新疆和田地区天然火山岩粉混凝土的耐久性研究

引言目前，我国西部等边疆、边境地区基础设施建设正全面开展，为解决当地混凝土的耐久性问题，对掺合料的需求越来越大，而对于此类工业欠发达地区，没有人工矿物掺合料可用（粉煤灰、矿粉、硅粉等），且异地运输成本过大，因此，寻求当地优质天然矿物材料替代人工矿物掺合料显得尤为迫切。新疆和田地区有着普鲁火山带这样丰富的天然火山岩资源，经过研究发现和田地区火山岩中含有无定形的SiO2晶体，是一种具有“火山灰效应”的辅助胶凝材料。赵明等[1]对新疆和田磨细天然火山岩作为混凝土掺合料的可行性进行了论证，并成功应用于和田吉音水利枢纽工程的发电厂尾水重力挡墙等实际混凝土工程中[2]，取得了良好的效果。毕亚丽等[3-4]关于云南天然火山灰作为掺合料的应用问题进行了研究。喻乐华等[5-7]对江西火山岩的组成与其活性进行了研究。夏京亮、周永祥等[8-13]在一带一路工程建设中关于非洲地区天然火山灰质材料进行了一系列研究，并成功的应用于当地的基础建设。以上学者的研究为天然火山岩的应用及推广奠定了一定基础。可见开发利用当地的天然火山岩资源，使其成为质优价廉的混凝土矿物掺合料，无疑对当地工程建设和经济发展的贡献是十分巨大的。本研究对掺加新疆和田地区天然火山岩粉的混凝土进行了一系列耐久性对比试验，以期对后续的应用提供一定参考。

1、试验部分

1.1原材料

水泥：和田洛浦天山水泥有限责任公司生产的（天山牌）P·O42.5水泥，其物理力学性能见表1。粉煤灰：库车电厂生产。火山岩粉：新疆和田地区的天然火山岩经机械研磨而成，为多孔玄武岩，颜色呈深灰色，气孔构造。细骨料：抑制骨料碱活性试验用砂为伊犁砂石料厂生产人工砂，其砂为潜在碱活性骨料，细度模数2.9，级配良好，属于Ⅱ区中砂；混凝土强度及耐久性试验用砂为和田地区人工砂，细度模数3.2，级配良好，属于Ⅱ区粗砂。粗骨料：和田地区人工碎石。水：乌鲁木齐地下水。外加剂：新疆五家渠格辉科技有限公司生产的FDN缓凝型高效减水剂及AER引气剂。各原材料的化学成分见表2。表1水泥物理力学性能指标

表2原材料的化学成分%

1.2试验方法及配合比根据各混凝土耐久性的标准规范中，对耐久性混凝土最大水胶比的要求，采用了0.50和0.45的大水胶比，通过这种最不利情况来研究火山岩粉混凝土，可掌握火山岩粉混凝土的耐久性，为应用推广提供基本性能参考。膨胀率对比试验：依据SL352—2006《水工混凝土试验规程》中抑制骨料碱活性试验（砂浆棒快速法）进行，测试龄期3、7、10、14、28、60、90d的膨胀率。试验配合比及膨胀率结果见表3。表3天然火山岩粉对骨料碱活性的抑制试验配合比及膨胀率

混凝土碳化试验：依据SL352—2006《水工混凝土试验规程》进行，按表4配合比成型相应混凝土试件，分别标准养护28d和90d龄期进行快速碳化试验，并检测碳化龄期至3、7、14、28、45d时试件的碳化深度。

表4天然火山岩粉混凝土耐久性试验配合比

混凝土抗冻性试验：依据SL352—2006《水工混凝土试验规程》进行，按表4配合比成型各试验组，养护至28d龄期后，进行冻融循环试验，每50次冻融循环后取出试件，分别测试其质量损失率及相对动弹性模量的变化。混凝土抗硫酸盐侵蚀试验：依据GB/T50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行，按表4配合比成型试件，试验过程中的注液、浸泡、排液、烘干、冷却等过程均自动进行，测试不同循环后的强度变化。2、结果与分析

2.1抑制骨料碱活性试验天然火山岩粉对混凝土骨料碱活性是否具有抑制作用，是新疆工程应用中必须考虑的重要因素，图1为不同掺合料混凝土在不同龄期时的膨胀率。图2为不同掺合料混凝土在不同龄期时的膨胀抑制效果规律。由图1可知，（1）本试验所选骨料碱活性反应较明显，其砂浆膨胀率有持续增大的趋势；（2）无论是火山岩粉还是粉煤灰，总体上随着掺量的增加，试件膨胀率逐渐下降，其中粉煤灰掺量在30%与40%时试件膨胀率几乎一样；（3）相同掺量下火山岩粉试件的膨胀率大于粉煤灰试件的膨胀率，其中火山岩粉掺量40%与粉煤灰掺量20%的试件膨胀率相近。

图1不同掺合料混凝土在不同龄期时的膨胀率由图2可知，粉煤灰掺量30%以上对骨料碱活性的抑制效果非常明显，随着龄期的增长抑制效果基本稳定。火山岩粉掺量30%以上对骨料膨胀也具有较好的抑制效果，且在反应早期抑制效果明显，随着龄期发展效果略有下降。粉煤灰掺量20%时，在反应早期对骨料碱活性抑制效果一般，但从7d龄期开始膨胀率抑制效果与40%火山岩粉相近，抑制效果明显。火山岩粉掺量10%、20%与粉煤灰掺量10%时，三者虽7d龄期后效果逐渐增强，但抑制能力较差，在反应初期对骨料碱活性抑制效果均较差。

图2不同掺合料混凝土在不同龄期时的膨胀抑制效果分析天然火山岩粉抑制碱骨料反应的机理，一是本试验采用磨细火山岩粉中的主要成分为SiO2和Al2O3，其比表面积大，能够快速吸附大量的碱溶液中的金属离子，在水化反应中消耗大量的OH-，减缓了骨料中的二氧化硅与碱反应进程，减小了膨胀，达到了抑制效果；二是火山岩粉在水化反应时降低了C-S-H中的Ca/Si比，有效的吸附溶液中Na+、K+，从而对碱骨料反应起到抑制作用，但由于火山岩粉中碱含量偏高，故在大掺量时才能较好地抑制碱骨料反应。2.2混凝土碳化试验为掌握天然火山岩粉与粉煤灰作为掺合料对混凝土碳化的影响规律，根据前期团队试验研究成果，选择了单掺+复掺火山岩粉及粉煤灰的对比试验方案，并绘制了不同掺合料混凝土在碳化试验下碳化时间与碳化深度的关系曲线，如图3所示。图3不同掺合料混凝土在不同碳化时间下的碳化深度由图3可知，相同配合比情况下，混凝土标准养护时间是影响混凝土碳化深度的关键因素。（1）标准养护90d试件的碳化深度远小于标准养护28d的碳化深度；（2）在相同养护条件下火山岩粉混凝土与粉煤灰混凝土碳化深度的发展规律相似，都随着时间的增长逐渐加深，且碳化深度在前期增加快，后期增加较慢；（3）在28d标准养护条件下火山岩粉混凝土的碳化深度略大于粉煤灰混凝土，但90d标准养护条件下火山岩粉混凝土与粉煤灰混凝土碳化深度基本相同。分析火山岩粉抗碳化的机理，混凝土抗碳化能力不仅与混凝土中的Ca(OH)2含量成正比，而且还与混凝土抗CO2的渗透性相关。首先，矿物掺合料中的活性SiO2和Al2O3会与水泥熟料水化生成的Ca(OH)2发生二次水化反应，生成C－S－H，从而降低了混凝土孔隙中的Ca(OH)2浓度，减少了CaCO3的生成，而且随着养护龄期的延长，掺合料在混凝土中的二次水化，随着水化产物的大量生成，改善了混凝土孔结构，提高其抗渗透能力，减少了CO2的侵入；其次，磨细的天然火山岩粉，其颗粒小于水泥颗粒，可填充水泥石中的毛细孔隙，提高混凝土密实性和抗渗能力。2.3混凝土抗冻试验在新疆地区冻融交替作用是影响混凝土耐久性最普遍的因素，明晰天然火山岩粉混凝土抗冻性能，是推广应用的基础，因此本试验选择成型不同掺合料及不同掺量下的混凝土，来对天然火山岩粉的抗冻性能进行研究。图4为不同掺合料混凝土在不同冻融循环次数下的相对动弹性模量，图5为不同掺合料混凝土在不同冻融循环下的质量损失率。图4混凝土相对动弹性模量发展曲线图5混凝土质量损失率发展曲线由图4和图5可知，（1）纯水泥试件相对动弹性模量下降速度最慢，质量损失率最小，纯水泥试件在200次冻融循环结束后其质量损失率仅为1.61%，相对动弹性模量为73.63%；（2）单掺粉煤灰的试件，混凝土质量损失率与相对动弹性模量下降速度均大于纯水泥试验组，但200次冻融循环结束后其相对动弹性模量仍满足大于初始值的60%，质量损失率小于5%；（3）掺30%火山岩粉试件相对动弹性模量下降速度最快，质量损失率最大，当冻融循环次数为150次时，其质量损失率与相对动弹性模量均已不符合要求；（4）复掺的试件，其质量损失率与相对动弹性模量下降速度小于火山岩粉试验组，但200次冻融循环后其相对动弹性模量仅为初始值的56.73%，质量损失率为5.57%，均不符合标准规范要求。综上所述，相同水胶比条件下，抗冻性优劣分别为：纯水泥试件＞粉煤灰试件＞复掺试件＞火山岩粉试件。但火山岩粉混凝土若采用较小水胶比且引入适当微小气泡后，其混凝土抗冻性必将有大幅度的提升。2.4混凝土抗硫酸盐试验通过对比纯水泥、单掺粉煤灰、单掺火山岩粉、复掺后混凝土抗硫酸盐侵蚀的性能，分析不同掺合料混凝土在标准养护和硫酸盐溶液干湿循环条件下不同龄期的混凝土抗压强度发展规律，来探究火山灰对混凝土抗硫酸盐侵蚀的影响。图6为标准养护条件下不同掺合料混凝土的抗压强度随龄期变化的关系曲线，图7为硫酸盐溶液干湿循环条件下不同掺合料混凝土的抗压强度随龄期变化的关系曲线，图8为不同掺合料混凝土抗压强度耐蚀系数的关系曲线。由图6可知，在标准养护条件下各配合比混凝土抗压强度随龄期的发展在78d龄期（相对60次干湿循环）前强度有明显的增长，但在78d龄期至178d龄期（相对150次干湿循环）时，纯水泥及粉煤灰组强度基本未增长，而火山岩粉组及复掺组强度仍有缓慢的增长；相同龄期下各试验组抗压强度大小依次为：纯水泥试件＞粉煤灰试件＞复掺试件＞火山岩粉试件。

图6标准养护试验组强度发展曲线由图7可知，在硫酸盐溶液干湿循环条件下各试验组在60次干湿循环前强度均在增长，纯水泥试件强度最大，粉煤灰试件次之，复掺试件与火山岩粉试件强度最低且基本相同；但在60次至90次干湿循环，除复掺试件外其他各试件强度均开始下降；90次干湿循环后各试件强度均在下降；150次时各试验组强度大小依次为：粉煤灰试件＞纯水泥试件＞复掺试件＞火山岩粉试件。

图7硫酸盐侵蚀试验组强度发展曲线由图8可知，在60次干湿循环前混凝土抗压强度耐蚀系数均大于100%，说明硫酸盐溶液干湿循环条件下混凝土早期强度增长较快；随着干湿循环次数的增加，所有试验组抗压强度耐蚀系数均在下降；150次干湿循环后各试验组抗压强度耐蚀系数大小为粉煤灰试件＞复掺试件＞纯水泥试件＞火山岩粉试件。

图8混凝土抗压强度耐蚀系数曲线因此，在硫酸盐侵蚀情况下，各混凝土早期强度相较于标准养护条件下有所增强；随着龄期的增加硫酸盐侵蚀对混凝土的劣化作用逐渐显现，尤其是火山岩粉试验组强度下降较明显，粉煤灰则表现出良好的抗硫酸盐侵蚀的特性，火山岩粉与粉煤灰复掺也表现出一定的抗硫酸盐侵蚀特性，耐蚀系数大于纯水泥试验组。

结论

（1）磨细天然火山岩粉对骨料碱活性具有抑制作用，但由于火山岩粉的碱含量偏高，故在40%及以上大掺量时，能较好地抑制碱骨料反应。（2）掺火山岩粉相较掺粉煤灰的混凝土具有相似的抗碳化能力，标准养护28d时，火山岩粉混凝土抗碳化能力略弱于粉煤灰混凝土，但延长至标准养护90