不同掺量凝灰岩对西藏农业灌溉水渠混凝土的抗冻性能影响研究

A Study of the Influence of Tuff with Different Content on Frost Resistance of Concrete in Agricultural Irrigation Channels in Xizang

摘要

本文研究了不同掺量凝灰岩对西藏农业灌溉水渠混凝土的劈拉强度、抗压强度和冻后质量损失产生的影响，设计出不同凝灰岩掺量下自密实混凝土试验方案。通过试验结果分析得出凝灰岩掺量百分比在0% ~ 15%范围内混凝土的抗冻性随凝灰岩的掺量增加而增强，掺量百分比在15% ~ 30%范围内混凝土密实度随凝灰岩含量的增加而增大，强度随凝灰岩含量的增加而降低，混凝土冻后质量损失率随凝灰岩掺量的增加而降低。研究结果表明凝灰岩对西藏农业灌溉水渠混凝土的抗冻性能有明显提升。

Abstract

In this paper, the effects of different tuff content on the split-tensile strength, compressive strength and post-freezing mass loss of concrete in agricultural irrigation channels in Xizang were studied, and the test scheme of self-compact concrete with different tuff content was designed. Through the analysis of the test results, it is concluded that the freeze resistance of concrete increased with the increase of tuff content in the range of 0% to 15%, the concrete compactness increased with the increase of tuff content in the range of 15% to 30%, and the strength decreased with the increase of tuff content. The mass loss rate of concrete after freezing decreased with the increase of tuff content. The results showed that tuff significantly improved the frost resistance of concrete in agricultural irrigation channels in Xizang.

Graphical abstract

关键词

凝灰岩掺量 / 自密实混凝土 / 冻融试验 / 工作性能

Key words

Tuff powder / Self-compacting concrete / Freeze-thaw experiment / Frost resistance

西藏属于高原寒冷地带，昼夜温差极大，一天之内气温可从-15 ℃升至20 ℃。当气温下降到冰点以下时，混凝土中的水分会结冰并膨胀，对混凝土产生膨胀挤压的作用；而当气温回升时，冰融化成水，通过挤压形成的缝隙进入混凝土内部更深处；这样的过程反复进行，导致混凝土出现裂缝、剥落等问题，极大地缩短混凝土的使用寿命，甚至影响其安全性和功能。这种极端的温度变化导致西藏农业灌溉水渠的混凝土结构在频繁的冻融循环中受到严重的损伤^[1]。如图1和图2所示，西藏的灌溉水渠渡槽和渠道遭受了严重的冻蚀，特别是在位于海拔3 000 m以上的拉萨、日喀则、阿里、那曲等高海拔地区冻害问题更加普遍和严重。

凝灰岩作为一种独特的岩石类型，源自火山喷发后散落的火山灰，经压实和水化胶结作用固化形成的火山灰碎屑岩。凝灰岩具有较高的硅含量（SiO₂含量约为65%），其石粉有高硅、富铝和低铁等特点，还含有大量的无定型玻璃体，矿物成分以隐晶质玻璃体为主^[2]。江京平与万惠文^[3]、CHERRAK^[4]、LIGUORI等人^[5]、Uzal B等人^[6]、何树杰^[7]研究发现，通过使用钙质凝灰岩作为砂的替代品并改变凝灰岩的掺量来调节混凝土的性能，随着掺量的逐步增加抗冻性能会得到显著提高，并且发现改性后的凝灰岩混凝土孔隙率得到改善。尹武晓、蒋林华、陈敏等人^[8]根据ASTM推荐的化学收缩试验方法采用了XRD（X射线衍射）技术来分析水泥浆体的水化产物，并结合MIP（压汞法）技术来研究其孔径分布情况。Jamshidia A等^[9]使用盐溶液替代水对凝灰岩进行了冻融循环损伤试验，研究凝灰岩在盐溶液环境下的冻融损伤情况。赵陆岳^[10]对不同粉煤灰含量的混凝土样本进行了冻融和碳化测试得出粉煤灰混凝土的碳化过程能在某种程度上提高其抗冻性能。唐超群等人^[11]研究了凝灰岩石粉、粉煤灰以及石灰石粉等多种掺合料综合使用时对混凝土性能的影响。使用凝灰岩石粉部分替代粉煤灰的复合掺合料在减少混凝土的干燥收缩和提升后期强度方面产生了积极的效果。

自密实混凝土因其卓越的流动性、易充填性和抗离析能力而备受瞩目。当前对自密实混凝土的研究多倾向于采用机制砂作为其主要细骨料^[12]。在孙伟华^[13]、张萌等人^[14]的研究中将矿渣、粉煤灰与石灰石粉的复合掺料加入自密实混凝土里面，对比不同掺量下混凝土试件在冻融循环后的相对动弹模量及质量损失变化，成功确定了自密实混凝土在抗冻性能方面表现最佳的具体配合比。而将凝灰岩作为矿物掺合料掺入混凝土中进行研究的相关论文较少。本文旨在通过系统的试验和分析，探究凝灰岩对西藏地区农业灌溉水渠混凝土性能的具体影响，从而找到优化混凝土材料选择的方法，填补将凝灰岩作为混凝土掺合料的研究空白。

1 配合比及冻融试验设计

1.1 试验材料

水泥采用甘肃祁连山水泥厂的P·O42.5普通硅酸盐水泥，其表观密度为3.17 g/cm³，粉煤灰使用甘肃兰州生产的表观密度为2.31 g/cm³的Ⅰ级粉煤灰，水泥和粉煤灰物理特性。凝灰岩生产厂家为西藏吾羊实业有限公司，表观密度2.76 g/cm³。粗骨料使用西藏自治区林芝市的碎石，粒径在0.75 - 20 mm，表观密度为2.66 g/cm³。细骨料使用西藏自治区林芝市的河砂，表观密度2.68 g/cm³。减水剂使用江苏苏博特新材料公司生产的聚羧酸高性能减水剂，其固含量为10%，1%的掺量减水率为10%，试验用水为西藏自治区林芝市市政自来水。

1.2 配合比设计

为准确比较掺加凝灰岩的混凝土与普通混凝土的性能差异，本次试验设计凝灰岩掺量分别为0%（SCCTP0）、15%（SCCTP15）和30%（SCCTP30）3种配合比。主要检测扩展度、T500、VF参数指标，充分反映混凝土的流动性、和易性性能。本次试验设计在相同的水胶比、粉煤灰掺量百分比（10%）、砂率（42%）和含石率（300 L）的情况下，分别掺和水泥含量的0%、15%和30%的凝灰岩，水泥含量随凝灰岩百分比增加而同比例减少。主要步骤如下：（1）确定配制强度，计算混凝土水胶比。（2）计算胶凝材料用量，根据粉煤灰和凝灰岩的质量分数，进一步得到粉煤灰用量、凝灰岩用量及水泥用量。（3）计算用水量，根据计算所得水胶比确定水的用量。（4）选用砂率，需要符合规范要求，要满足骨料通过的累计质量百分率。（5）选用体积法计算，求得砂石体积，依据砂率可求得每立方米砂的用量及每立方米碎石的用量。（6）为满足自密实抗冻混凝土流动性的要求，对减水剂用量进行适当的调整。（7）根据减水剂的用量，微调水及胶凝材料的用量，最终确定配合比。

根据上述步骤得到的初步配合比，试拌，检验自密实混凝土拌合物的性能是否达到要求，若不符合，需按照以上步骤重新加以调整。通过对比分析不同配合比的混凝土性能数据，揭示凝灰岩掺量与混凝土性能之间的关系。以SCCTP15混凝土为例，对SCCTP15配合比设计过程如下：

第一步，确定C45混凝土的试配强度：f_{cu,\mathrm{0}}=f_{cu,k}+\mathrm{1.654}\sigma =\mathrm{45}+\mathrm{1.654}\times \mathrm{5}=\mathrm{53}.{\mathrm{27}}^{}MPa

式中，f_cu，0：混凝土的配置强度；f_cu，k：混凝土的设计强度等级值；σ：混凝土强度标准差。

第二步，计算C45混凝土质量水胶比：f_b={\gamma }_f{\gamma }_s{f}_{ce}=\mathrm{0.90}\times \mathrm{55.4}=\mathrm{49}.{\mathrm{86}}^{}MP\mathrm{a}

式中，f_b ：水泥28 d胶砂抗压强度；f_ce ：水泥28 d胶砂实测抗压强度，实测值为55.4 MPa；γ_f ：粉煤灰影响系数，取0.9；γ_s ：粒化高炉矿渣粉影响系数。

{\frac{w}{B}}_{\mathrm{质量}}=\frac{{\alpha }_a{f}_b}{f_{cu,o}+{\alpha }_a{\alpha }_b{f}_b}=\frac{\mathrm{0.53}\times \mathrm{49.86}}{\mathrm{53.27}+\mathrm{0.53}\times \mathrm{0.2}\times \mathrm{49.86}}=\mathrm{0.45}

式中，W/B（质量）：混凝土质量水胶比；{\alpha }_a,{\alpha }_b：回归系数；其中碎石{\alpha }_a取0.53，{\alpha }_b取0.20。

第三步，确定混凝土体积水胶比

为提高混凝土的耐久性，根据经济合理、保证施工质量、方便施工混凝土和易性的原则，并且保持未掺入凝灰岩时自密实混凝土的水胶比保持一致将，自密实混凝土的水胶比设定为0.42。

计算混凝土体积水胶比：\frac{V_{\mathrm{w}}}{V_B}=\frac{w/{\rho }_{\mathrm{水}}}{B/{\rho }_{\mathrm{胶}}}=\frac{\mathrm{0.42}/\mathrm{1}}{\mathrm{1}/\mathrm{3.047}}=\mathrm{1.3}

式中，\frac{V_{\mathrm{w}}}{V_B}：混凝土体积水胶比；{\rho }_{\mathrm{胶}}：胶凝材料的密度，为3.047 g/cm³；{\rho }_{\mathrm{水}}：水的密度，为1 g/cm³。

第四步，确定材料用量

（1）初步确定胶凝材料为100 L时其他材料体积用量

V_{FA}^{\text{'}}=V_{\mathrm{t}B}\times {\beta }_{FA}=\mathrm{100}\times \mathrm{10}\mathrm{\%}={\mathrm{10}}^{}L,V_{TP}^{\text{'}}=V_{\mathrm{t}B}\times {\beta }_{TP}=\mathrm{100}\times \mathrm{15}\mathrm{\%}={\mathrm{15}}^{}L

V_{OPC}^{\text{'}}=V_{\mathrm{t}B}\times (\mathrm{1}-{\beta }_{FA}-{\beta }_{TP})={\mathrm{75}}^{}L

V_W^{\text{'}}=\frac{V_W}{V_B}\times (V_{FA}^{\text{'}}+V_{TP}^{\text{'}}+V_{OPC}^{\text{'}})={\mathrm{130}}^{}L,V_{\mathrm{砂}}^{\text{'}}=[(V_{FA}^{\text{'}}+V_{TP}^{\text{'}}+V_{OPC}^{\text{'}}+V_W^{\text{'}})\times {\beta }_{\mathrm{砂}}]÷(\mathrm{1}-{\beta }_{\mathrm{砂}})=\mathrm{188}.{\mathrm{18}}^{}LV_{\mathrm{胶砂}}^{\mathrm{\text{'}}}=V_{FA}^{\text{'}}+V_{TP}^{\text{'}}+V_{OPC}^{\text{'}}+V_W^{\text{'}}+V_{\mathrm{砂}}^{\mathrm{\text{'}}}=\mathrm{418}.{\mathrm{18}}^{}L

式中，V_{\mathrm{胶砂}}^{\mathrm{\text{'}}}：胶凝材料及砂子的体积；V_{FA}^{\text{'}}：粉煤灰体积；V_{\mathrm{t}B}：胶凝材料总体积，初步定为100 L；V_{TP}^{\text{'}}：凝灰岩体积；V_{OPC}^{\text{'}}：水泥体积；V_W^{\text{'}}：水的体积；V_{\mathrm{砂}}^{\mathrm{\text{'}}}：砂子的体积；{\beta }_{FA}：粉煤灰替代水泥用量，为10%；{\beta }_{TP}：凝灰岩替代水泥用量，SCCTP0为15%；{\beta }_{\mathrm{砂}}：砂率，为45%。

（2）1 m³混凝土所需材料质量

V_{\mathrm{石}}={\mathrm{270}}^{}L,V_{\mathrm{气}}={\mathrm{20}}^{}L;\epsilon =\frac{V_{\mathrm{胶砂}}^{\text{'}}}{\mathrm{1000}-V_{\mathrm{石}}-V_{\mathrm{气}}}=\mathrm{1.67826}

V_{OPC}=V_{OPC}^{\text{'}}\times \epsilon =\mathrm{127}.{\mathrm{3}}^{}L,V_{FA}=V_{FA}^{\text{'}}\times \epsilon =\mathrm{17}.{\mathrm{0}}^{}L,V_{TP}=V_{TP}^{\text{'}}\times \epsilon =\mathrm{25}.{\mathrm{47}}_{}L

V_{\mathrm{砂}}=V_{\mathrm{砂}}^{\text{'}}\times \epsilon =\mathrm{319}.{\mathrm{5}}^{}L,V_W=V_W^{\text{'}}\times \epsilon =\mathrm{220}.{\mathrm{72}}^{}L

{\mathrm{m}}_{OPC}=V_{OPC}\times {\rho }_{OPC}=\mathrm{407}.{\mathrm{5}}^{}kg,{\mathrm{m}}_{FA}=V_{FA}\times {\rho }_{FA}=\mathrm{39}.{\mathrm{2}}^{}kg

{\mathrm{m}}_{\mathrm{T}\mathrm{P}}=V_{TP}\times {\rho }_{TP}=\mathrm{70}.{\mathrm{29}}^{}kg,{\mathrm{m}}_{\mathrm{减水}\mathrm{剂}}=({\mathrm{m}}_{OPC}+{\mathrm{m}}_{FA}+m_{TP})\times {\beta }_{\mathrm{减水}\mathrm{剂}}=\mathrm{11}.{\mathrm{891}}^{}kg

{\mathrm{m}}_{\mathrm{砂}}=V_{\mathrm{砂}}\times {\rho }_{\mathrm{砂}}\times (\mathrm{1}+{\omega }_{\mathrm{砂}})=\mathrm{856}.{\mathrm{3}}^{}kg,{\mathrm{m}}_{\mathrm{石}}=V_{\mathrm{石}}\times {\rho }_{\mathrm{石}}\times (\mathrm{1}+{\omega }_{\mathrm{石}})=\mathrm{718}.{\mathrm{2}}^{}kg

{\mathrm{m}}_{\mathrm{水}}=V_{\mathrm{水}}-V_{\mathrm{砂}}\times {\rho }_{\mathrm{砂}}\times {\omega }_{\mathrm{砂}}-V_{\mathrm{石}}\times {\rho }_{\mathrm{石}}\times {\omega }_{\mathrm{石}}-{\mathrm{m}}_{\mathrm{减水}\mathrm{剂}}\times (\mathrm{1}-\delta )=\mathrm{210}.{\mathrm{0}}^{}kg

式中，V_{\mathrm{石}}：1 m³混凝土内石子的体积；V_{\mathrm{气}}：1 m³混凝土内气体体积；\epsilon：体积调整系数；V_{OPC}：1 m³混凝土内水泥的体积；V_{FA}：1 m³混凝土内粉煤灰的体积；V_{TP}：1 m³混凝土内凝灰岩的体积；V_{\mathrm{砂}}：1 m³混凝土内砂子的体积；V_W：1 m³混凝土中水的体积；{\mathrm{m}}_{OPC}：1 m³混凝土中所使用的水泥的质量；{\mathrm{m}}_{FA}：1 m³混凝土中所使用的粉煤灰的质量；{\mathrm{m}}_{\mathrm{T}\mathrm{P}}：1 m³混凝土中所使用的凝灰岩的质量；{\mathrm{m}}_{\mathrm{减水}\mathrm{剂}}：1 m³混凝土中所使用的减水剂的质量；{\mathrm{m}}_{\mathrm{砂}}：1 m³混凝土中所使用的砂子的质量；{\mathrm{m}}_{\mathrm{石}}：1 m³混凝土中所使用的石子的质量；{\mathrm{m}}_{\mathrm{水}}：1 m³混凝土中所使用的水的质量；{\omega }_{\mathrm{砂}}：砂子的含水率，为0%；{\omega }_{\mathrm{石}}：石子的含水率，为0%；\delta：减水剂固含量，为10%。

采用凝灰岩掺量百分比为0%、15%、30%三种方案，按以上步骤分别推导出3种配合比方案的材料用量。最终确定混凝土配合比如表1所示，表2为3种配合比混凝土的工作性能指标。

1.3 冻融试验设计

1.3.1 混凝土的制备与养护

按照前节原材料试验数据进行配合比设计，选取量定的水泥、砂、石、水和凝灰岩等原材料按照计算的质量比搅拌而成。将原材料放入混凝土强制单卧轴SJD型砂浆卧式搅拌机砼搅拌机中搅拌，搅拌时间不得少于3 min，也不宜超过5 min，将搅拌好的混凝土装入尺寸为（100 × 100 × 100） mm、（150 × 150 × 150） mm及（100 × 100 × 400） mm的混凝土试模中，待养护24 h后拆模，然后将试块放入温度为20 ℃，湿度大于95%的标准养护室进行标准养护。

1.3.2 冻融试验方法与条件

冻融循环试验对于评估混凝土在寒冷环境下的工作性能至关重要。在本试验中，标准养护28 d的混凝土试块放入混凝土冻融循环箱内，冻融循环仪器采用杭州冠力智能科技有限公司生产HC-HDK9/S型混凝土快速冻融试验机，冻融循环在2.5 ~ 4 h，融化不小于整个循环1/4；高温控制：20 ℃；低温控制：-20 ℃。试验采用标准为《混凝土快速冻融能力的标准试验方法》ASTMC666，《水工混凝土试验规程》SL352-2006和《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》GB/T50082-2009。

本次试验采用水冻水融法，把符合外观要求的（100 × 100 × 400） mm的混凝土试件和中心试件放进试件桶中，然后把试件桶放入冻融试验槽中，试验以模拟西藏地区的冻融环境，用循环的载冷剂对试件反复进行降温和升温周期性地进行冻融试验，冻融试验时最高温度与最低温度分别设置为（5 ± 2）℃与（18 ± 2）℃。本次试验设计冻融循环的次数为150次循环，期间循环50次和循环100次分别进行期间检查和强度测定。具体操作如下：在试样放入冻融箱之前称量其初始重量，然后放入配套的盒子内，将其放入冻融循环机内，在盒子内加水，使水淹没试样并高出试样顶部2 ~ 4 cm，关闭箱门，开启仪器。试验循环至设计检测次数时，将试样从盒子内取出，用湿润的毛巾擦干表面水分以及冻渣，称重并记录，然后计算其质量损失率，计算公式如下：

W_n =\frac{G_n-G_{\mathrm{0}}}{G_{\mathrm{0}}}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}

其中：G₀ ：冻融循环前的试件质量，单位g；G_n ：n次冻融循环后试件的质量，单位g；W_n ：n次冻融循环后试件的质量损失率。

2 结果与分析

2.1 凝灰岩掺量对混凝土性能的影响

2.1.1 混凝土强度的影响

凝灰岩掺量对混凝土的抗压强度和抗劈拉强度具有显著的影响。图3为不同养护龄期不同掺量下自密实混凝土的抗压强度。SCCTP0、SCCTP15和SCCTP30在28d龄期标准养护后其抗压强度分别为44.8 MPa、30.23 MPa和25.01 MPa。根据图3可以得出，凝灰岩掺量从0%增加到30%，自密实混凝土的抗压强度随凝灰岩掺量增加而降低。

SCCTP0、SCCTP15和SCCTP30的28 d龄期标准养护后抗劈拉强度分别为4.10 MPa、3.97 MPa和3.29 MPa。图4为不同养护龄期不同掺量下自密实混凝土的抗劈拉强度，如图4所示，随着凝灰岩掺加量百分比的增加而劈拉强度逐渐减弱。图3和图4表明，掺入凝灰岩会削弱自密实混凝土的抗压强度和抗劈拉强度。

图5为不同掺量下自密实混凝土经过150次冻融循环后的抗压强度。根据图5可以得出，在没有经历冻融循环的条件下，不同掺量的自密实混凝土都展现出较高的抗压强度。但在100次和150次的冻融循环之后，所有的混凝土其抗压强度都有所下滑。特别值得一提的是，添加15%与30%凝灰岩的自密实混凝土（即SCCTP15与SCCTP30）在冻融循环后，其抗压强度的下降程度相对较小，这主要得益于凝灰岩与混凝土中的氢氧化钙反应，生成了更加稳定的化合物，有效减少水分结冰引起的体积膨胀。另外，未经冻融时28 d养护龄期的强度SCCTP15比SCCTP30的更高，在冻融循环150次以后依然保持比SCCTP30更高的强度，这体现了凝灰岩较强的抗冻性；同时，也表明了凝灰岩在强度上有负面的效果。

图6为不同掺量下自密实混凝土经过150次冻融循环后的质量损失。通过图6分析可得，不同掺量的混凝土在经历冻融循环后，其质量损失的比例也存在差异。SCCTP30的质量损失率在经过100次和150次冻融循环后均低于SCCTP0和SCCTP15，进一步证明适量掺入凝灰岩能够提升混凝土的抗冻性能，也体现出随着凝灰岩掺量的增加，自密实混凝土的抗冻性能也随之提升。

在详细研究凝灰岩如何影响自密实混凝土抗冻性能的试验中，发现凝灰岩的掺入量对混凝土的抗冻性有着显著的影响。试验数据表明，掺入凝灰岩能够显著提高混凝土的抗冻性能，这一发现为我们提供了一种优化混凝土工作性能的新途径。当凝灰岩掺量过大时，其初始抗压强度和质量损失率较小，在经历冻融循环后，其抗压强度的降低程度以及质量损失的比例均有所增加。这主要原因是过多的凝灰岩颗粒导致混凝土内部应力集中，降低了其抗冻性能。以试验结果来看，为保障一定的抗压强度以及良好的抗冻性能，凝灰岩的最佳掺量大约在15%。

3 讨论

通过对凝灰岩掺量对混凝土工作性能进行系统的试验和分析，得出混凝土掺合料在西藏农业灌溉水渠中的抗冻性能效果，在对试验结果和数据进行深入分析后，我们得出以下结论。

3.1 凝灰岩对混凝土强度的影响

凝灰岩的掺入会降低自密实混凝土的抗压强度和抗劈拉强度。这一影响与凝灰岩的特性有关，如活性较低、与水泥水化产物的反应速度较慢等。因此，在实际工程中配制自密实混凝土时，应充分考虑凝灰岩掺量的影响，并根据具体工程要求选择合适的掺量。同时，还应进一步研究凝灰岩与其他掺合料的复合效应，以进一步优化自密实混凝土的性能。本研究结果显示，当凝灰岩的掺入比例为15%及以上时，混凝土的抗压与抗劈拉强度都出现了显著的下滑。因此，在调配自密实混凝土时，应确保凝灰岩的掺量不超过这一比例。

3.2 凝灰岩对混凝土抗冻性能的影响

掺入凝灰岩的混凝土具有更好的抗冻性能，本次试验掺入15%的混凝土冻融循环后质量损失率比未掺入凝灰岩的混凝土低25%左右，强度高20%。因此，在西藏高寒地区，合理掺加凝灰岩能显著提升混凝土的抗冻能力，进而提高水渠的耐久性。

4 结论

合理掺加凝灰岩可以显著提升自密实混凝土的抗冻性，但过量的掺入会降低其强度性能。因此，在实际工程中，需要根据具体需求和环境条件选择合适的凝灰岩掺量以达到最佳的混凝土工作性能。同时，通过进一步优化混凝土配合比和掺加外加剂等方法，有望进一步提高混凝土的抗冻性能，为高寒地区的建筑工程提供更为可靠的保障。虽然本研究取得了一定的成果，但在冻融循环次数与实际环境的匹配、材料选择多样性、配合比的多元化、试验批次等方面仍存在一些局限性，试验条件和实际工程环境可能存在差异，试验结果可能无法完全反映实际情况，在西藏高寒高海拔地区的农业灌溉水渠混凝土进行配合比设计时，应考虑实际情况设计。

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基金资助

西藏农牧学院大学生创新创业训练计划项目(202410693010)

西藏农牧学院大学生创新创业实训项目（创新训练项目：SK011）

西藏农牧学院研究生教育创新计划项目（创新计划项目：YJS2025-32）