預濕火山石骨料對混凝土強度及收縮性能的影響

王震，毛雯婷，黃曉敏，李昕成，趙孝華，段發軍，黨玉棟

（1.云南大學建筑與規劃學院，云南昆明 650500；2.云南省建筑科學研究院有限公司云南省建筑結構與新材料企業重點實驗室，云南昆明 650223；3.昆明理工大學建筑工程學院，云南昆明 650500；4.騰沖世泓環?？萍加邢薰?，云南騰沖 679100）

0 引 言

火山石（俗稱浮石或多孔玄武巖）是火山爆發后由火山玻璃、礦物與氣泡形成的多孔石材[1]，廣泛用于建筑、水利、園林造景、無土栽培等領域?；鹕绞Y源廣泛分布于我國內蒙古、張家口、海南、吉林、云南騰沖等地?；鹕绞虍a地不同，其性質以及制備成建筑材料后的性能也有較大差異[2-5]。天然火山石用于混凝土集料時，其較高吸水率將對混凝土的工作性能、物理力學性能及體積穩定性造成影響[6-7]。與石灰石混凝土相比，火山石混凝土具有自重輕、耐火、保溫隔熱性能好、抗震性能優良等優點[8]，火山石混凝土及其制品用于建筑工程可顯著降低結構自重，減少荷載，在混凝土工程中具有廣闊的應用前景[9-12]。

云南騰沖當地火山石資源非常豐富，主要切割成地磚、外墻裝飾板材等，每年產生大量切割廢料[13]，不僅得不到有效利用，反而需要花費高昂成本去清理。將切割廢料加工成火山石粗骨料應用到混凝土中，將極大降低建設成本，提高火山石的綜合利用率。但火山石固有的一些多孔、吸水特性對混凝土工作性能不利，導致騰沖當地很少用火山石粗骨料制備混凝土，相關研究結果也較少，從而阻礙了火山石混凝土的應用。本文基于質量法設計C30、C40 兩種騰沖當地最常用強度等級的石灰石混凝土與火山石混凝土，對比研究了C30、C40 兩種強度等級下，預濕前后火山石混凝土與石灰石混凝土拌合物性能、抗壓強度、自收縮、干燥收縮性能，從而為騰沖火山石混凝土的研究與應用提供參考。

1 試 驗

1.1 原材料

水泥：盈江縣允罕水泥有限責任公司產海螺牌P·O 42.5水泥，主要技術性能見表1；火山灰：騰沖華輝火山石建材開發有限公司，比表面積308 m2/kg，活性指數76%；減水劑：云南石博士新材料有限公司產DS-J2 聚羧酸系高性能減水劑（緩凝型），固含量10.5%，減水率32.4%；水：自來水；細集料：騰沖當地的機制砂，細度模數3.1，其物理性能見表2。

表1 水泥的主要技術性能

表2 機制砂的物理性能

天然火山石：來自云南騰沖，其外觀形貌如圖1 所示，在工業顯微鏡下觀察火山石表面孔洞，如圖2 所示。通過觀察統計，騰沖火山石表面孔洞的數量與分布是隨機的，火山石表面孔洞較大，直徑在0.1~10 mm，且直徑在2~5 mm 的孔洞占比約為75%。值得注意的是，火山石表面孔洞多呈現為近似的圓形，或由2 個及2 個以上圓形融合后形成的不規則圖形，少部分呈現細長橢圓形孔洞，這主要是與火山石形成時，巖漿中的氣泡溢出有關。正是因為火山石表面較多的孔隙，使得火山石表觀密度低于石灰石，吸水率高于石灰石。

圖1 騰沖火山石外觀形貌

圖2 工業顯微鏡下火山石的表面孔洞

依據GB/T 14685—2022《建設用卵石、碎石》測試火山石和石灰石的吸水率，結果見圖3。

圖3 火山石和石灰石的吸水率

由圖3 可見，火山石的吸水速度快，0.5 h 吸水率已經達到24 h 吸水率的92%，說明火山石的孔洞多為大孔、開孔。

火山石和石灰石粗集料的基本物理性能見表3，火山石粗集料的主要化學成分見表4，顆粒級配見表5，為更好地對比火山石與石灰石各項性能及配制成混凝土后的差異，同時考慮級配不同會影響到對比結果，故用于配制石灰石混凝土所用石灰石的級配均為按照火山石級配通過篩分重新調配而成。

表3 火山石與石灰巖粗集料的基本物理性能

表4 火山石粗集料的主要化學成分%

表5 火山石粗集料的顆粒級配

1.2 試驗方法

混凝土拌合物性能、抗壓強度、自收縮、干燥收縮性能分別依據GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》、GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》、GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》進行測試。

根據JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規程》，采用質量法進行火山石混凝土配合比設計，結合工作性能，對配合比的水膠比、砂率等關鍵參數進行了優化。

為更好地比較石灰石混凝土與火山石混凝土的各項性能的差別，先對火山石混凝土進行配合比設計，制得火山石混凝土（HC 系列）；然后采用石灰石等體積替代火山石，制得石灰石混凝土（SC 系列）；預濕骨料是將火山石預濕至飽和面干狀態，具體預濕工藝：提前將火山石粗骨料在水中浸泡24 h，攪拌前，將瀝水后的火山石骨料擦至飽和面干狀態，攪拌時將預濕火山石骨料、細骨料、水泥、礦物摻合料一起投入攪拌機干拌1 min，再加入拌合用水和減水劑繼續攪拌2 min，制得預濕火山石混凝土（YHC 系列）。各組混凝土制備過程中，通過調整減水劑摻量，使混凝土初始坍落度保持在（200±20）mm，具體配合比見表6，編號后面數字代表混凝土強度等級。

表6 火山石混凝土與石灰石混凝土配合比 kg/m3

2 結果分析與討論

2.1 工作性能分析

火山石混凝土與石灰石混凝土的工作性能見表7。

表7 火山石混凝土與石灰石混凝土的工作性能

由表6、表7 可知，相同條件下，通過適當增加減水劑摻量能使得火山石混凝土獲得較大的坍落度和擴展度。對比預濕火山石混凝土的工作性能可知，相近的工作性能下，預濕火山石可以將減水劑摻量降到石灰石混凝土相當的水平。C30、C40 火山石混凝土與石灰石混凝土1 h 坍落度損失較小。這是由于騰沖火山石的孔洞主要為大孔且孔隙較多，使得火山石的吸水速率較快，這就導致火山石在攪拌過程中已經吸水接近飽和，之后在1 h 靜置過程中，再次吸收拌合用水量很少，故坍落度損失較小。

2.2 抗壓強度分析

火山石混凝土與石灰石混凝土的抗壓強度見表8。

表8 火山石混凝土與石灰石混凝土的抗壓強度

由表8 可知，未預濕火山石混凝土各齡期抗壓強度要高于石灰石混凝土，盡管預濕火山石混凝土各齡期抗壓強度相對于未預濕火山石混凝土有所下降，但仍與石灰石混凝土相當。主要是由于火山石多孔、高吸水率的特點，在相同用水量情況下，未預濕的火山石骨料攪拌時吸收了拌合用水，使得未預濕火山石混凝土實際水膠比小于設計水膠比，C40、C30 混凝土水膠比分別由設計的0.40、0.55 降到約為0.39、0.49，預濕飽和的火山石混凝土不再吸收拌合用水，故水膠比基本沒有變化，導致未預濕火山石混凝土的抗壓強度高于預濕火山石混凝土與石灰石混凝土；另一方面，火山石所吸附的水也可以對混凝土起到一定的內養護作用，有利于強度發展[4]。尤其是對于C30 強度等級，火山石混凝土各齡期抗壓強度高于石灰石混凝土的規律更為明顯，而對于C40 強度等級，火山石混凝土的抗壓強度略高于石灰石混凝土。在低強度火山石混凝土中，火山石骨料多，吸水導致水膠比減小的優勢明顯，是火山石混凝土強度高于石灰石混凝土強度的主要原因。到C40 強度等級甚至更高強度等級時，火山石吸水使得水膠比減小的優勢較C30 強度等級減少。由表3 可知，火山石與石灰石的壓碎指標分別為15%與8%，說明火山石骨料沒有石灰石堅固，強度同時受到骨料的限制，故28 d 前火山石混凝土強度相對于石灰石混凝土增長不明顯。至90 d 齡期，由于火山石吸附的水釋放，起到內養護效果，強度得到一定提高[4]。

2.3 自收縮與干燥收縮分析

自收縮是指混凝土在與外界無物質交換的條件下，膠凝材料的水化反應引起的毛細孔負壓和內部相對濕度降低導致的宏觀體積的減小。由于測試C30 強度等級對應的火山石混凝土和石灰石混凝土的自收縮基本為零，故本文僅對C40 混凝土的自收縮進行比較。干燥收縮指混凝土置于低于混凝土濕度的環境中時，水化硅酸鈣物理吸附水損失導致了收縮應變?；鹕绞炷僚c石灰石混凝土早期自收縮率、干燥收縮率分別如圖4、圖5 所示。

圖4 火山石混凝土與石灰石混凝土的自收縮

圖5 火山石混凝土與石灰石混凝土的干燥收縮

由圖4 可見，C40 強度等級未預濕火山石混凝土、預濕火山石混凝土和石灰石混凝土3 d 自收縮率分別為1.75×10-4、0.68×10-4和0.73×10-4，C40 未預濕火山石混凝土自收縮約為石灰石混凝土的2.4 倍，且早期自收縮發展更快。其主要的原因是火山石吸水導致實際水膠比小于石灰石混凝土。水膠比小的混凝土漿體相對密度高，細毛細孔數量相對增加，使得火山石混凝土自收縮大于石灰石混凝土[14-15]；另一方面，火山石表面的孔洞被水泥漿漿體填補，使得同體積火山石混凝土進行水化反應的漿體體積大于石灰石混凝土，故其最終自收縮率大于石灰石混凝土[16]。

預濕骨料后的火山石混凝土能夠有效降低早期自收縮，其自收縮率較石灰石混凝土更低。這是因為預濕骨料至飽和面干狀態，骨料不再吸收拌合用水，實際水膠比并未減小，故自收縮小于未預濕的火山石混凝土。同時預濕后的火山石起到內養護的作用，向周圍釋放水分，減少細毛細孔數量，使得預濕后的火山石混凝土自收縮發展較石灰石混凝土緩慢。說明預濕火山石骨料，能夠有效解決火山石混凝土早期自收縮大的問題。

由圖5 可見，在粗集料相同時，前28 d，C40 混凝土干燥收縮較C30 混凝土發展得更快。這主要是因為，水泥用量和水膠比對混凝土干燥收縮影響不是直接的。因為水泥漿體體積的增加意味著骨料體積分數降低，因此混凝土中受水分影響的變形相應增大，C40 強度等級的水泥漿體體積大于C30強度等級的水泥漿漿體，故收縮更大[16]。而28 d 后，C30 混凝土干燥收縮發展比C40 混凝土快，這主要是由于在早期的強度發展中，混凝土靠近表層的水分蒸發完后，內部水分向表層方向遷移，而C40 混凝土較C30 混凝土更致密，水分遷移緩慢，故C40 混凝土在長齡期干燥收縮發展速度減慢[17-18]。

由圖5 還可以看出，粗集料不同、強度等級相同時，未預濕火山石混凝土與預濕火山石混凝土的干燥收縮相當，且均大于石灰石混凝土，180 d 齡期時，約高出40×10-6，前28 d 齡期收縮速率也快于石灰石混凝土。這是由于火山石表面的孔洞被水泥漿漿體填補，使得單位體積的火山石混凝土水泥漿漿體的用量大于石灰石混凝土，故其最終收縮率也大于石灰石混凝土[16]。盡管火山石混凝土干燥收縮大于石灰石混凝土，但是相比較于自收縮，180 d 高出的收縮率僅為3 d 自收縮的一半，且干燥收縮主要發生在28 d 齡期前，故對于火山石混凝土應更關注其早期自收縮和早期的養護。

3 結 論

（1）騰沖火山石可以參考普通混凝土進行配合比設計?；鹕绞梢耘渲瞥鯟40 強度等級混凝土。對于C30、C40 強度等級，配合比相同情況下，火山石混凝土強度高于石灰石混凝土。

（2）火山石表面孔隙直徑較大，多為2~5 mm，分布多，吸水速率快，0.5 h 吸水率就達到24 h 吸水率的92%，故火山石混凝土在攪拌時已經吸水接近飽和，對混凝土坍落度損失影響小。

（3）火山石混凝土的自收縮、干燥收縮均大于石灰石混凝土。實際工程應更加關注火山石混凝土早期的養護，避免因早期養護不當而發生開裂。

（4）通過預濕火山石至飽和面干狀態，在強度并未下降太多的情況下，可以有效減少火山石混凝土的減水劑用量，降低早期自收縮。