火山渣内养护对混凝土抗压强度的影响研究

陈红丽 ，温欣岚 ，夏京亮 ，周永祥 ，高超 ，张蕊

（1.中国路桥工程有限责任公司，北京 100011；2.中国建筑科学研究院，北京 100013）

0 引言

东非铁路网正在如火如荼的建设当中，“一带一路”工程肯尼亚蒙-内铁路是东非铁路网的第1段，也是国际上第1条采用中国标准修建的铁路。目前铁路工程中使用的混凝土与普通混凝土相比，除了增加矿物掺合料外，还添加了高效减水剂，水胶比普遍较低（低于0.40）。低水胶比以及高掺量矿物掺合料导致铁路混凝土水化早期自干燥现象比较严重，从而产生较大的自收缩。而蒙-内铁路所在区域将近半年的最高温度超过了30℃，年平均降水量为300～1400 mm，年均蒸发量为1450～2400 mm，蒸发量为降雨量的2～3倍，其干旱程度远超过我国西部地区。因此，混凝土的收缩较大，更容易发生早期开裂[1-2]。

混凝土内养护技术最早由Philleo提出，即在混凝土中引入内养护材料，当混凝土内部出现自干燥现象时释放水分，维持混凝土水化的进行，其经过20多年的发展，目前已成为减小混凝土收缩，提高混凝土抗裂性能的一项新技术。常用的内养护材料为轻集料和高吸水树脂，火山渣是一种天然轻骨料，可作为内养护材料使用[3-5]。蒙内铁路沿线火山渣分布广泛，采用火山渣作为轻骨料内养护材料可以就地取材，节约成本。本研究选取实际工程中常用的C40和C60两个强度等级的混凝土，对比研究火山渣轻骨料内养护技术对不同强度等级混凝土力学性能的影响规律。

1 试验

1.1 原材料

水泥：北京金隅生产的P·O42.5水泥；火山灰：肯尼亚天然火山渣磨细后粉体，细度（45 μm筛筛余）11.3%，流动度比91%，烧失量0.21%，7 d活性指数68%，28 d活性指数69%；细骨料：天然河砂，细度模数2.6，含泥量2.4%；粗骨料：5～20 mm连续级配的石灰岩碎石，含泥量0.4%，压碎值5.7%；减水剂：山西佳维生产的聚羧酸减水剂，减水率38%，固含量40%。

火山渣轻骨料：取自肯尼亚Simba地区，该地天然火山灰质材料为黑色多孔渣粒状，是典型的火山渣（如图1所示），其基本性能指标见表1。

图1 火山渣的外观形貌

表1 火山渣的基本性能指标

1.2 混凝土配合比

根据原材料情况确定不同强度等级基准火山灰混凝土的配合比如表2所示。关于文中出现的几种水胶比定义如下：有效水胶比（We/B），指混凝土拌合用水与胶凝材料质量的比值；内养护水胶比（Wic/B），指火山渣轻骨料额外引入的内养护水量与胶凝材料质量的比值；总水胶比（W/B），指混凝土拌合用水和火山渣轻骨料额外引入内养护水的总量与胶凝材料质量的比值。火山渣掺量按等体积替代碎石计算。

表2 火山渣内养护天然火山灰高性能混凝土的配合比

1.3 试验方案

1.3.1 试验方法

混凝土抗压强度试验采用100 mm×100 mm×100 mm的立方体试块，为了考察实际工程环境中内养护对混凝土抗压强度的影响，试件养护方式采用室内自然环境暴露养护，养护至3 d、7 d、28 d时对试件进行抗压强度测试，分析火山渣轻骨料内养护对不同龄期混凝土抗压强度的影响规律。

1.3.2 室内自然环境暴露养护

将拌合好的混凝土试块成型在模具中，在室内自然环境中（相对湿度30%左右，温度18℃左右）养护至24 h脱模，脱模后的试块置于室内空气中养护至规定龄期进行性能测试。

1.3.3 混凝土制备

火山渣加入混凝土前要预吸水，即首先将火山渣在水中浸泡1 d后，取出置于水泥袋中沥水至饱和面干状态，然后暂时放于塑料筒内密封保存，待用。具体的成型步骤如下：

（1）按照配合比计算出水泥、火山灰、碎石、砂、水、减水剂和预湿轻骨料的质量，并且准确称量；

（2）将碎石、砂、水泥及火山灰依次倒入搅拌机干搅30 s后，再倒入拌合用水（水中混合了适量的减水剂）搅拌2 min，然后倒入预吸水的火山渣搅拌2 min，搅拌过程中加入减水剂调整混凝土的工作性；

（3）将搅拌好的拌合物一次性加入试模内，将试模置于振动台上振动成型，振动过程中要用抹刀刮去多余拌合物，反复刮抹直至混凝土表面泛浆为止。

2 试验结果与分析

2.1 火山渣内养护对C40混凝土抗压强度的影响（见表 3）

表3 火山渣内养护对C40混凝土抗压强度的影响

由表3可以看出，火山渣掺量为0～15%时，C40混凝土的抗压强度均满足设计要求。掺火山渣的混凝土与基准组的抗压强度发展类似，都是7 d前发展比较迅速，7 d至28 d发展变缓。火山渣掺量为5%、10%、15%时，其7 d抗压强度分别为28 d抗压强度的72.0%、71.5%、68.3%，即7 d前完成了大部分抗压强度发展。而且，与基准组相比，火山渣内养护C40混凝土的7 d抗压强度占28 d抗压强度的比例减小。

随火山渣掺量的增加，C40混凝土的抗压强度逐渐降低。当火山渣掺量为5%、10%、15%时，其3 d抗压强度较未掺火山渣的基准组分别降低了7.4%、11.8%、22.9%；7 d抗压强度较基准组分别降低了6.9%、11.2%、17.8%；28 d抗压强度较基准组分别降低了1.4%、5.3%、8.3%。这说明火山渣内养护对C40混凝土的早期抗压强度有不利影响，不过这一不利影响会随着龄期的延长而逐渐减弱。

2.2 火山渣内养护对C60混凝土抗压强度的影响（见表4）

表4 火山渣内养护对C60混凝土抗压强度的影响

由表4可以看出，火山渣掺量为0～30%时，C60混凝土的抗压强度也均满足设计要求。掺火山渣的混凝土抗压强度发展与基准组的抗压强度发展类似。火山渣掺量为10%、20%、30%时，其7 d抗压强度分别为28 d抗压强度的79.0%、75.5%、74.7%，即7 d前完成了大部分抗压强度发展。

随火山渣掺量的增加，C60混凝土的抗压强度逐渐降低。当火山渣掺量为10%、20%、30%时，其3 d抗压强度较未掺火山渣的基准组分别降低了2.4%、11.0%、15.0%；7 d抗压强度较基准组分别降低了0.3%、4.9%、6.8%；28 d抗压强度较基准组分别降低了0.4%、0.5%、1.2%。由7 d、28 d龄期抗压强度降低值可以看出，火山渣内养护C60混凝土的抗压强度基本与基准组抗压强度大致相等。这说明火山渣内养护对C60混凝土的早期抗压强度有不利影响，不过这种不利影响会随着龄期的延长而逐渐减弱，至28 d龄期时，火山渣的不利影响已经基本被消除。

2.3 火山渣内养护对不同强度等级混凝土影响的分析

表5为火山渣引入相同内养护水时C40、C60混凝土的抗压强度比（掺加火山渣轻骨料内养护混凝土抗压强度与基准混凝土抗压强度的比值）。

表5 引入相同内养护水时C40与C60的抗压强度比

由表5可以看出，当引入相同内养护水胶比时，C40混凝土与C60混凝土的各龄期抗压强度比有所不同，C60混凝土的各龄期抗压强度比都大于C40混凝土，从而说明火山渣内养护对不同强度等级混凝土抗压强度的影响也存在差异，对高强混凝土的强度影响更微弱。当需要对不同强度等级混凝土进行内养护时，强度等级越低的混凝土中掺加的火山渣量越少。

3 结论

（1）采用火山渣轻骨料内养护技术时，C40、C60混凝土各龄期的抗压强度均较基准组有所降低，降低的程度随着龄期的延长而逐渐减小，甚至在后期，当火山渣掺量较小时，其抗压强度接近基准组。

（2）随火山渣掺量的增加，内养护水胶比逐渐增大，C40、C60混凝土的抗压强度均逐渐降低，火山渣轻骨料内养护下，在试验掺量范围内，C40与C60混凝土的抗压强度都满足设计要求。

[1] 夏京亮，胡兆光，丁立金，等.肯尼亚天然火山灰质材料用于混凝土的技术指标研究[J].施工技术，2015，44（15）：56-58.

[2] 董汇标，胡钊光，夏京亮.养护方式对天然火山灰高性能混凝土性能的影响[J].混凝土，2016，（5）：135-138.

[3] 王嘉.高吸水树脂对超高性能混凝土性能的影响[D].长沙：湖南大学，2012.

[4] 钟佩华，刘加平，王育江，等.高吸水树脂种类与粒形对高强混凝土自收缩及耐久性的影响[J].新型建筑材料，2015，42（1）：8-12.

[5] 韩松，安明喆，郭瑞，等.陶粒内养护高性能混凝土抗裂性能的研究[J].硅酸盐学报，2015，18（5）：742-748.