火山灰对水泥基材料强度影响及活性分析

许志杨，王春明，彭先兵，俞锋，贾涛

（苏州混凝土水泥制品研究院有限公司 江苏省高耐久性混凝土工程技术研究中心，江苏 苏州 215000）

0 引言

火山灰是指火山在喷发过程中，岩浆在急速冷却中形成的矿物质经过粉磨得到的矿物掺合料。火山灰中富含玻璃相和微晶相，本身具有一定活性，其化学组成主要有SiO2和Al2O3，可与水泥水化产生的Ca(OH)2二次反应，产生水化硅酸钙等凝胶，对混凝土有一定的增强作用[1-2]。火山灰早期填充和水化后期的火山灰效应能使混凝土更加密实，提高混凝土的抗渗和抗腐蚀性能，非常适合作为掺合料掺入混凝土中。

本试验研究了火山灰对水泥基材料的强度影响，并分析其活性。试验中，通过改变水胶比和火山灰掺量，分析水胶比和火山灰掺量对胶砂强度和火山灰强度贡献率的影响。测定长龄期的胶砂抗压强度，分析火山灰水泥基材料的长龄期强度变化。再进行火山灰的混凝土试验，分析火山灰在混凝土中的最佳替代量，对实际生产提供参考。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

水泥：西藏日喀则华新水泥厂生产的P·O 42.5；火山灰：西藏羊八井生产，细度25.4%；化学成分见表1。标准砂：厦门艾思欧生产；减水剂：东方雨虹生产的聚羧酸减水型减水剂。

表1 火山灰主要化学成分 单位：%

1.2 试验方法

胶砂试验中，胶凝材料总量不变，根据掺量改变水泥与火山灰的比例。水胶比变化时，其他原材料质量不变，改变用水量从而改变水胶比。确定胶砂的水胶比分别为0.4、0.45、0.5、0.55和0.6，改变火山灰掺量分别为0%、10%、20%、30%、40%、60%、80%、100%，分别测定胶砂7 d和28 d抗压强度。选取水胶比0.5，测定其不同火山灰掺量下7 d、28 d、60 d、90 d和120 d抗压强度，分析火山灰掺入水泥基材料对长龄期的影响。

混凝土试验中，选取水胶比0.5的C30混凝土配合比，胶凝材料质量350 kg，用水量175 kg固定不变，改变火山灰掺量0%、10%、20%、30%、40%、60%、80%、100%，测定其3 d、7 d、28 d、60 d和120 d抗压强度，分析火山灰掺量对混凝土强度的影响，对实际生产提供参考。

试验采用比强度分析法[3]，通过比强度、火山灰效应比强度、比强度系数和火山灰效应强度贡献率等指标，对不同水胶比和不同火山灰掺量的胶砂中的火山灰效应进行分析。其中水泥砂浆中单位水泥用量对水泥基材料提供的强度为R0（公式1），掺有火山灰砂浆中单位水泥用量对水泥基材料提供的强度为R1（公式2），单位火山灰提高水泥基材料的强度为Rp（公式3），火山灰对水泥基材料强度提高的贡献率为Pp（公式4），水泥水化反应对水泥基材料强度提高贡献率为Ph（公式5）。

式中：Rc为基准水泥基材料的强度值，Mpa；f为掺合料水泥基材料强度，Mpa；q为掺合料水泥基材料中水泥的质量百分数，%。

2 试验结果与讨论

2.1 胶砂流动度控制

火山灰的需水量要高于水泥，表2是0%火山灰、50%火山灰和100%火山灰的标准稠度需水量。

表2 不同掺量火山灰标准稠度需水量

由表2可知，100%火山灰的标准稠度需水量比0%火山灰标准稠度需水量高30%，相同用水量情况下，需水量过高会降低胶砂流动度，从而导致胶砂密实度不足，进而影响胶砂抗压强度。表3是不加减水剂不同火山灰掺量的胶砂流动度。

表3 不同火山灰掺量胶砂流动度

为了保证胶砂的密实度不影响其抗压强度，在不改变用水量的情况下，用减水剂对胶砂流动度进行调节，保证胶砂流动度在190～210。

2.2 火山灰掺量对强度的影响

图1和2分别是不同水胶比情况下，火山灰掺量变化对胶砂7 d和28 d抗压强度的影响。

图1 火山灰掺量对7 d抗压强度的影响

由图1可知，当水胶比为0.4～0.55、火山灰掺量10%时，胶砂7 d抗压强度略有上升，火山灰效应明显；当火山灰掺量20%时，抗压强度比掺量10%略有下降；当火山灰掺量20%以上时，胶砂抗压强度快速下降。从图2可以看出，当水胶比为0.4～0.55、火山灰掺量在20%以下时，28 d抗压强度随着火山灰掺量的增加而上升；当火山灰掺量30%时，强度略有下降；当火山灰掺量30%以上时，强度快速下降。当水胶比为0.6时，随着火山灰掺量增多，胶砂7 d和28 d抗压强度下降明显。当水胶比0.4时，火山灰掺量40%的28 d抗压强度要高于不掺火山灰的试样，当水胶比为0.45时，火山灰掺量30%的28 d抗压强度要高于掺量为0%的试样，当水胶比为0.5和0.55时，掺量降至20%。

图2 火山灰掺量对28 d抗压强度的影响

从图1和2可知，少量的火山灰掺入，会提高胶砂强度，水胶比越低，火山灰可替代水泥比例越高，火山灰效应越加明显。水胶比高于0.6，火山灰掺入提高胶砂抗压强度效果有限。纯火山灰胶砂强度很低，几乎没有活性，说明火山灰在水泥基材料中提供强度主要以火山灰效应为主。

2.3 比强度法分析

图3、4、5和6是在不同水胶比、不同火山灰掺量情况下，28 d砂浆抗压强度代入公式得到的比强度指标。

图3 火山灰掺量对R1的影响

图4 火山灰掺量对Rp的影响

图5 火山灰掺量对Pp的影响

图6 火山灰掺量对Ph的影响

由图3、4、5、6可知，随着火山灰掺量的增加，火山灰提高水泥基材料的强度Rp不断升高，火山灰效应的强度贡献率Pp也不断升高，水泥水化提供的强度贡献率Ph不断下降。火山灰在水泥胶砂中的掺量提高可以更好地发挥火山灰效应，提供更多的强度。掺量较小时，火山灰活性组分少，水化产生的Ca(OH)2相对过剩，火山灰掺量增多，与Ca(OH)2二次反应增加，火山灰效应的强度贡献率提高。结合图2，火山灰掺量较低时，火山灰效应提供的强度大于水泥降低所损失的强度，胶砂强度略有上升。随着火山灰掺量提高，火山灰效应提供的强度变大，但不足以弥补水泥降低损失的强度，胶砂强度下降。

随着水胶比的升高，相同火山灰掺量的Rp下降，Pp也下降，Ph升高，说明水胶比增大会降低火山灰效应，减少火山灰效应在胶砂中提供的强度，水胶比越大，火山灰效应越不明显。图2中，当水胶比0.6、火山灰掺量低时，火山灰效应提供的强度不能弥补水泥降低损失的强度，Pp只有7.62%，水胶比与火山灰效应呈负相关。

2.4 龄期对强度与火山灰强度贡献率P p的影响

表4为水胶比0.5时，不同火山灰掺量7 d、28 d、60 d、90 d和120 d胶砂抗压强度，图7为龄期变化对火山灰强度贡献率Pp的影响。

表4 水胶比0.5时龄期对胶砂抗压强度的影响

图7 水胶比0.5时龄期对火山灰强度贡献率Pp的影响

由表4可知，当火山灰掺量较低时，胶砂早期强度发展较快，火山灰掺量10%和20%的胶砂，7 d抗压强度分别为120 d抗压强度的85.5%和84.0%。后期强度发展较慢，60 d之后，强度基本不再发展。火山灰掺量较高时，胶砂早期强度发展较慢，火山灰掺量60%和80%的胶砂，7 d抗压强度分别为120 d强度的52.4%和25.5%，且强度会随龄期发展而发展。从图7中也可看出，火山灰掺量较低时，火山灰强度贡献率在后期几乎无变化，而火山灰掺量高时，火山灰强度贡献率在后期依旧增长，因此火山灰有利于胶砂的后期强度发展。

2.5 混凝土中火山灰掺量对强度的影响

图8为水胶比0.5时，不同火山灰掺量的混凝土抗压强度，测定龄期为3 d、7 d、28 d、60 d和120 d。

图8 火山灰对混凝土强度影响

由图8可知，火山灰掺量在0%～20%时，不同龄期的混凝土抗压强度变化较小，火山灰掺量高于20%以后，混凝土抗压强度开始下降。本试验混凝土水胶比为0.5，与胶砂相比，混凝土强度下降的火山灰掺量转折点要低于胶砂，混凝土中，火山灰掺量在20%以上，抗压强度开始随着掺量的增多快速下降，胶砂抗压强度快速下降的转折点在30%掺量。混凝土中，火山灰掺量20%以下不会损失抗压强度，28 d抗压强度也可以达到C30标准，在混凝土实际生产中，火山灰替代水泥的最佳掺量为20%，可以减少生产中的水泥用量，节省成本。

3 结论

（1）火山灰在水泥基材料中提供强度主要以火山灰效应为主，少量火山灰掺入替代水泥，可以提高抗压强度，水胶比越低，火山灰可替代水泥比例越高，火山灰效应越加明显。

（2）火山灰掺量提高可以提高火山灰强度贡献率，水胶比增大会降低火山灰效应，减小火山灰强度贡献率。火山灰对水泥基材料的长龄期强度增长有积极作用。

（3）火山灰在混凝土中可以部分替代水泥，不影响混凝土强度性能，水胶比0.5时，适宜掺量为20%。