流纹岩微粉对梁体混凝土性能的影响研究

王浩 谭盐宾 张国然 葛昕 郑永杰 许大海 杨鲁

1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；2.中铁十七局集团第三工程有限公司，石家庄 050227

随着高速铁路、水电工程、工民建等的快速发展，对广泛应用于混凝土的粉煤灰需求量增加［1］，我国多地出现粉煤灰紧缺局面，亟待开发替代材料。在我国西南地区，特别是在云南、四川两省和西藏自治区，由于水力资源丰富，电力供应主要以水力发电为主，火力发电厂极少，粉煤灰极度紧缺，外运粉煤灰价格居高不下且质量难以保证；西南地区地处欧亚板块地震活跃带，古火山分布多，具有丰富的天然火山灰和火成岩资源［2-3］。与粉煤灰相似，火成岩的化学成分以SiO2、Al2O3、Fe2O3等为主，将其磨细加工至一定细度后具有较好的潜在水化活性，能有效改善混凝土拌和物性能并提高耐久性能，可作为混凝土用矿物掺和料［4-8］。目前火山灰质材料在水利工程和公路工程中有一定规模应用，铁路工程中初步应用于我国承建的肯尼亚蒙内铁路［9-10］。流纹岩微粉在铁路工程预应力结构中应用甚少。本试验选取粉煤灰和流纹岩微粉两种矿物掺和料，对比其对梁体混凝土性能的影响，探讨用流纹岩微粉替代粉煤灰的可行性。

1 原材料与混凝土配合比

1.1 原材料

水泥为北京金隅北水环保科技有限公司P·O 42.5级水泥；粉煤灰（Fly Ash，FA）为天津国华盘山发电有限责任公司F类Ⅰ级粉煤灰；流纹岩微粉（Micropowder of Rhyolite，MR）由甘肃立之林建材有限公司生产，其性能指标检测结果见表1。矿粉为三河天龙新型建材有限公司S95 级矿粉；砂为曲阳县达铭建材有限公司提供的中砂，细度模数2.5；碎石为涞水县顺合建材有限公司生产的5 ～20 mm 级配碎石；外加剂为北京市成城交大建材有限公司生产的减水剂和引气剂。

表1 流纹岩微粉性能指标检测结果

1.2 混凝土配合比

混凝土强度等级为C55，具体配合比见表2。其中：FA-30 表示粉煤灰质量掺量为30 kg/m3，其他以此类推。混凝土入模坍落度为200 ～220 mm，含气量2%～4%。

表2 混凝土配合比 kg·m-3

2 试验方案

2.1 试验地点

工程现场试验位于北京东郊试车线Ⅰ线大桥13#—14#墩处，于2020年4月1日至4月14日在梁体混凝土时掺加了流纹岩微粉。T梁采用高性能聚氨酯防水层、2 000 MPa级高强度预应力体系。

2.2 混凝土性能试验方法标准

混凝土工作性能按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》测试混凝土坍落度和含气量；混凝土力学性能按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》测试抗压强度、抗折强度和弹性模量；耐久性能和体积稳定性按照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》测试混凝土电通量、抗冻性、收缩以及徐变。

2.3 T梁混凝土温升及应变测试

分别测试T梁跨中截面、单侧梁端截面的顶板、腹板和下翼缘马蹄处混凝土内部温升和应变。其中跨中截面埋设8 个温度和应变测点，单侧梁端截面埋设5个温度测点，见图1。

图1 T梁混凝土内温度和应变测点布置

3 试验结果分析

3.1 流纹岩微粉对新拌混凝土工作性能的影响

掺加不同矿物掺和料新拌混凝土工作性能测试结果见表3。可知：两种矿物掺和料掺量相同时，混凝土对外加剂的需求量基本相同，其中掺加流纹岩微粉混凝土减水剂掺量略高，而引气剂掺量略低；流纹岩微粉掺量增加时，须提高减水剂用量才能使混凝土工作性能满足要求。这是因为流纹岩微粉呈不规则粗糙结构［11］，掺入混凝土后需水量增加，若保持混凝土坍落度不变，需增加减水剂的掺量。

表3 新拌混凝土工作性能测试结果

3.2 流纹岩微粉对硬化混凝土性能的影响

1）力学性能

掺加不同矿物掺和料混凝土的抗压强度、抗折强度以及弹性模量随龄期变化情况见图2 和表4。由图2 和表4 可知：掺加不同矿物掺和料混凝土力学性能均满足设计要求。掺量相同时，掺加流纹岩微粉混凝土各龄期力学性能均高于掺加粉煤灰混凝土，且硬化混凝土的力学性能随流纹岩微粉掺量增加而提高。

图2 掺加不同矿物掺和料混凝土抗压强度随龄期变化曲线

表4 掺加不同矿物掺和料混凝土抗折强度和弹性模量对比

2）耐久性能

掺加不同矿物掺和料混凝土的电通量和抗冻性能对比见图3。可知：①随着龄期增加，混凝土电通量显著降低；粉煤灰和流纹岩微粉掺量相同时混凝土电通量相差不大，90 d时掺加粉煤灰混凝土电通量略高；混凝土电通量随流纹岩微粉掺量增加而降低。②随着冻融循环次数增加，掺加不同矿物掺和料混凝土相对动弹性模量均大于93%，冻融循环275 次时三种混凝土相对动弹性模量相差不大，超过275 次后掺加粉煤灰混凝土相对动弹性模量逐渐小于掺加流纹岩微粉混凝土，说明掺加流纹岩微粉混凝土抗冻性能优于掺加粉煤灰混凝土。

图3 掺加不同矿物掺和料混凝土电通量和抗冻性能对比

3）体积稳定性

掺加不同矿物掺和料混凝土收缩率与徐变度随龄期变化曲线见图4。可知：①随着龄期增加，三种混凝土的收缩率均呈逐渐增加趋势，相同掺量时掺加粉煤灰混凝土收缩率大于掺加流纹岩微粉混凝土。120 d前流纹岩微粉掺量6%（30 kg/m3）的混凝土收缩率明显大于掺量12%（60 kg/m3）的混凝土，150 d 时两者相差不大。②流纹岩微粉掺量12%的混凝土徐变度总体上大于掺加粉煤灰混凝土，28 ～45 d时前者徐变度显著增加，而后增幅渐缓。相同掺量（6%）时掺加流纹岩微粉混凝土徐变度与掺加粉煤灰混凝土相差不大，60 d 前掺加粉煤灰混凝土徐变度稍大，之后掺加流纹岩微粉混凝土稍大。

图4 掺加不同矿物掺和料混凝土收缩率与徐变度随龄期变化曲线

3.3 T梁混凝土温升和应变

不同矿物掺和料混凝土温度和应变时程曲线见图5。其中，图5（a）为梁端截面4#测点温度随时间变化曲线，图 5（b）为跨中截面 6#、7#、8#测点应变均值随时间变化曲线，试验从完成混凝土浇筑后开始测试。可知：①梁端截面14 h 时掺加流纹岩微粉混凝土内部温度达到峰值52.75 ℃，混凝土浇筑时入模温度为22.50 ℃，混凝土温升为30.25 ℃；18 h 时掺加粉煤灰混凝土内部温度达到峰值43.00 ℃，混凝土入模温度为13.50 ℃，混凝土温升为29.50 ℃。可见，掺加流纹岩微粉混凝土内部温度达到峰值的时间比掺加粉煤灰混凝土提前4 h，而两者温升相差不大。②两种混凝土的拉应变均随着测试时间延长而逐渐增加。测试时间为10.5 d 时，掺加流纹岩微粉混凝土应变为53.30×10-6，掺加粉煤灰混凝土应变为127.38×10-6，前者明显小于后者；测试时间为90 d 时两种混凝土应变相差不大，掺加流纹岩微粉混凝土的应变略大于掺加粉煤灰混凝土。

图5 掺加不同矿物掺和料混凝土温度和应变时程曲线

4 结论

1）掺量相同时，两种矿物掺和料混凝土对外加剂的需求量基本相同，减水剂的掺量随流纹岩微粉掺量增大而增加。

2）掺量相同时，掺加流纹岩微粉混凝土的力学性能和耐久性能均较掺加粉煤灰混凝土有所提高，且随着流纹岩微粉掺量增加，混凝土更密实，力学性能和耐久性能进一步提高。

3）掺量相同时掺加粉煤灰的混凝土收缩率大于掺加流纹岩微粉混凝土。120 d 前流纹岩微粉掺量12%的混凝土收缩率明显小于掺量6%的混凝土，150 d 时两者收缩率相差不大。流纹岩微粉掺量12%的混凝土徐变度总体上大于掺加粉煤灰混凝土，28 ～45 d 时前者徐变度显著增加，而后增幅渐缓。两种矿物掺和料掺量相同时混凝土徐变度相差不大，60 d 前掺加粉煤灰混凝土徐变度稍大，之后掺加流纹岩微粉混凝土徐变度稍大。

4）掺加流纹岩微粉混凝土内部温度达到峰值的时间比掺加粉煤灰混凝土提前4 h，而两者温升相差不大。10.5 d时掺加流纹岩微粉混凝土应变明显小于掺加粉煤灰混凝土，90 d 时掺加流纹岩微粉混凝土的应变略大于掺加粉煤灰混凝土。

综上，相同掺量时，掺加流纹岩微粉混凝土的拌和物性能、力学性能和耐久性能基本与掺加粉煤灰混凝土相当，可替代粉煤灰应用于T梁。