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天然火山灰清水混凝土的配制及性能研究瞿东明1，喻江武1，宋普涛2，李涛1，周永祥2，夏京亮2（1中交第二公路工程局有限公司海外事业部，西安710065；2中国建筑科学研究院，北京100013）摘要：采用肯尼亚天然火山灰，研究了研磨时间对天然火山灰细度、活性和流动度比的影响；同时研究了天然火山灰与粉煤灰不同掺配比例及机制砂石粉含量对混凝土拌合物性能、抗压强度、耐久性及抗裂性能的影响，并从机理方面进行相关分析。结果表明：双掺天然火山灰与粉煤灰可以改善混凝土各项性能，细度为10%的天然火山灰与粉煤灰按照20%、10%的比例取代水泥，在机制砂石粉含量为13%时，可以配制出各项性能最优的高性能清水混凝土。关键词：天然火山灰；粉煤灰；机制砂；高性能清水混凝土；粘度Preparationandpropertiesofmanufacturedsandfair-facedhigh-performanceconcretebasedontheflyashandnaturepozzolanQuDongming1,YuJiangwu1,SongPutao2,LiTao1,ZhouYongxiang2,XiaJingliang2(1.CCCCSecondHighwayEngineeringCo.,Xian710065;2.ChinaAcademyofBuildingResearch.,Beijing100013,China)Abstract:Theworkability,thecompressivestrength,thedurability,aswellastheearly-agecrackingofconcretewhichpreparedwithflyashandpozzolanthatmixedwithdifferentproportionwasinvestigated,theinfluenceoflimestonefinescontentwasalsostudied.Atlastthemiro-mechanicsofcomplexbinderswereanalyzedbyMIPandNon-evaporablewatercontent.Theresultindicatethatthecomprehensiveperformancecanbeenhancedbyaddingflyashandpozzolan,andthefair-facedhighperformanceconcretecanobtainabestperformancewhenbepreparedwithordinaryportlandcementthatreplacedbyflyashat10%andpozzolanat20%inmass,andtheoptimalfinenessofpozzolanis10%,theoptimalcontentofmanufacturedsandis13%.Keywords:naturepozzolan;flyash;manufacturedsand;fair-facedhighperformanceconcrete;Viscosityvalue0引言天然火山灰质材料作为天然的矿物掺合料在国内外工程中的研究与应用已有多年的历史[1]。然而，由于火山喷发的年代及喷发时期周边的气候、地址状况不同，所形成的天然火山灰在物理力学性能、化学组分方面存在较大差异[2]。因此，不同地区天然火山灰的应用需要以一定试验研究作为基础。国内外关于天然火山灰质材料在混凝土工程中的应用研究多集中于普通混凝土领域，部分用于生产保温材料、空心砌体等墙体材料以及沥青混凝土[3-5]，对天然火山灰质材料水化机理及强度发展方面研究较多，关于天然火山灰质材料与其他矿物掺合料复合对混凝土耐久性方面也有一定研究，然而，天然火山灰质材料在高性能清水机制砂混凝土中的应用研究尚少。本文采用东非肯尼亚国内天然火山灰研究天然火山灰的掺入对高性能清水机制砂混凝土拌合物性能、力学性能、耐久性能及抗裂性能的影响，拓展了天然火山灰质材料的应用研究空间。1原材料及试验方法1.1原材料1）水泥：采用肯尼亚当地Bamburi水泥厂生产的CEMI42.5水泥，生产执行的标准为EN197-1:2011，水泥性能见表1；表1水泥的性能Table1Propertyofcement性能细度(80μm筛余,%)比表面积(m2/kg)密度(g/cm3)抗折强度(MPa)抗压强度(MPa)凝结时间(min)3d28d3d28d初凝终凝结果2.53203.15.38.335.652.31652202)粉煤灰：采用国内某电厂生产的I级粉煤灰，粉煤灰细度为5%，需水比为92%，流动度比为109%，粉煤灰化学成分分析见表2；3）天然火山灰质材料：采用肯尼亚境内天然火山灰，微观形貌如1图所示，化学成分分析见表3；4）碎石：采用5~31.5mm连续级配石灰岩碎石，表观密度2610kg/m3；5）机制砂：采用石灰岩中砂，石粉含量分别为7%、10%、13%、15%，对应细度模数为3.1、3.0、2.9、2.9；6）减水剂：采用国内某厂家生产的聚羧酸系高性能缓凝减水剂，减水率大于30%。表2粉煤灰的化学成分Table2Chemicalcompositionofflyash化学成分（%）SiO2Al2O3Fe2O3TiO2CaOMgONa2OK2OLOI48.9128.058.852.152.651.030.782.081.3表3天然火山灰的化学成分Table3Chemicalcompositionofnaturepozzolan化学成分（%）SiO2Al2O3Fe2O3TiO2CaOMgONa2OK2OMnOZrO245.4110.5615.362.889.1713.121.541.020.190.04图1天然火山灰微观形貌SEM图片Fig.1SEMphotographsofnaturepozzolan1.2试验方法1.2.1天然火山灰细度试验为选择合适的研磨细度，天然火山灰经颚式破碎机初步破碎后，由小型球磨机研磨成粉末，研磨时间分别控制为20min，40min，60min。参照《水泥砂浆和混凝土用天然火山灰质材料》JG/T315-2011，测试不同细度火山灰的流动度比以及7d、28d活性指数。1.2.2混凝土试验1）拌合物性能及力学性能（1）混凝土坍落度及1h后坍落度、压力泌水率、倒置坍落度筒排空试验，参照现行标准《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》GB50080进行；（2）混凝土7d、28d抗压强度试验，参照现行标准《普通混凝土力学性能试验方法标准》GB50081进行；（3）混凝土拌合物的粘度值试验，参照《黏度测试方法》GB10247规定的试验方法进行。2）耐久性及抗裂性能混凝土耐久性及抗裂性能试验参照现行标准《普通混凝土长期耐久性性能试验方法标准》GB50081进行。抗裂性能试验主要测试混凝土的早期收缩率、长期收缩率、早期开裂等级（约束刀口法）；耐久性试验主要测试混凝土抗氯离子渗透扩散系数（RCM法）。1.2.3微观分析测试采用化学结合水、压汞（MIP）分析的测试方法探究火山灰与粉煤灰的复掺效应对复合胶凝材料微观结构形成机理的影响，具体试验方法见文献[6]。2配合比及性能要求2.1混凝土基准配合比混凝土试验用C35清水高性能混凝土基准配合比及原材料用量见表4，其中机制砂(MF)石粉含量为13%，聚羧酸减水剂（SPE）掺量为胶凝材料总量的1%。表4清水高性能混凝土基准配合比Table4Basicmix-proportionoffair-facedhighperformanceconcrete水胶比砂率（%）每方混凝土材料用量（kg/m3）水泥砂石子水减水剂0.354242576710591494.252.2混凝土试验配合比在基准配比的基础上，研究了天然火山灰按（10%、20%、30%）的比例等质量取代水泥，天然火山灰NP和粉煤灰FA按（1/2、2/1）比例掺配后等质量取代水泥以及不同机制砂石粉含量（7%、10%、13%、15%）对清水高性能混凝土的拌合物性能、物理力学性能的影响，并探究了石粉含量13%时天然火山灰和粉煤灰的掺入对混凝土耐久性及抗裂性的优化规律。具体试验配合比见表5。表5清水高性能混凝土试验配合比Table4Testmix-proportionoffair-facedhighperformanceconcrete编号石粉含量(%)减水剂(%)砂率（%）胶凝材料(%)水泥粉煤灰火山灰K1131.04210000K290010K380020K470030K5701020K6702010K770300K8151.0541702010K9101.042702010K1070.95447020102.3清水高性能混凝土性能要求为满足清水高性能混凝土泵送施工要求，混凝土拌合物初期坍落度控制为180±20mm，1h坍落度损失不大于20mm；为保证清水混凝土结构物的饰面效果，混凝土拌合物应具有良好的和易性，不泌水、不离析，在振捣作用下能完整的填充模板，且粘度适中容易排出气泡；混凝土抗压强度也应满足C30混凝土设计要求，即28d抗压强度不小于43.2MPa；混凝土应具有良好的耐久性和优良的抗裂性能。3.结果及讨论3.1天然火山灰细度选择不同粉磨时间天然火山灰粉末的细度、流动度比、7d及28d活性指数试验结果见表6。表6粉磨细度的影响Table6influenceoffinenessonnaturepozzolanthroughgrind编号粉磨时间（min）细度(45μm筛余)(%)流动度比(%)活性指数（%）7d28dNP12030906467NP24010956669NP3605926570由表6试验结果可知：1）随着研磨时间增长，天然火山灰细度不断降低，在60min研磨时间内，细度和研磨时间负相关，但是在40min之前，研磨时间增加可显著降低天然火山灰细度，40min之后，研磨细度降低幅度减小；2）研磨细度逐渐降低过程中，流动度比呈先增加后减小的趋势，细度大于10%时，细度的降低可以提高浆体流动度，细度小于10%后，浆体流动度随细度的减小而降低；3）研磨细度的降低可以提高天然火山灰的活性，细度大于10%时，细度的降低对天然火山灰活性的提高更为显著，细度小于10%后，细度降低使天然火山灰7d活性指数降低，28d活性指数增加。一定细度天然火山灰的微填充作用降低了浆体的需水量，提高了浆体的流动比；而随着细度进一步增加，微填充效果削弱，逐渐增加的细度使得天然火山灰粉体比表面积急剧增大，比表面积增大使得需水量增加，流动的降低；同时过度研磨也使得细小颗粒因表面产生的大量研磨电荷而聚集，大量自由水被聚集的细小颗粒包裹也是其流动的降低的原因。研磨类物理激发的方式可以细化天然火山灰颗粒，在一定程度上提高天然火山灰微填充作用，同时细度的增大加快了SiO2、Al2O3的溶出和水化速度，两方面共同作用提高了天然火山灰的活性；研磨细度达到10%后，随着细度进一步降低7d不增反降的原因是，10%的细度时粉体体系达到最佳堆积，相对更密实，而且7d压强试验时大部分天然火山灰颗粒未充分水化，微填充作用对强度的贡献要大于水化产物的凝胶作用。因此，研磨细度为10%时，天然火山灰活性指数和流动度比最佳，此后试验均采用细度为10%的天然火山灰。3.2拌合物性能及力学性能不同天然火山灰与粉煤灰掺配比例的清水高性能混凝土拌合物的坍落度、1h后坍落度、压力泌水率、拌合物粘度、倒置坍落度筒排空时间以及抗压强度试验结果见表7。不同石粉含量的清水高性能混凝土拌合物性能即力学性能试验结果见表8。混凝土拌合物压力泌水试验结果如图2所示，粘度及倒置坍落度筒排空时间试验结果如图3所示。表7不同天然火山灰与粉煤灰掺配比例的混凝土拌合物性能及力学性能Table7Workabilityandstrengthofconcretepreparedwithdifferentpercentag