引 言

火山石（俗稱浮石或多孔玄武巖）是火山爆發(fā)后由火山玻璃、礦物與氣泡形成的多孔石材[1]，廣泛用于建筑、水利、園林造景、無(wú)土栽培等領(lǐng)域。火山石資源廣泛分布于我國(guó)內(nèi)蒙古、張家口、海南、吉林、云南騰沖等地?；鹕绞虍a(chǎn)地不同，其性質(zhì)以及制備成建筑材料后的性能也有較大差異[2-5]。天然火山石用于混凝土集料時(shí)，其較高吸水率將對(duì)混凝土的工作性能、物理力學(xué)性能及體積穩(wěn)定性造成影響[6-7]。與石灰石混凝土相比，火山石混凝土具有自重輕、耐火、保溫隔熱性能好、抗震性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)[8]，火山石混凝土及其制品用于建筑工程可顯著降低結(jié)構(gòu)自重，減少荷載，在混凝土工程中具有廣闊的應(yīng)用前景[9-12]。

云南騰沖當(dāng)?shù)鼗鹕绞Y源非常豐富，主要切割成地磚、外墻裝飾板材等，每年產(chǎn)生大量切割廢料[13]，不僅得不到有效利用，反而需要花費(fèi)高昂成本去清理。將切割廢料加工成火山石粗骨料應(yīng)用到混凝土中，將極大降低建設(shè)成本，提高火山石的綜合利用率。但火山石固有的一些多孔、吸水特性對(duì)混凝土工作性能不利，導(dǎo)致騰沖當(dāng)?shù)睾苌儆没鹕绞止橇现苽浠炷?，相關(guān)研究結(jié)果也較少，從而阻礙了火山石混凝土的應(yīng)用。本文基于質(zhì)量法設(shè)計(jì)C30、C40 兩種騰沖當(dāng)?shù)刈畛Ｓ脧?qiáng)度等級(jí)的石灰石混凝土與火山石混凝土，對(duì)比研究了C30、C40 兩種強(qiáng)度等級(jí)下，預(yù)濕前后火山石混凝土與石灰石混凝土拌合物性能、抗壓強(qiáng)度、自收縮、干燥收縮性能，從而為騰沖火山石混凝土的研究與應(yīng)用提供參考。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：盈江縣允罕水泥有限責(zé)任公司產(chǎn)海螺牌P·O 42.5水泥，主要技術(shù)性能見(jiàn)表1；火山灰：騰沖華輝火山石建材開(kāi)發(fā)有限公司，比表面積308 m2/kg，活性指數(shù)76%；減水劑：云南石博士新材料有限公司產(chǎn)DS-J2 聚羧酸系高性能減水劑（緩凝型），固含量10.5%，減水率32.4%；水：自來(lái)水；細(xì)集料：騰沖當(dāng)?shù)氐臋C(jī)制砂，細(xì)度模數(shù)3.1，其物理性能見(jiàn)表2。

表1 水泥的主要技術(shù)性能

表2 機(jī)制砂的物理性能

天然火山石：來(lái)自云南騰沖，其外觀形貌如圖1 所示，在工業(yè)顯微鏡下觀察火山石表面孔洞，如圖2 所示。通過(guò)觀察統(tǒng)計(jì)，騰沖火山石表面孔洞的數(shù)量與分布是隨機(jī)的，火山石表面孔洞較大，直徑在0.1~10 mm，且直徑在2~5 mm 的孔洞占比約為75%。值得注意的是，火山石表面孔洞多呈現(xiàn)為近似的圓形，或由2 個(gè)及2 個(gè)以上圓形融合后形成的不規(guī)則圖形，少部分呈現(xiàn)細(xì)長(zhǎng)橢圓形孔洞，這主要是與火山石形成時(shí)，巖漿中的氣泡溢出有關(guān)。正是因?yàn)榛鹕绞砻孑^多的孔隙，使得火山石表觀密度低于石灰石，吸水率高于石灰石。

圖1 騰沖火山石外觀形貌

圖2 工業(yè)顯微鏡下火山石的表面孔洞

依據(jù)GB/T 14685—2022《建設(shè)用卵石、碎石》測(cè)試火山石和石灰石的吸水率，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 火山石和石灰石的吸水率

由圖3 可見(jiàn)，火山石的吸水速度快，0.5 h 吸水率已經(jīng)達(dá)到24 h 吸水率的92%，說(shuō)明火山石的孔洞多為大孔、開(kāi)孔。

火山石和石灰石粗集料的基本物理性能見(jiàn)表3，火山石粗集料的主要化學(xué)成分見(jiàn)表4，顆粒級(jí)配見(jiàn)表5，為更好地對(duì)比火山石與石灰石各項(xiàng)性能及配制成混凝土后的差異，同時(shí)考慮級(jí)配不同會(huì)影響到對(duì)比結(jié)果，故用于配制石灰石混凝土所用石灰石的級(jí)配均為按照火山石級(jí)配通過(guò)篩分重新調(diào)配而成。

表3 火山石與石灰?guī)r粗集料的基本物理性能

表4 火山石粗集料的主要化學(xué)成分%

表5 火山石粗集料的顆粒級(jí)配

1.2 試驗(yàn)方法

混凝土拌合物性能、抗壓強(qiáng)度、自收縮、干燥收縮性能分別依據(jù)GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》、GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》、GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試。

根據(jù)JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》，采用質(zhì)量法進(jìn)行火山石混凝土配合比設(shè)計(jì)，結(jié)合工作性能，對(duì)配合比的水膠比、砂率等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。

為更好地比較石灰石混凝土與火山石混凝土的各項(xiàng)性能的差別，先對(duì)火山石混凝土進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，制得火山石混凝土（HC 系列）；然后采用石灰石等體積替代火山石，制得石灰石混凝土（SC 系列）；預(yù)濕骨料是將火山石預(yù)濕至飽和面干狀態(tài)，具體預(yù)濕工藝：提前將火山石粗骨料在水中浸泡24 h，攪拌前，將瀝水后的火山石骨料擦至飽和面干狀態(tài)，攪拌時(shí)將預(yù)濕火山石骨料、細(xì)骨料、水泥、礦物摻合料一起投入攪拌機(jī)干拌1 min，再加入拌合用水和減水劑繼續(xù)攪拌2 min，制得預(yù)濕火山石混凝土（YHC 系列）。各組混凝土制備過(guò)程中，通過(guò)調(diào)整減水劑摻量，使混凝土初始坍落度保持在（200±20）mm，具體配合比見(jiàn)表6，編號(hào)后面數(shù)字代表混凝土強(qiáng)度等級(jí)。

表6 火山石混凝土與石灰石混凝土配合比 kg/m3

2 結(jié)果分析與討論

2.1 工作性能分析

火山石混凝土與石灰石混凝土的工作性能見(jiàn)表7。

表7 火山石混凝土與石灰石混凝土的工作性能

由表6、表7 可知，相同條件下，通過(guò)適當(dāng)增加減水劑摻量能使得火山石混凝土獲得較大的坍落度和擴(kuò)展度。對(duì)比預(yù)濕火山石混凝土的工作性能可知，相近的工作性能下，預(yù)濕火山石可以將減水劑摻量降到石灰石混凝土相當(dāng)?shù)乃?。C30、C40 火山石混凝土與石灰石混凝土1 h 坍落度損失較小。這是由于騰沖火山石的孔洞主要為大孔且孔隙較多，使得火山石的吸水速率較快，這就導(dǎo)致火山石在攪拌過(guò)程中已經(jīng)吸水接近飽和，之后在1 h 靜置過(guò)程中，再次吸收拌合用水量很少，故坍落度損失較小。

2.2 抗壓強(qiáng)度分析

火山石混凝土與石灰石混凝土的抗壓強(qiáng)度見(jiàn)表8。

表8 火山石混凝土與石灰石混凝土的抗壓強(qiáng)度

由表8 可知，未預(yù)濕火山石混凝土各齡期抗壓強(qiáng)度要高于石灰石混凝土，盡管預(yù)濕火山石混凝土各齡期抗壓強(qiáng)度相對(duì)于未預(yù)濕火山石混凝土有所下降，但仍與石灰石混凝土相當(dāng)。主要是由于火山石多孔、高吸水率的特點(diǎn)，在相同用水量情況下，未預(yù)濕的火山石骨料攪拌時(shí)吸收了拌合用水，使得未預(yù)濕火山石混凝土實(shí)際水膠比小于設(shè)計(jì)水膠比，C40、C30 混凝土水膠比分別由設(shè)計(jì)的0.40、0.55 降到約為0.39、0.49，預(yù)濕飽和的火山石混凝土不再吸收拌合用水，故水膠比基本沒(méi)有變化，導(dǎo)致未預(yù)濕火山石混凝土的抗壓強(qiáng)度高于預(yù)濕火山石混凝土與石灰石混凝土；另一方面，火山石所吸附的水也可以對(duì)混凝土起到一定的內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用，有利于強(qiáng)度發(fā)展[4]。尤其是對(duì)于C30 強(qiáng)度等級(jí)，火山石混凝土各齡期抗壓強(qiáng)度高于石灰石混凝土的規(guī)律更為明顯，而對(duì)于C40 強(qiáng)度等級(jí)，火山石混凝土的抗壓強(qiáng)度略高于石灰石混凝土。在低強(qiáng)度火山石混凝土中，火山石骨料多，吸水導(dǎo)致水膠比減小的優(yōu)勢(shì)明顯，是火山石混凝土強(qiáng)度高于石灰石混凝土強(qiáng)度的主要原因。到C40 強(qiáng)度等級(jí)甚至更高強(qiáng)度等級(jí)時(shí)，火山石吸水使得水膠比減小的優(yōu)勢(shì)較C30 強(qiáng)度等級(jí)減少。由表3 可知，火山石與石灰石的壓碎指標(biāo)分別為15%與8%，說(shuō)明火山石骨料沒(méi)有石灰石堅(jiān)固，強(qiáng)度同時(shí)受到骨料的限制，故28 d 前火山石混凝土強(qiáng)度相對(duì)于石灰石混凝土增長(zhǎng)不明顯。至90 d 齡期，由于火山石吸附的水釋放，起到內(nèi)養(yǎng)護(hù)效果，強(qiáng)度得到一定提高[4]。

2.3 自收縮與干燥收縮分析

自收縮是指混凝土在與外界無(wú)物質(zhì)交換的條件下，膠凝材料的水化反應(yīng)引起的毛細(xì)孔負(fù)壓和內(nèi)部相對(duì)濕度降低導(dǎo)致的宏觀體積的減小。由于測(cè)試C30 強(qiáng)度等級(jí)對(duì)應(yīng)的火山石混凝土和石灰石混凝土的自收縮基本為零，故本文僅對(duì)C40 混凝土的自收縮進(jìn)行比較。干燥收縮指混凝土置于低于混凝土濕度的環(huán)境中時(shí)，水化硅酸鈣物理吸附水損失導(dǎo)致了收縮應(yīng)變?；鹕绞炷僚c石灰石混凝土早期自收縮率、干燥收縮率分別如圖4、圖5 所示。

圖4 火山石混凝土與石灰石混凝土的自收縮

圖5 火山石混凝土與石灰石混凝土的干燥收縮

由圖4 可見(jiàn)，C40 強(qiáng)度等級(jí)未預(yù)濕火山石混凝土、預(yù)濕火山石混凝土和石灰石混凝土3 d 自收縮率分別為1.75×10-4、0.68×10-4和0.73×10-4，C40 未預(yù)濕火山石混凝土自收縮約為石灰石混凝土的2.4 倍，且早期自收縮發(fā)展更快。其主要的原因是火山石吸水導(dǎo)致實(shí)際水膠比小于石灰石混凝土。水膠比小的混凝土漿體相對(duì)密度高，細(xì)毛細(xì)孔數(shù)量相對(duì)增加，使得火山石混凝土自收縮大于石灰石混凝土[14-15]；另一方面，火山石表面的孔洞被水泥漿漿體填補(bǔ)，使得同體積火山石混凝土進(jìn)行水化反應(yīng)的漿體體積大于石灰石混凝土，故其最終自收縮率大于石灰石混凝土[16]。

預(yù)濕骨料后的火山石混凝土能夠有效降低早期自收縮，其自收縮率較石灰石混凝土更低。這是因?yàn)轭A(yù)濕骨料至飽和面干狀態(tài)，骨料不再吸收拌合用水，實(shí)際水膠比并未減小，故自收縮小于未預(yù)濕的火山石混凝土。同時(shí)預(yù)濕后的火山石起到內(nèi)養(yǎng)護(hù)的作用，向周圍釋放水分，減少細(xì)毛細(xì)孔數(shù)量，使得預(yù)濕后的火山石混凝土自收縮發(fā)展較石灰石混凝土緩慢。說(shuō)明預(yù)濕火山石骨料，能夠有效解決火山石混凝土早期自收縮大的問(wèn)題。

由圖5 可見(jiàn)，在粗集料相同時(shí)，前28 d，C40 混凝土干燥收縮較C30 混凝土發(fā)展得更快。這主要是因?yàn)?，水泥用量和水膠比對(duì)混凝土干燥收縮影響不是直接的。因?yàn)樗酀{體體積的增加意味著骨料體積分?jǐn)?shù)降低，因此混凝土中受水分影響的變形相應(yīng)增大，C40 強(qiáng)度等級(jí)的水泥漿體體積大于C30強(qiáng)度等級(jí)的水泥漿漿體，故收縮更大[16]。而28 d 后，C30 混凝土干燥收縮發(fā)展比C40 混凝土快，這主要是由于在早期的強(qiáng)度發(fā)展中，混凝土靠近表層的水分蒸發(fā)完后，內(nèi)部水分向表層方向遷移，而C40 混凝土較C30 混凝土更致密，水分遷移緩慢，故C40 混凝土在長(zhǎng)齡期干燥收縮發(fā)展速度減慢[17-18]。

由圖5 還可以看出，粗集料不同、強(qiáng)度等級(jí)相同時(shí)，未預(yù)濕火山石混凝土與預(yù)濕火山石混凝土的干燥收縮相當(dāng)，且均大于石灰石混凝土，180 d 齡期時(shí)，約高出40×10-6，前28 d 齡期收縮速率也快于石灰石混凝土。這是由于火山石表面的孔洞被水泥漿漿體填補(bǔ)，使得單位體積的火山石混凝土水泥漿漿體的用量大于石灰石混凝土，故其最終收縮率也大于石灰石混凝土[16]。盡管火山石混凝土干燥收縮大于石灰石混凝土，但是相比較于自收縮，180 d 高出的收縮率僅為3 d 自收縮的一半，且干燥收縮主要發(fā)生在28 d 齡期前，故對(duì)于火山石混凝土應(yīng)更關(guān)注其早期自收縮和早期的養(yǎng)護(hù)。

3 結(jié) 論

（1）騰沖火山石可以參考普通混凝土進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)?；鹕绞梢耘渲瞥鯟40 強(qiáng)度等級(jí)混凝土。對(duì)于C30、C40 強(qiáng)度等級(jí)，配合比相同情況下，火山石混凝土強(qiáng)度高于石灰石混凝土。

（2）火山石表面孔隙直徑較大，多為2~5 mm，分布多，吸水速率快，0.5 h 吸水率就達(dá)到24 h 吸水率的92%，故火山石混凝土在攪拌時(shí)已經(jīng)吸水接近飽和，對(duì)混凝土坍落度損失影響小。

（3）火山石混凝土的自收縮、干燥收縮均大于石灰石混凝土。實(shí)際工程應(yīng)更加關(guān)注火山石混凝土早期的養(yǎng)護(hù)，避免因早期養(yǎng)護(hù)不當(dāng)而發(fā)生開(kāi)裂。

（4）通過(guò)預(yù)濕火山石至飽和面干狀態(tài)，在強(qiáng)度并未下降太多的情況下，可以有效減少火山石混凝土的減水劑用量，降低早期自收縮。