肯尼亚天然火山灰质材料用于混凝土的技术指标研究

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▍发表于《施工技术》2015年08月第15期

夏京亮1，胡钊光2，丁立金2，陶元洪2，王晶1，周永祥1
( 1．中国建筑科学研究院，北京 100013; 2．中国路桥工程有限责任公司，北京 100011)

「摘要」

对比研究了两种采自非洲肯尼亚的天然火山灰和粉煤灰作为掺和料用于混凝土的关键技术指标，即流动度比和活性指数，并通过试验研究了复合石灰石粉、物理激发和化学激发 3 种方式对其改善效果。结果表明: 天然火山灰流动度比稍差于粉煤灰，活性指数与粉煤灰相差无几，作为掺和料用于混凝土具有较高后期强度发展潜力。复合 10% 掺量石灰石粉能够改善天然火山灰性能，机械激发效果较好，化学激发效果相对较差。
「关键词」

混凝土; 天然火山灰; 掺和料; 激发; 试验

目前国内外普遍在混凝土中掺加粉煤灰、矿渣粉以及硅灰等活性矿物掺和料，改善混凝土和易性、延缓水化放热速度、减少开裂、提高耐久性，从而实现混凝土高性能化［1］ 。然而，在缺乏粉煤灰、矿渣等工业废渣的地区，寻找并开发替代性资源作

为混凝土矿物掺和料，具有十分重要的意义和价值。肯尼亚蒙巴萨-内罗毕铁路工程施工过程中，由于当地缺少粉煤灰、矿渣，必须要寻找替代性资源。

肯尼亚当地分布着大量火山，早期当地火山活动会留下大量的火山喷发物及其衍生矿物，可以统称为天然火山灰质材料［2］。天然火山灰质材料作为掺和料用于混凝土，具有与粉煤灰、烧黏土、烧页岩等人工火山灰质材料类似的作用［3］。天然火山灰质材料作为混凝土掺和料，有两个技术指标至关重要: ①流动度比直接关系到对混凝土工作性的影响; ②活性指数决定了对混凝土力学性能的影响。本文对比研究了两种天然火山灰和粉煤灰的流动度比和活性指数，并通过复合石灰石粉、物理激发和化学激发研究了这两个指标的改善方案。

1 试验

1. 1 原材料

（1）天然火山灰质材料其化学组成如表 1 所示，主要化学成分为 SiO2， Al2O3， Fe2O3。其基本性能如表 2 所示，与粉煤灰的对比试验采用粉磨30min 的两种火山灰，复合石灰石粉和化学激发试验采用粉磨 30min 的 2 号火山灰，机械激发试验采用 3 种不同粉磨时间的 1 号火山灰。

（2）粉煤灰某电厂Ⅰ级粉煤灰( 见表 1) 。

（3）石灰石粉其化学组成如表 1 所示，取自恩施地区，细度为 45μm 筛余 14. 5% ， 28d 活性指数62. 5% ，流动度比 106% 。

（4）化学激发用试剂市售分析纯，采用基准水泥、ISO 标准砂、自来水。

1. 2 试验方法

按照《水泥砂浆和混凝土用天然火山灰质材料》 JG /T315—2011 进行流动度比和活性指数试验，复合石灰石粉试验中，火山灰 + 石灰石粉的掺量分别为 30% + 0， 20% + 10% ， 10% + 20% ， 0 + 30% ，化学激发剂掺量皆为火山灰质量的 8% 。

天然火山灰粉磨采用先颚式破碎机破碎然后球磨机粉磨的方式，均为实验室用小型机械。

2 结果与分析

2. 1 对比粉煤灰

火山灰和 FA 试验结果如表 3 所示，可以看出，两种火山灰流动度比均比粉煤灰小得多，可见粉煤灰有减水作用，而 1 号火山灰有增水作用［4］，原因是两种火山灰颗粒多棱角，而粉煤灰颗粒大多数为球形，其形态效应和微集料效应更明显( 见图 1) 。1号火山灰比 2 号火山灰流动度比小 7% ，因为 1 号火山灰 MB 值较高，对水有一定的吸附作用。

由表 3 可见，7d 活性指数的试验结果为: 1 号火山灰＞ FA ＞ 2 号火山灰，28d 活性指数: FA ＞ 1 号火山灰＞ 2 号火山灰，其中 1 号火山灰和粉煤灰 28d活性指数相差不大，56d 活性指数 FA ＞ 2 号火山灰＞ 1 号火山灰。两种火山灰和粉煤灰一样，其活性指数随着龄期的增长逐渐变大，说明天然火山灰作为掺和料用于混凝土具有较高后期强度发展潜力。

2. 2 复合石灰石粉

石灰石粉具有一定的减水作用，基本上属于惰性物质，而天然火山灰需水量较大，但是有活性，两种物质以一定的比例混合作为掺和料用于混凝土可能会很好地互补，产生复合效应［5］。天然火山灰复合石灰石粉的试验情况如表 4 所示。由表 4 可以看出，随着石灰石粉掺量增加，流动度比逐渐变大，说明复合石灰石粉可以很好地改善天然火山灰作为掺和料时混凝土拌合物的工作性。在较低石灰石粉掺量情况下，复合掺和料 7d 活性指数略有提高; 石灰石粉完全取代火山灰时，7d 活性指数下降较为明显。28d 活性指数随着石灰石粉掺量的增大逐渐下降，这也证明了天然火山灰的活性。在较低掺量的情况下( 10% ) ，28d 活性指数下降较小，可以考虑低掺量复合石灰石粉，既可改善混凝土的工作性，又可使混凝土强度满足要求。

2. 3 物理激发

火山灰细度的影响如表 5 所示。结合表 2 和表5 可以看出，随着火山灰粉磨时间的加长，流动度比、7d 活性指数和 28d 活性指数等技术指标均有不同程度的提高，这是因为在机械力的作用下，天然火山灰大颗粒粉磨变细、磨去颗粒表面惰性层，从而增加了颗粒的表面活性，增加和加快活性 SiO2，Al2O3 的溶出和水化的速度; 而且粉磨使天然火山灰的粒径变小，使其具有了更好的填充作用［6］。可见，物理激发方式效果较好，考虑到粉磨时间加长，磨耗加大，应综合考虑粉磨时间和能耗的关系，以性能满足要求而能耗较为合理的时间点作为最佳粉磨时间，推荐作为天然火山灰加工参数。

2. 4 化学激发

化学激发试验结果如表 6 所示。由表 6 可以看出，除了明矾石，其他 3 种激发剂均无激发效果，且对强度有较大损害。即使明矾石也仅在前期激发效果明显，后期 28d 活性指数仅提高 2% 。考虑到激发效果不明显，有损害强度风险，且引入大量有效碱，因此天然火山灰应慎重采用化学激发方式。掺加明矾石，活性指数略有提高，可能是由于明矾石与水泥水化产生的 Ca (OH) 2 生成钙矾石(AFt)，体积膨胀，使水化水泥石孔隙结构变密实;掺加元明粉活性指数前期稍高，后期最低，可能是由于前期 SO2 4－与水化产物单硫型水化硫铝酸钙 (AFm) 反应生成钙矾石，也有密实水泥石孔隙结构的作用，但是由于掺量较大( 火山灰质量的8%)，后期多余的 SO2 4－与 Ca(OH) 2 生成石膏，产生膨胀，损害水泥石强度; KA6，KA7 组和元明粉相似，虽有助于生成钙矾石，但是掺量较大，未反应的石膏和石灰水化产生 Ca( OH) 2 均对强度贡献不大［7］。

3 结语

（1）两种火山灰在流动度比和活性指数方面均较粉煤灰差，2 号火山灰和粉煤灰流动度比相差不大，1 号火山灰和粉煤灰活性指数相差无几，且天然火山灰作为掺和料用于混凝土具有较高后期强度发展潜力。

（2）天然火山灰复合低掺量石灰石粉，能够提高流动度，且对强度影响较小，实际工程可以考虑采用该方案。

（3）天然火山灰流动度比和活性指数随着细度变小而逐渐提高，说明物理激发较为有效; 化学激发效果不明显，有损害强度风险，且引入大量碱，因此天然火山灰作为掺和料尽量慎重采用化学激发方式提高强度。

参考文献

［1］吴中伟，廉慧珍．高性能混凝土［M］．北京: 中国铁道出版社，1999．
［2］樊春喜，宋美丽．天然火山灰抑制碱硅酸反应的研究［J］．科技资讯，2013( 30) : 40- 41．
［3］周永祥，王永海，何更新，等．《水泥砂浆和混凝土用天然火山灰质材料》JG /T315—2011 解读［J］．施工技术， 2012， 41( 10) : 83- 86．
［4］毕亚丽，刘艳，张勇．粉煤灰和天然火山灰对胶砂性能影响对比试验研究 J］．西北水电，2012( 1) : 70- 72．
［5］周永祥，王永海，王思娅，等．石灰石粉的特性及对混凝土性能的影响［J］．施工技术，2014，43( 9) : 23- 27．
［6］戴军，黄沛增，斯方海．综述掺合料活性激发的研究现状［J］．陕西建筑，2010( 10) : 82- 84．
［7］周永祥，阎培渝．土壤加固技术及其发展［J］．铁道科学与工程学报，2006( 4) : 35- 40．

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