预湿火山石骨料对混凝土强度及收缩性能的影响

王震，毛雯婷，黄晓敏，李昕成，赵孝华，段发军，党玉栋

（1.云南大学建筑与规划学院，云南昆明 650500；2.云南省建筑科学研究院有限公司云南省建筑结构与新材料企业重点实验室，云南昆明 650223；3.昆明理工大学建筑工程学院，云南昆明 650500；4.腾冲世泓环保科技有限公司，云南腾冲 679100）

0 引 言

火山石（俗称浮石或多孔玄武岩）是火山爆发后由火山玻璃、矿物与气泡形成的多孔石材[1]，广泛用于建筑、水利、园林造景、无土栽培等领域。火山石资源广泛分布于我国内蒙古、张家口、海南、吉林、云南腾冲等地。火山石因产地不同，其性质以及制备成建筑材料后的性能也有较大差异[2-5]。天然火山石用于混凝土集料时，其较高吸水率将对混凝土的工作性能、物理力学性能及体积稳定性造成影响[6-7]。与石灰石混凝土相比，火山石混凝土具有自重轻、耐火、保温隔热性能好、抗震性能优良等优点[8]，火山石混凝土及其制品用于建筑工程可显著降低结构自重，减少荷载，在混凝土工程中具有广阔的应用前景[9-12]。

云南腾冲当地火山石资源非常丰富，主要切割成地砖、外墙装饰板材等，每年产生大量切割废料[13]，不仅得不到有效利用，反而需要花费高昂成本去清理。将切割废料加工成火山石粗骨料应用到混凝土中，将极大降低建设成本，提高火山石的综合利用率。但火山石固有的一些多孔、吸水特性对混凝土工作性能不利，导致腾冲当地很少用火山石粗骨料制备混凝土，相关研究结果也较少，从而阻碍了火山石混凝土的应用。本文基于质量法设计C30、C40 两种腾冲当地最常用强度等级的石灰石混凝土与火山石混凝土，对比研究了C30、C40 两种强度等级下，预湿前后火山石混凝土与石灰石混凝土拌合物性能、抗压强度、自收缩、干燥收缩性能，从而为腾冲火山石混凝土的研究与应用提供参考。

1 试 验

1.1 原材料

水泥：盈江县允罕水泥有限责任公司产海螺牌P·O 42.5水泥，主要技术性能见表1；火山灰：腾冲华辉火山石建材开发有限公司，比表面积308 m2/kg，活性指数76%；减水剂：云南石博士新材料有限公司产DS-J2 聚羧酸系高性能减水剂（缓凝型），固含量10.5%，减水率32.4%；水：自来水；细集料：腾冲当地的机制砂，细度模数3.1，其物理性能见表2。

表1 水泥的主要技术性能

表2 机制砂的物理性能

天然火山石：来自云南腾冲，其外观形貌如图1 所示，在工业显微镜下观察火山石表面孔洞，如图2 所示。通过观察统计，腾冲火山石表面孔洞的数量与分布是随机的，火山石表面孔洞较大，直径在0.1~10 mm，且直径在2~5 mm 的孔洞占比约为75%。值得注意的是，火山石表面孔洞多呈现为近似的圆形，或由2 个及2 个以上圆形融合后形成的不规则图形，少部分呈现细长椭圆形孔洞，这主要是与火山石形成时，岩浆中的气泡溢出有关。正是因为火山石表面较多的孔隙，使得火山石表观密度低于石灰石，吸水率高于石灰石。

图1 腾冲火山石外观形貌

图2 工业显微镜下火山石的表面孔洞

依据GB/T 14685—2022《建设用卵石、碎石》测试火山石和石灰石的吸水率，结果见图3。

图3 火山石和石灰石的吸水率

由图3 可见，火山石的吸水速度快，0.5 h 吸水率已经达到24 h 吸水率的92%，说明火山石的孔洞多为大孔、开孔。

火山石和石灰石粗集料的基本物理性能见表3，火山石粗集料的主要化学成分见表4，颗粒级配见表5，为更好地对比火山石与石灰石各项性能及配制成混凝土后的差异，同时考虑级配不同会影响到对比结果，故用于配制石灰石混凝土所用石灰石的级配均为按照火山石级配通过筛分重新调配而成。

表3 火山石与石灰岩粗集料的基本物理性能

表4 火山石粗集料的主要化学成分%

表5 火山石粗集料的颗粒级配

1.2 试验方法

混凝土拌合物性能、抗压强度、自收缩、干燥收缩性能分别依据GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》、GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》、GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行测试。

根据JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》，采用质量法进行火山石混凝土配合比设计，结合工作性能，对配合比的水胶比、砂率等关键参数进行了优化。

为更好地比较石灰石混凝土与火山石混凝土的各项性能的差别，先对火山石混凝土进行配合比设计，制得火山石混凝土（HC 系列）；然后采用石灰石等体积替代火山石，制得石灰石混凝土（SC 系列）；预湿骨料是将火山石预湿至饱和面干状态，具体预湿工艺：提前将火山石粗骨料在水中浸泡24 h，搅拌前，将沥水后的火山石骨料擦至饱和面干状态，搅拌时将预湿火山石骨料、细骨料、水泥、矿物掺合料一起投入搅拌机干拌1 min，再加入拌合用水和减水剂继续搅拌2 min，制得预湿火山石混凝土（YHC 系列）。各组混凝土制备过程中，通过调整减水剂掺量，使混凝土初始坍落度保持在（200±20）mm，具体配合比见表6，编号后面数字代表混凝土强度等级。

表6 火山石混凝土与石灰石混凝土配合比 kg/m3

2 结果分析与讨论

2.1 工作性能分析

火山石混凝土与石灰石混凝土的工作性能见表7。

表7 火山石混凝土与石灰石混凝土的工作性能

由表6、表7 可知，相同条件下，通过适当增加减水剂掺量能使得火山石混凝土获得较大的坍落度和扩展度。对比预湿火山石混凝土的工作性能可知，相近的工作性能下，预湿火山石可以将减水剂掺量降到石灰石混凝土相当的水平。C30、C40 火山石混凝土与石灰石混凝土1 h 坍落度损失较小。这是由于腾冲火山石的孔洞主要为大孔且孔隙较多，使得火山石的吸水速率较快，这就导致火山石在搅拌过程中已经吸水接近饱和，之后在1 h 静置过程中，再次吸收拌合用水量很少，故坍落度损失较小。

2.2 抗压强度分析

火山石混凝土与石灰石混凝土的抗压强度见表8。

表8 火山石混凝土与石灰石混凝土的抗压强度

由表8 可知，未预湿火山石混凝土各龄期抗压强度要高于石灰石混凝土，尽管预湿火山石混凝土各龄期抗压强度相对于未预湿火山石混凝土有所下降，但仍与石灰石混凝土相当。主要是由于火山石多孔、高吸水率的特点，在相同用水量情况下，未预湿的火山石骨料搅拌时吸收了拌合用水，使得未预湿火山石混凝土实际水胶比小于设计水胶比，C40、C30 混凝土水胶比分别由设计的0.40、0.55 降到约为0.39、0.49，预湿饱和的火山石混凝土不再吸收拌合用水，故水胶比基本没有变化，导致未预湿火山石混凝土的抗压强度高于预湿火山石混凝土与石灰石混凝土；另一方面，火山石所吸附的水也可以对混凝土起到一定的内养护作用，有利于强度发展[4]。尤其是对于C30 强度等级，火山石混凝土各龄期抗压强度高于石灰石混凝土的规律更为明显，而对于C40 强度等级，火山石混凝土的抗压强度略高于石灰石混凝土。在低强度火山石混凝土中，火山石骨料多，吸水导致水胶比减小的优势明显，是火山石混凝土强度高于石灰石混凝土强度的主要原因。到C40 强度等级甚至更高强度等级时，火山石吸水使得水胶比减小的优势较C30 强度等级减少。由表3 可知，火山石与石灰石的压碎指标分别为15%与8%，说明火山石骨料没有石灰石坚固，强度同时受到骨料的限制，故28 d 前火山石混凝土强度相对于石灰石混凝土增长不明显。至90 d 龄期，由于火山石吸附的水释放，起到内养护效果，强度得到一定提高[4]。

2.3 自收缩与干燥收缩分析

自收缩是指混凝土在与外界无物质交换的条件下，胶凝材料的水化反应引起的毛细孔负压和内部相对湿度降低导致的宏观体积的减小。由于测试C30 强度等级对应的火山石混凝土和石灰石混凝土的自收缩基本为零，故本文仅对C40 混凝土的自收缩进行比较。干燥收缩指混凝土置于低于混凝土湿度的环境中时，水化硅酸钙物理吸附水损失导致了收缩应变。火山石混凝土与石灰石混凝土早期自收缩率、干燥收缩率分别如图4、图5 所示。

图4 火山石混凝土与石灰石混凝土的自收缩

图5 火山石混凝土与石灰石混凝土的干燥收缩

由图4 可见，C40 强度等级未预湿火山石混凝土、预湿火山石混凝土和石灰石混凝土3 d 自收缩率分别为1.75×10-4、0.68×10-4和0.73×10-4，C40 未预湿火山石混凝土自收缩约为石灰石混凝土的2.4 倍，且早期自收缩发展更快。其主要的原因是火山石吸水导致实际水胶比小于石灰石混凝土。水胶比小的混凝土浆体相对密度高，细毛细孔数量相对增加，使得火山石混凝土自收缩大于石灰石混凝土[14-15]；另一方面，火山石表面的孔洞被水泥浆浆体填补，使得同体积火山石混凝土进行水化反应的浆体体积大于石灰石混凝土，故其最终自收缩率大于石灰石混凝土[16]。

预湿骨料后的火山石混凝土能够有效降低早期自收缩，其自收缩率较石灰石混凝土更低。这是因为预湿骨料至饱和面干状态，骨料不再吸收拌合用水，实际水胶比并未减小，故自收缩小于未预湿的火山石混凝土。同时预湿后的火山石起到内养护的作用，向周围释放水分，减少细毛细孔数量，使得预湿后的火山石混凝土自收缩发展较石灰石混凝土缓慢。说明预湿火山石骨料，能够有效解决火山石混凝土早期自收缩大的问题。

由图5 可见，在粗集料相同时，前28 d，C40 混凝土干燥收缩较C30 混凝土发展得更快。这主要是因为，水泥用量和水胶比对混凝土干燥收缩影响不是直接的。因为水泥浆体体积的增加意味着骨料体积分数降低，因此混凝土中受水分影响的变形相应增大，C40 强度等级的水泥浆体体积大于C30强度等级的水泥浆浆体，故收缩更大[16]。而28 d 后，C30 混凝土干燥收缩发展比C40 混凝土快，这主要是由于在早期的强度发展中，混凝土靠近表层的水分蒸发完后，内部水分向表层方向迁移，而C40 混凝土较C30 混凝土更致密，水分迁移缓慢，故C40 混凝土在长龄期干燥收缩发展速度减慢[17-18]。

由图5 还可以看出，粗集料不同、强度等级相同时，未预湿火山石混凝土与预湿火山石混凝土的干燥收缩相当，且均大于石灰石混凝土，180 d 龄期时，约高出40×10-6，前28 d 龄期收缩速率也快于石灰石混凝土。这是由于火山石表面的孔洞被水泥浆浆体填补，使得单位体积的火山石混凝土水泥浆浆体的用量大于石灰石混凝土，故其最终收缩率也大于石灰石混凝土[16]。尽管火山石混凝土干燥收缩大于石灰石混凝土，但是相比较于自收缩，180 d 高出的收缩率仅为3 d 自收缩的一半，且干燥收缩主要发生在28 d 龄期前，故对于火山石混凝土应更关注其早期自收缩和早期的养护。

3 结 论

（1）腾冲火山石可以参考普通混凝土进行配合比设计。火山石可以配制出C40 强度等级混凝土。对于C30、C40 强度等级，配合比相同情况下，火山石混凝土强度高于石灰石混凝土。

（2）火山石表面孔隙直径较大，多为2~5 mm，分布多，吸水速率快，0.5 h 吸水率就达到24 h 吸水率的92%，故火山石混凝土在搅拌时已经吸水接近饱和，对混凝土坍落度损失影响小。

（3）火山石混凝土的自收缩、干燥收缩均大于石灰石混凝土。实际工程应更加关注火山石混凝土早期的养护，避免因早期养护不当而发生开裂。

（4）通过预湿火山石至饱和面干状态，在强度并未下降太多的情况下，可以有效减少火山石混凝土的减水剂用量，降低早期自收缩。