天然火山灰与粉煤灰复掺对混凝土工作性能的影响

陶元洪 ，徐 鑫，吴振兴，宋普涛

(1.中国路桥工程有限责任公司，北京 100011；2.中交隧道工程局有限公司，北京 100102；3.中国建筑科学研究院，北京 100013)

内马铁路是继蒙内铁路之后完全采用中国标准设计施工的又一条国际干线铁路。由于肯尼亚工业落后，缺乏粉煤灰、磨细矿渣粉、硅灰等传统矿物掺合料，使得工程配制铁路高性能混凝土变得困难。内马铁路沿线分布有丰富的天然火山灰资源，天然火山灰具有与粉煤灰相近的化学成分，能够与水泥水化产物氢氧化钙发生二次水化反应，其包括火山灰、浮石、沸石、凝灰岩、硅藻土、硅藻石以及蛋白石等，开发利用这些天然火山灰，可以就地取材，有效缓解内马铁路对混凝土矿物掺和料的需求，节省水泥用量，提高混凝土性能[1-7]，降低工程建设成本。为促进天然火山灰的应用，该文研究了天然火山灰与粉煤灰组成的掺合料体系对混凝土工作性能的影响。

1 试 验

1.1 原材料

1)水泥 采用肯尼亚拉法基集团控股Bamburi水泥厂生产的CEM Ι 42.5水泥，生产执行的标准为EN 197-1，初凝135 min，终凝178 min，3 d和28 d抗压强度分别为22.2 MPa、55.8 MPa，比表面积315 m2/kg。

2)粉煤灰 采用印度I级粉煤灰，细度 (45 μm筛余)10.1%，需水量比85%，烧失量1.45%。

3)细骨料 机制砂和河砂1∶1混合，细度模数2.6，石粉含量6.8。

4)粗骨料 5～20 mm连续级配碎石，岩性为玄武岩，母材强度140 MPa，表观密度2 740 kg/m3，吸水率1.1%，压碎值7%，针片状含量4%。

5)减水剂 国内某聚羧酸减水剂，固含量31%，减水率28.5%。

1.2 试验配合比

火山灰与粉煤灰分别按照(30%、0)，(20%、10%)，(10%、20%)，(0、30%)的比例等质量取代水泥时。C35混凝土试验配合比见表1，C45混凝土试验配合比见表2。

表1 C35混凝土试验配合比

表2 C45混凝土试验配合比

1.3 方法

初始坍落度/扩展度、经时坍落度/扩展度、凝结时间、含气量、容重和压力泌水率、倒置坍落度筒排空时间参照GB/T50080规定的试验方法进行。粘度参照《黏度测试方法》GB10247规定的试验方法进行。

2 结果与分析

C35混凝土的拌合物性能试验结果见表3及图1、图2所示。C45混凝土的拌合物性能试验结果见表4及图3、图4所示。

表3 C35混凝土拌合物性能试验结果

编号压力泌水率/%倒筒时间/s含气量/%凝结时间(h∶min)初凝终凝K125142.68 h 45 min12 h 35 minK218171.99 h 35 min14 h 10 minK313142.59 h 45 min14 h 15 minK414132.89 h 45 min14 h 20 minK516103.39 h 55 min14 h 35 min

表4 C45混凝土拌合物性能与抗压强度试验结果

2.1 压力泌水率

由表3及表4中压力泌水率试验结果可知：1)C35混凝土的压力泌水率随着掺合料的掺入而降低；2)与火山灰相比，粉煤灰的掺入更有利于混凝土拌合物压力泌水率的降低；3)双掺火山灰与粉煤灰可进一步降低混凝土拌合物的压力泌水率，在掺入质量相同的情况下，双掺粉煤灰与火山灰比单掺对压力泌水率的降低作用更明显，火山灰与粉煤灰质量比例为1/2及2/1时混凝土拌合物的压力泌水率最低仅为10%；4)掺合料对C45混凝土拌合物压力泌水率的影响规律与C35混凝土相同，与C35混凝土相比，C45混凝土拌合物的压力泌水率更低。

2.2 倒筒时间

由表3及表4中倒筒时间试验结果可知：粉煤灰与火山灰的掺入对混凝土拌合物压力泌水率的影响规律与其对混凝土倒筒时间的影响规律相同。1)倒筒时间随着掺合料的掺入而降低；2)掺粉煤灰的混凝土拌合物倒筒时间更低；3)火山灰与粉煤灰质量比例为1/2及2/1时混凝土拌合物的倒筒时间相近，两者大于单掺粉煤灰的混凝土拌合物的倒筒时间，但均小于单掺粉煤灰的混凝土拌合物倒筒时间；4)掺合料对C45混凝土拌合物倒筒时间的影响规律与C35混凝土相同，但C45混凝土拌合物的倒筒时间相对更低。

2.3 含气量

表3及表4中含气量试验结果表明：1)粉煤灰的掺入可提高混凝土拌合物的含气量，火山灰的掺入使混凝土拌合物的含气量降低，双掺火山灰与粉煤灰可使混凝土拌合物含气量控制在较为适中的范围。2)与C35混凝土相比，火山灰与粉煤灰的掺入对混凝土拌合物含气量的影响更为明显，粉煤灰与火山灰按照1/2及2/1的质量比例取代水泥时，C45混凝土拌合物的含气量仍高于未掺火山灰与粉煤灰的混凝土拌合物，而C35混凝土拌合物的含气量则与未掺火山灰及粉煤灰的混凝土拌合物含气量相当。

2.4 凝结时间

表3及表4中凝结时间试验结果表明：1)火山灰与粉煤灰的掺入使混凝土初凝时间及终凝时间延长，两者的“火山灰”效应延迟了浆体中胶凝材料体系的的水化反应历程，钙矾石等水化产物生成时间更久，混凝土凝结时间延长；2)与火山灰相比，粉煤灰的掺入对混凝土凝结时间影响更明显；3)与C35混凝土相比C45混凝土的初凝时间和终凝时间相当更短，但两者凝结时间均能满足施工要求。

2.5 坍落度和扩展度

由图1及图3试验结果可知：1)火山灰及粉煤灰的掺入使混凝土拌合物的坍落度增大，拌合物扩展度增加；2)粉煤灰的掺入对混凝土拌合物的坍落度及扩展度影响更敏感，与火山灰相比粉煤灰的掺入可进一步提高混凝土拌合物的坍落度及扩展度；3)火山灰与粉煤灰的掺入对C35混凝土拌合物坍落度及扩展度的影响规律与其对C45混凝土拌合物的影响规律一致，与C35混凝土相比，等比例取代水泥后，C45混凝土拌合物的初始坍落度及扩展度更大；4)双掺火山灰与粉煤灰时，混凝土拌合物的坍落度与扩展度均大于单掺火山灰的混凝土拌合物，略低于单掺粉煤灰的混凝土拌合物，但混凝土拌合物的坍落度经时损失及扩展度经时损失均得到降低，火山灰与粉煤灰按照2/1的比例掺配时混凝土拌合物的坍落度及扩展度经时损失量最小。

粉煤灰的“滚珠效应”及双掺火山灰与粉煤灰的“微集料”填充效应增加了混凝土拌合物体系的有效水胶比，混凝土流动性提高，坍落度及扩展度更大。火山灰与粉煤灰的“火山灰”效应使胶凝材料体系的水化速率降低，因水化需水引起的自由水数量减少速度降低；火山灰与粉煤灰的掺入对混凝土和易性的改善使混凝土拌合物保水性提高，拌合物浆体中自由水分散失速率降低，两者共同作用使得混凝土流动度经时变化量减小。

2.6 混凝土粘度

由图2及图4试验结果可知：1) C35混凝土拌合物与C45混凝土拌合物的粘度值均随火山灰的掺入增大，且随粉煤灰的掺入降低；2)双掺火山灰与粉煤灰可使混凝土拌合物粘度适中，避免因粘度过大可能造成混凝土输送困难以及粘度过小导致的混凝土粘聚性降低，易出现分层、离析等问题。粉煤灰与火山灰的形貌效应，微集料填充效应等共同作用影响混凝土拌合物的粘度。

3 结 论

a.混凝土的压力泌水率随着掺合料的掺入降低，与火山灰相比，粉煤灰的掺入更有利于混凝土拌合物压力泌水率的降低，双掺火山灰与粉煤灰可进一步降低混凝土拌合物的压力泌水率；倒筒时间随着掺合料的掺入降低，掺粉煤灰的混凝土拌合物倒筒时间更低。

b.粉煤灰的掺入可提高混凝土拌合物的含气量，火山灰的掺入使混凝土拌合物的含气量降低，双掺火山灰与粉煤灰可使混凝土拌合物含气量控制在较为适中的范围。

c.火山灰及粉煤灰的掺入使混凝土拌合物的坍落度增大，拌合物扩展度增加，粉煤灰的掺入对混凝土拌合物的坍落度及扩展度影响更敏感，与火山灰相比粉煤灰的掺入可进一步提高混凝土拌合物的坍落度及扩展度。

d.C35混凝土拌合物与C45混凝土拌合物的粘度值均随火山灰的掺入增大，且随粉煤灰的掺入降低，双掺火山灰与粉煤灰可使混凝土拌合物粘度适中。

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