火山灰掺合料资源利用及综合效益研究

周丽春

摘要：文章通过火山灰掺合料的活性指数、微观形貌及成分等指标研究评价其作为混凝土掺合料的可行性。试验结果表明，在混凝土中合理掺入火山灰替代常规掺合料能满足混凝土基本强度要求。通过计算掺火山灰混凝土工程应用成本，证明其有利于降低工程造价，具有可观的经济效益和社会效益，可实现资源可持续利用。

关键词：火山灰；掺合料；混凝土；资源利用；综合效益 文献标识码：A

中图分类号：TU377 文章编号：1009-2374（2016）16-0058-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.16.028

1 概述

火山灰分为人造无机材料和天然火山灰。天然火山灰是火山运动过程中喷发出天然火山碎石和矿物质颗粒经磨细而成的。火山灰与水泥或石灰一样具有胶凝特性，混合后与水可发生水化反应生成水化硅酸钙、氢氧化钙等水化产物，并能凝结硬化具有一定强度。火山灰因其胶凝特性可作为混凝土掺合料应用于粉煤灰、矿粉等掺合料匮乏的工程建设中，具有一定的经济效益和社会效益。

2 火山灰应用可行性分析

在混凝土掺合料所有的性能参数中，活性指标最为重要。本文研究火山灰作为混凝土掺合料的可行性，其活性对其能否作为混凝土掺合料以及以多少掺量应用于混凝土制备具有决定性的作用。火山灰的掺入对水化反应进程产生影响，但最重要的是对混凝土硬化后强度产生的贡献。当然对强度的贡献是通过火山灰反应来影响作用的。一次水化中单位质量的水泥会释放出一定质量的游离钙（石灰），对所有水泥来说，游离钙的量大约是个常数（因为游离钙产生于水泥中占支配地位的硅酸盐相）。当这些游离钙与液相水分接触，生成碱性激发剂Ca（OH）2。因此在水存在的条件下，火山灰中的硅便会和Ca2+发生二次水化反应生成额外的水化硅酸钙产物。由此可见，火山灰的掺入不但起到填充效应，还能起到更为重要的火山灰效应。

2.1 试验原材料与方法

试验所用水泥为海螺P.O 42.5；火山灰为云南腾冲火山灰，其化学成分：SiO2：56.59%；Al2O3：18.12%；Fe2O3：6.05%；CaO：7.13%；MgO：2.23%；K2O：3.38%；Na2O：3.12%；TiO2：1.05%；P2O5：0.48%；MnO：0.10%；SO3：0.09%；烧失量：1.43%；砂为天然中砂，级配良好；粗骨料为天然河卵石。试验分别研究了掺合料比例为0%、30%、50%、60%、70%时的胶砂强度，并分析强度随龄期的发展变化。试验依据《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T 1596-2005）附录D“活性指数试验”

进行。

2.2 试验结果

不同比例火山灰掺合料胶砂强度试验结果表1。其中C代表水泥，VA代表火山灰。

由表1中数据可见，单掺30%天然火山灰的胶砂28d与60d抗压强度值要低于水泥胶砂强度，但随着龄期的发展，两者差值逐渐变小。当火山灰掺合料比例为50%时，随着龄期的增长，胶砂的14d、28d抗压强度均不断增大，抗压强度值低于掺量为30%的胶砂强度。当火山灰掺和料比例达到60%时，其胶砂抗压和抗折强度值随龄期变化增长趋势与掺量为30%和50%胶砂，而其同龄期强度值要更小于火山灰掺量为50%胶砂。

如前文所述，单掺天然火山灰随掺量不断增大，强度下降趋势较为明显，但是随着龄期的发展，强度曲线的斜率越来越小，说明强度下降的趋势越来越小，且强度基本满足混凝土强度及性能需求。因此，掺火山灰应用于混凝土实际工程是可行的，但需通过试验确定合适的掺量以满足工程设计要求。

3 经济效益

新型火山灰混凝土掺合料的开发与应用，不仅可以因地制宜合理利用天然火山灰材料，节约大量的运输费用，同时采用所制备的掺合料替代常规矿物掺合料，可以减少建筑业对粉煤灰、矿粉等的消耗，缓解常规掺合料资源日趋匮乏的压力。

以某碾压混凝土道路工程为例，采用常规粉煤灰和矿粉二元胶凝体系取代水泥和采用单掺火山灰取代水泥制备同强度等级混凝土成本计算见表2。从试验数据可以看出，在满足质量要求的前提下，火山灰碾压混凝土较普通混凝土每方节省20元，因此对于用量巨大的道路工程其累计节约成本是非常巨大的，可见火山灰利用的经济效益非常显著。同时火山灰的利用可以降低由于外地运输粉煤灰、矿粉掺合料的造价，这对于因地制宜、就地取材的工程还可以缩短施工周期，整体性降低工程造价，因此火山灰资源的利用具有非常可观的经济效益。

4 社会效益

大量火山灰资源循环利用有利于环境保护。细微颗粒的火山灰随空气流动或者大风吹拂会弥漫在空气当中污染大气，对人类居住、工作环境带来恶劣影响。细小的火山灰颗粒可以深入人体的呼吸道，甚至达到细支气管和肺部，损伤人体心肺功能，诱发肺部疾病和呼吸道疾病等。尤其对于抵抗力较弱的儿童和老人，其损伤性更强。因此合理处理火山灰资源与环境的协调相容性，其生态环保社会效益非常显著。

5 结语

综上分析，本文研究单掺火山灰碾压混凝土的可行性时，应充分考虑掺合料掺量及龄期对强度的影响，选择合理的掺量以满足混凝土强度及其性能的要求。火山灰资源利用从整个社会节约天然不可再生资源的角度来看，其经济效益和社会生态效益是巨大的。

参考文献

[1] 贾金生.碾压混凝土坝发展水平和工程实例[M].北京：中国水利水电出版社，2006.

[2] 姜福田.碾压混凝土[M].北京：中国铁道出版社，1991.

[3] 方坤河.碾压混凝土的耐久性[J].湖北水力发电，1997，（4）.

[4] 黄乔森.碾压混凝土基层试验路施工质量控制[J].广东公路交通，2003，（6）.

[5] Project National Francais BaCaRa（1988～1996）：Roller Compacted Concrete-RCC for Dams[M].Paris：Presse ENPC，1997.

[6] 刘威，甘亮丁.高速公路碾压混凝土路面施工技术分析[J].中国高新技术企业，2014，（12）.