藏区火山灰用作混凝土掺合料的试验研究

王 毅, 詹 候 全, 黎 书 然, 何 碧, 杨 忠 义

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

火山灰具有一定的活性，可代替粉煤灰、硅灰、矿渣等矿物掺合料用于混凝土中以降低成本。有研究表明：火山灰早期的填充作用和水化后期的火山灰效应使得复合体系结构更为密实[1]，提高了其抗渗性和抗硫酸盐侵蚀等耐久性能[2]。因此，火山灰被用于大体积混凝土、自密实混凝土、高性能混凝土、水工建筑以及对耐久性要求较高的构筑物。国内外将火山灰作为掺合料已在水利、水电、道路等工程中得以应用，例如已建成的肯尼亚蒙-内铁路[3]，赛格怒江大桥[4]以及云南等水电工程[5]。

但西藏地区没有火电厂，导致藏区混凝土所需的重要原材料——粉煤灰极度匮乏，如果从外地采购其运距较远，将导致工程成本剧增。随着国家“碳达峰”“碳中和”战略的逐步推进，能源结构逐步优化，火电占比逐步减少已成为大趋势，粉煤灰资源的供应将进一步减少。将来藏区工程要使用粉煤灰掺合料不仅面临着工程成本的大幅增加，而且其供应亦可能无法得到保障。因此，在当地寻找可替代粉煤灰掺合料的地材对藏区工程建设具有现实意义。

鉴于上述情况，相关技术人员以区域地质调查资料为基础，结合前人研究成果和相关文献记载，以川藏铁路为轴线开展了调查研究。通过现场踏勘、无人机摄像等手段对川藏铁路沿线主要火山灰料源进行了初步地表地质调查；通过取样试验，对主要火山灰料源进行了质量评价并进行了火山灰作为混凝土掺合料的初步可行性试验。阐述了所进行的研究情况。

2 火山灰资源的调查与评价

根据川藏铁路沿线区域地层分布和火山灰(岩)岩石建造得知：雅安～泸定火山灰(岩)分布少，泸定～金沙江火山灰(岩)总体呈条带状断续分布在康定、理塘、巴塘一带，金沙江～澜沧江火山灰(岩)主要呈条带状断续分布在贡觉、察雅一带，澜沧江～怒江火山灰(岩)分布少，怒江以西仅在伯舒拉岭高山一带呈夹层状分布。按照火山灰(岩)分布与川藏铁路的区位关系，本次研究将火山灰资源的分布分为四川雅安～康定、四川康定～巴塘、西藏昌都和林芝四段。

2.1 雅安～康定段火山灰料源调查与质量评价

雅安～康定段选择了4个料源点，并对每个初选料源点进行了取样与磨片鉴定、物理力学、化学分析等试验研究。雅安～康定段火山灰分布图见图1，雅安～康定段火山灰性能试验结果见表1。

图1 雅安～康定段火山灰分布图

表1 雅安～康定段火山灰性能试验结果表

从试验结果看：雅安～康定段火山灰料源整体质量比较好，活性矿物(SiO2、Fe2O3、Al2O3之和，下同)含量较高、需水量较低、活性指数较高，从各项指标看，其性能与Ⅱ级粉煤灰相当。

2.2 康定～巴塘段火山灰料源调查与质量评价

康定～巴塘段选择了5处火山灰料源点，取样15组进行了磨片鉴定、物理力学、化学分析等试验研究。康定～巴塘段火山灰分布图见图2，康定～巴塘段火山灰性能试验结果见表2。

从试验结果看：康定～巴塘段火山灰料源活性指数在64%～70%之间，个别料场存在烧失量较大、活性矿物成分较低的问题。

2.3 昌都段火山灰料源调查与质量评价

在昌都段选择了7处火山灰料源点，取样17组并进行了磨片鉴定、物理力学、化学分析等试验研究。昌都段火山灰分布图见图3，昌都段火山灰性能试验结果见表3。

从试验结果看：昌都段火山灰料源质量参差不齐，贡觉料源点火山灰料源三氧化硫超标、烧失量较大，其火山灰性能较差；车所寺料源点火山灰烧失量较高、需水量较大、活性不高；相对而言，则巴和哈加料源火山灰质量较优，性能与Ⅱ级粉煤灰接近。

图2 康定～巴塘段火山灰分布图

图3 昌都段火山灰分布图

2.4 洛隆～林芝段火山灰料源调查与质量评价

洛隆～林芝段共完成调查点5处，取样8组并进行了磨片鉴定、物理力学、化学成分分析等试验研究。洛隆～林芝段火山灰分布图见图4，洛隆～林芝段火山灰性能试验结果见表4。

表2 康定～巴塘段火山灰性能试验结果表

表3 昌都段火山灰性能试验结果表

图4 洛隆～林芝段火山灰分布图

从试验结果看：两个料源点存在部分样品烧失量较高的现象，需水量比亦略高，但整体活性较好。

3 火山灰作为混凝土掺合料的试验研究

通过对川藏铁路沿线火山灰料源的调查，初步选择了则巴和金汤河两个质量较高的料源点进行火山灰作为混凝土掺合料的试验研究。

3.1 试验用的原材料及配合比

本次试验用的水泥为峨胜普硅P·O42.5水泥，粉煤灰为盘南Ⅰ级粉煤灰，骨料为花岗岩骨料，火山灰分别取自则巴料场、金汤河料场。其性能检测结果见表5～9。混凝土采用C35配合比，其试验配合比见表10。

表4 洛隆～林芝段火山灰性能试验结果表

表5 水泥物理力学性能试验结果表

表6 粉煤灰物理化学性能试验结果表

表7 火山灰物理化学性能试验结果表

表8 人工砂物理性能表

表9 粗骨料物理性能检测结果表

表10 试验配合比表 /kg

3.2 试验结果

3.2.1 拌合物性能

不同掺合料方案混凝土拌合物性能见表11。从试验结果看，与Ⅰ级粉煤灰相比，采用火山灰配制的混凝土用水量较高，需提高减水剂掺量。

表11 不同掺合料方案混凝土拌合物性能表

3.2.2 力学性能

不同掺合料方案的混凝土抗压强度试验结果见图5。从试验结果看：与Ⅰ级粉煤灰相比，采用火山灰配制的混凝土3 d和28 d抗压强度略高，56 d抗压强度与Ⅰ级粉煤相当。

3.2.3 耐久性能

不同掺合料方案的混凝土耐久性能见表12。从试验结果看：采用火山灰配制的混凝土抗冻和抗渗性能与Ⅰ级粉煤灰相当，具有良好的耐久性；采用火山灰配制的混凝土电通量较Ⅰ级粉煤灰高。

4 结 语

以川藏铁路为轴线对藏区的火山灰料源进行了调查并开展了试验研究。研究结果表明：川藏铁路沿线存在丰富的火山灰资源，部分火山灰料源质量较好，其性能与Ⅱ级粉煤灰接近；火山灰作为混凝土掺合料配制的混凝土力学性能与粉煤灰接近，耐久性能优良，具备用于藏区大型基础设施工程建设的潜力。

图5 不同掺合料方案的混凝土抗压强度试验结果图

表12 不同掺合料方案的混凝土耐久性能表