川藏地区不同掺合料对混凝土性能影响的研究

李 凤 玉

(中国水利水电第七工程局有限公司 试验检测研究院，四川 成都 611730)

1 概 述

川藏地区现有大量在建的水电、公路与铁路工程，混凝土用量大，但该地区粉煤灰资源紧缺，从外地采购运距远、价格高；同时，川藏公路运输繁忙、时有中断，严重影响到粉煤灰的供应保障，存在诸多问题。根据相关调研：该地区分布着丰富的磷渣粉、火山灰和硅灰等掺合料资源，总产能>100万t/a，若能将其广泛应用到工程中，将有效缓解粉煤灰短缺的问题。具体分析于后：

(1)磷渣粉是生产黄磷的附加产品，具有较高的活性。长科院与中电建中南院的相关研究表明：掺磷渣粉混凝土的力学性能和耐久性与同掺量粉煤灰混凝土相当，但其极限拉伸强度和拉伸值更高，早期水化温升更低，更有利于混凝土抗裂[1，2]。目前，磷渣粉已在大朝山水电站、索风营水电站、贵清高速和雅康高速等多个水电、公路工程中得到应用。

(2)火山灰是一种SiO2含量>50%且含有少量玻璃体的天然掺合料。苏洼龙水电站前期建设中使用了大量火山灰，实际应用结果表明：掺火山灰混凝土的力学性能与同掺量粉煤灰混凝土相当，但干缩率较大[3]。叶巴滩水电站可替代粉煤灰掺合料相关研究结果表明：<40%掺量下掺火山灰和粉煤灰混凝土的强度、耐久性相当，但掺火山灰的混凝土干缩率更高，而掺磷渣粉混凝土的强度优于掺粉煤灰和火山灰的混凝土[4]。

(3)掺加适量的硅灰可以提高混凝土的力学性能[5]。目前水电、铁路、公路工程已普遍采用硅灰以提升混凝土的强度和耐久性。

磷渣粉与火山灰在水电行业中的应用较多，而硅灰在公路、铁路、港口等市政行业的应用更多。为拓宽掺合料的应用领域，以典型隧道衬砌混凝土为例，详细阐述了对采用川藏地区典型的花岗岩和河滩骨料、掺加上述掺合料对混凝土性能影响进行的研究。

2 试 验

2.1 原材料

所用主要原材料均来自川藏地区。

水泥：采用四川天全西南水泥厂生产的P·O42.5水泥和西藏山南华新水泥厂生产的P·O42.5水泥。

粉煤灰：采用四川金堂某公司生产的F类I级粉煤灰和宁夏某公司生产的F类Ⅱ级粉煤灰，分别与四川地区的花岗岩骨料和西藏地区的河滩骨料搭配。

磷渣粉：采用四川雅安某公司生产的L95级磷渣粉。

火山灰：采用四川炉霍某公司生产的安山岩火山灰。

硅灰：采用四川荥经某公司生产的S92级硅灰。

以上掺合料物理性能见表1。

表1 掺合料物理性能表

骨料：采用四川泸定花岗岩骨料场和西藏昌都河滩骨料。

外加剂：减水剂采用上海三瑞和北京中安生产的缓凝型聚羧酸高性能减水剂，引气剂采用同厂家的配套产品。

2.2 试验方法

混凝土配合比设计遵照《普通混凝土配合比设计规程》JGJ 55-2011；拌合物性能及硬化性能试验遵照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》GB/T 50080-2016、《普通混凝土力学性能试验方法标准》GB/T 50081-2002和《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法标准》GB/T 50082-2009。

2.3 配合比

基于所选定的4种掺合料，采用7种掺合料方案制备混凝土。C35衬砌混凝土试拌参数见表2。由于不同掺合料的活性不同，在实际拌合过程中对不同掺合料方案的混凝土试拌配合比用水量进行了动态调整，如活性较高的硅灰水胶比取值高于活性较低的火山灰；同时，由于不同掺合料的需水量不同，对用水量进行了动态调整以控制拌合物的工作性能。

表2 C35衬砌混凝土试拌参数表

在混凝土试验过程中，由减水剂生产厂家的技术人员在现场对减水剂和引气剂配方进行调整，使采用不同掺合料方案的混凝土的上述外加剂用量大致相同。

3 取得的结果与讨论

3.1 抗压强度

对采用两种岩性骨料、不同掺合料方案的混凝土各龄期抗压强度进行了试验，不同掺合料方案的混凝土各阶段强度发展情况见图1。采用不同掺合料的混凝土28 d/7 d抗压强度增长率差异较大，其中，复掺磷渣粉+硅灰的强度增长率最高，为141%；单掺粉煤灰的强度增长率最低，为126%。此外，采用不同掺合料的混凝土后期抗压强度增长率差异较小，56 d/28 d的平均比值为110%～120%，90 d/56 d的平均比值为100%～110%。

图1 不同掺合料方案的混凝土各阶段强度发展示意图

相同水胶比水平(0.41～0.43)下，取得了采用不同掺合料方案的混凝土抗压强度，不同掺合料方案的混凝土各龄期抗压强度见图2。

图2 不同掺合料方案的混凝土各龄期抗压强度示意图

强度由高到低为：单掺硅灰>单掺磷渣粉>单掺粉煤灰>单掺火山灰。就单掺方案而言，掺硅灰、磷渣粉混凝土90 d强度与掺粉煤灰混凝土相比高25%，与掺火山灰混凝土相比高35%。此外，单掺火山灰混凝土在各龄期的强度最低，且其90 d抗压强度不满足43.2 MPa的配制强度。由此得出结论：单掺火山灰不适宜配制C35以上的混凝土。但通过与硅灰复配，则火山灰可以满足使用要求。

3.2 耐久性

当混凝土强度处于相同水平时，除单掺火山灰、复掺磷渣粉+粉煤灰的混凝土外，其它方案中的混凝土电通量均满足<1 200 C的要求。不同掺合料方案中混凝土电通量与水胶比之间的关系见图3。因此，若以火山灰作为混凝土掺合料，则需将其与其它掺合料复配。

图3 不同掺合料方案中混凝土电通量与水胶比关系示意图

花岗岩骨料混凝土干缩率见图4，河滩骨料混凝土干缩率见图5。试验结果表明：除单掺火山灰、复掺磷渣粉+粉煤灰的混凝土90 d干缩率> 400 με，其他掺合料方案的混凝土收缩率均< 400 με，体积稳定性更强。

图4 花岗岩骨料混凝土干缩率示意图

图5 河滩骨料混凝土干缩率示意图

不同岩性骨料混凝土抗渗、抗冻性数据见表3。试验结果表明：不同掺合料方案中的混凝土在90 d时的抗渗等级均>P12。此外，除采用花岗岩骨料、单掺8%硅灰的混凝土抗冻等级难以达到F350外，其它混凝土抗冻等级均>F350。

表3 不同岩性骨料混凝土抗渗、抗冻性数据表

4 结 语

采用川藏地区的磷渣粉、火山灰、硅灰等掺合料，通过单掺或复掺方式可以配制出满足工作性能、力学性能、耐久性和体积稳定性要求的C35隧道衬砌混凝土。研究表明：在相同水胶比水平下，单掺磷渣粉和硅灰的混凝土表现出最优的力学性能及干缩率，可进一步通过配合比优化降低混凝土总胶材的用量，节约生产成本。该研究成果被川藏地区工程建设中采用，为可替代粉煤灰掺合料设计、生产混凝土提供了理论依据和技术储备。