火山灰用作碾压混凝土掺合料的可行性研究

刘小艳 许悦 左俊卿 陈雷

（河海大学 力学与材料学院，江苏 南京210098）

摘要：部分水电站工程周边缺乏粉煤灰等常用混凝土掺合料，远距离调运成本昂贵，开展替代掺合料的研究非常必要。本文对西南地区常见的火山灰进行了试验研究，测试其活性，并对掺加不同比例火山灰和磷矿渣的混凝土强度进行了正交试验，探讨火山灰用作碾压混凝土掺合料的可行性。试验结果表明，火山灰的需水量比、抗压强度比等指标均达到Ⅱ级粉煤灰的性能指标要求，单掺火山灰碾压混凝土的强度、干缩性能及热学性能等可以满足设计要求。上述结果可为工程选用火山灰作为掺合料提供试验参考。

关键词：火山灰；掺合料；碾压混凝土

1 概述

目前，国内外碾压混凝土坝的掺合料通常采用粉煤灰，而对于附近没有粉煤灰料源的水电工程，有研究者探讨了磷矿渣、铁矿渣、石灰石粉等用作混凝土掺合料的可行性，并在工程中得到了应用[1-4]。随着我国西南部在建水电站的增多，对常用掺合料的需求不断增大，部分地区既缺乏粉煤灰等常用掺合料，又缺乏有过成熟工程应用的替代掺合料。本文对火山灰用作碾压混凝土掺合料的可行性进行了试验探讨，为工程中选用替代掺合料提供参考。

2 原材料

2.1 掺合料

掺合料有磷矿渣及火山灰两种。

所提供磷矿渣为颗粒状，经试验室球磨机粉磨后使用。其品质检验结果见表1。

天然的或人工的以氧化硅和氧化铝为主要成分的矿物质材料，磨成细粉与石灰混合后再加水拌制成胶泥状态，具有水硬性能者，称为火山灰质混合材料。凝灰岩属于天然火山灰质材料。本次所用火山灰为云南省腾冲县附近开采的凝灰岩，经破碎机破碎后，由球磨机磨至所需粒径。其品质检验成果见表1。

检验结果表明，火山灰比与磷矿渣的需水量比相当，抗压强度比≥65%，火山灰满足活性混合材的品质指标要求。

表2为水泥及掺合料的化学成分分析结果。

国家自然科学基金资助项目（51009057）。

表2的化学成分分析结果说明火山灰可以是一种比较好的辅助性胶凝材料，通过类似于粉煤灰的二次水化作用，掺入水泥、混凝土后，可以发挥掺合料的作用。

2.2 其他原材料

水泥为P.O32.5。

细骨料为天然砂，细度模数2.90，细骨料含粉量为5.1%，不能满足碾压混凝土对石粉含量的要求，配合比试验中应考察是否有另外掺加细粉的必要性。

粗骨料为天然鹅卵石。经最大堆积密度试验，二级配混凝土配合比试验采用中石∶小石=52.5∶47.5。三级配混凝土配合比试验采用大石∶中石∶小石=30∶40∶30。

本次混凝土试验，采用瑞沃HC-3缓凝高效减水剂。

3 试验研究及分析

本文着重研究单掺火山灰的可行性，另外亦研究了双掺火山灰及磷矿渣。若火山灰活性不足以独立作为掺合料，则与磷矿渣双掺，用于碾压混凝土。

由需水量比试验结果可见，掺30%的掺合料时，水泥胶砂的需水量比由小到大的顺序依次是：火山灰（96.4%）＜磷矿渣（96.8%），其中掺磷矿渣和火山灰的胶砂需水量比均小于100%，说明掺这两种掺合料不会增加用水量。然后研究火山灰的活性是否满足碾压混凝土的强度要求。

3.1 胶砂性能试验

为研究火山灰及磷矿渣作为掺合料的活性，了解其掺加不同比例对混凝土强度的影响，选用不同掺合料比例进行了胶砂强度试验。由于碾压混凝土多采用大掺量的掺合料，因此，分别研究了掺合料比例为30%、50%、60%、70%时的胶砂强度随龄期的发展变化；当掺加50%及60%的掺合料时，研究了火山灰与磷矿渣比例的变化对强度的影响。试验结果见表3。

表3所示28d与60d的胶砂抗压强度结果均表明，掺加30%的磷矿渣、掺加各15%的火山灰与磷矿渣，其胶砂强度均高于水泥胶砂强度；单掺30%火山灰的胶砂强度低于水泥胶砂强度，但随着龄期的发展，两者差值逐渐变小。并且，单掺火山灰随掺量不断增大，强度下降趋势较为明显。因此，单掺火山灰时，应通过试验确定合适的掺量以满足混凝土强度等性能要求。

3.2 混凝土配合比正交试验

通过正交试验来考察掺合料等因素的变化对混凝土性能的影响。正交试验采用四因素三水平正交表，试验方案及结果见表4。

从表4可以看出，由极差的从高到低，影响混凝土抗压强度（60d）的主要因素是水胶比（D）及火山灰占总掺合料比例（C），其次是掺合料比例（B），然后是用水量（A）。14d抗压强度稍有区别，影响因素从强到弱的次序为：水胶比（D）、掺合料比例（B）、火山灰比例（C），最后是用水量（A）。直接看，最好的试验条件是第1号A1B1C1D1；根据计算的结果可以看出，可能好的试验条件也是A1B1C1D1。

根据不同影响因素的变化对混凝土强度的影响情况。水胶比是混凝土强度的最主要因素，因此，可以通过对混凝土配合比的调整，选用合适的水胶比及掺合料比例实现单掺火山灰碾压混凝土。

3.3 单掺火山灰碾压混凝土性能试验

通过对不同磷矿渣与火山灰掺合料比例的胶砂强度试验以及混凝土正交试验，考察了掺合料比例变化及火山灰比例变化对强度的影响。火山灰作为掺合料活性方面是满足强度要求的，只是掺量超过50%后必须注意掺量的加大对混凝土强度的影响，当混凝土强度等级较高时，应严格控制火山灰的比例。

在进行碾压混凝土配合比参数选择时，必须根据实际工程和施工条件，以及设计要求的技术指标，选定混凝土拌和物稠度（即VC值）的控制范围、骨料级配、混凝土的保证强度等基本配合条件，据此来确定混凝土的单位用水量、水胶比、砂率等参数。经过配合比设计并试配、调整后，得到单掺火山灰碾压混凝土，见表5。

（1）拌和性能及力学性能。单掺火山灰碾压混凝土拌和物及抗压、劈拉强度等性能测试结果见表6。

（2）混凝土极限拉伸及干缩试验结果。混凝土极限拉伸采用100mm×100mm×515mm试件进行试验，变形用电测千分表测得；混凝土干缩采用100mm×100mm×515mm棱柱体试件进行试验。试验结果见表7。

由于火山灰往往为多孔结构，容易导致干缩增大，因此，对不同比例单掺火山灰碾压混凝土及双掺磷矿渣和火山灰碾压混凝土的干缩进行了对比试验，结果见图1。

试验结果表明，单掺火山灰碾压混凝土与双掺磷矿渣和火山灰碾压混凝土的干缩未见明显差别，单掺火山灰没有明显加大碾压混凝土的干缩。

（3）混凝土热学性能试验结果。各项热学性能参数的试验结果汇总列于表8。

绝热温升测试结果表明，C15碾压混凝土绝热温升在14d龄期后趋于平缓，C20碾压混凝土绝热温升在20d龄期后趋于平缓，其28d绝热温升值均在20℃以内。

4 结论

从火山灰特性可以看出，需水量比、抗压强度比等指标均达到Ⅱ级粉煤灰的性能指标要求。试验结果也表明，单掺火山灰碾压混凝土的干缩性能与双掺磷矿渣和火山灰碾压混凝土相比，其干缩率并无明显增加；单掺火山灰碾压混凝土的各项性能指标基本可以满足设计要求。

因此，控制好火山灰的品质，火山灰可以作为掺合料；单掺火山灰碾压混凝土可以满足设计要求，用于大坝碾压混凝土的施工。

参考文献

[1] 陈秀铜，李璐．磷矿渣作掺和料的碾压混凝土性能研究 [J]．武汉大学学报，2008（8）:56-58.

[2] 陈改新，孔祥芝．石灰石粉——一种新的碾压混凝土掺和料．中国水利，2007（11）:16-18.

[3] 肖开涛，董芸，杨华全．石灰石粉用作碾压混凝土掺和料的试验研究 [J ]．长江科学院院报，2009（4）:44-47.

[4] 陆采荣，邓毅国，王珩，等．石灰石粉铁矿渣粉新型复合掺和料研究．2008碾压混凝土筑坝技术交流研讨会：8-18.