天然材料用作混凝土摻合料的對比分析

摘　要　選取沸石巖、珍珠巖和硅質(zhì)頁巖三類巖石為代表，對比分析天然材料用作混凝土摻合料在巖石化學(xué)成份、礦物組成、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、成因以及工藝性能、摻合效能、火山灰效應(yīng)指數(shù)方面的共同特征，以探討其普遍規(guī)律，用于指導(dǎo)進一步研究開發(fā)天然巖石礦物為原料的混凝土摻合料，并與粉煤灰等工業(yè)廢料型摻合料在摻合效果、經(jīng)濟成本方面作出比較分析。

關(guān)鍵詞　摻合料　天然材料　沸石巖　珍珠巖　硅質(zhì)頁巖

　　國內(nèi)外研究開發(fā)用作混凝土摻合料的天然材料有沸石巖[1 ] 、凝灰?guī)r[1 ，2 ] 、硅質(zhì)頁巖[3 、4 ] 、珍珠巖[5 ] 、硅藻土及火山玻璃[2 ] 等。作者選取應(yīng)用效果較好且具有成因類型代表性的沸石巖、珍珠巖和硅質(zhì)頁巖三類巖石為研究對象，對比分析天然材料用作混凝土摻合料，在巖石化學(xué)成份、礦物組成、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、成因以及工藝性能、摻合效能、火山灰效應(yīng)指數(shù)方面的共同特性，以探討其普遍規(guī)律，用于指導(dǎo)進一步研究開發(fā)天然巖石礦物為原料的混凝土摻合料。

1 　巖石特征

1.1 　巖石化學(xué)成份　

     用作混凝土摻合料的沸石巖、珍珠巖和硅質(zhì)頁巖三類巖石代表之主要化學(xué)成份， 見表1 。上表顯示三類巖石化學(xué)成份，均為富SiO2 或富SiO2 + Al2O3.

1.2 　巖石礦物組成、結(jié)構(gòu)狀態(tài)　

     表1 還列出了沸石巖、珍珠巖和硅質(zhì)頁巖三類巖石的主要礦物組成及結(jié)構(gòu)狀態(tài)。三類巖石的礦物都以架狀硅鋁酸鹽族為主，結(jié)構(gòu)上雖有玻璃質(zhì)、隱晶質(zhì)和結(jié)晶質(zhì)的不同，但晶態(tài)的沸石為具有巨大表面能的特殊多孔結(jié)構(gòu)，因而三類巖石都是對外表現(xiàn)出強烈活性的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

1.3           巖石成因　

     沸石巖的形成過程為[6 ] :酸性火山巖的玻璃物質(zhì)在堿性介質(zhì)條件下水解而形成斜發(fā)沸石，火山物質(zhì)經(jīng)晶態(tài)化并交換離子后，導(dǎo)致具有極大內(nèi)外表面能的多孔結(jié)構(gòu)，屬酸性火山巖蝕變或輕變質(zhì)產(chǎn)物；硅質(zhì)頁巖可能是與海底酸性火山灰噴發(fā)活動有關(guān)的沉積巖[7 ] ；珍珠巖是典型的酸性火山熔巖噴(溢) 出地表急速冷凝而成。綜上所述，這些巖石成因都是以酸性火山物質(zhì)為基礎(chǔ)的，或是直接冷卻成巖，或是經(jīng)沉積成巖作用而成，或是經(jīng)蝕變水解形成的產(chǎn)物。

2 　巖石粉末特征

    天然沸石巖、珍珠巖和硅質(zhì)頁巖經(jīng)機械破碎磨細(xì)成粉末作摻合料使用，其粉末特征，見表2 。

　　與水泥熟料顆粒相似，只有小于325 目的摻合料顆粒，才有較高活性而參與水化反應(yīng)形成C2S2H。對于起填充作用的顆粒，要求更小的粒徑，才能密實水泥基復(fù)合材料內(nèi)部的孔隙，從而提高混凝土力學(xué)性能和耐久性。因此，摻合料細(xì)度要求325 目篩余量< 10 %。

3 　摻合料對混凝土性能的影響

    沸石巖、珍珠巖和硅質(zhì)頁巖摻合料，按不同比例摻入相近配合比的高強混凝土中(表3) ，對混凝土的主要技術(shù)性能———塌落度和抗壓強度的影響，見表4 。

    從表中可看出三類巖石摻合料對混凝土性能影響的共同之處: ①摻合料等量替代水泥的混凝土的早期強度，較未含摻合料的基準(zhǔn)混凝土低； ②在所討論的替代范圍內(nèi)，摻合料等量替代水泥的混凝土的晚期(28 天及91 天) 強度，高于基準(zhǔn)混凝土，強度增長率大致為10 %～30 %； ③摻合料以10 %～15 %的摻量對混凝土增強效果最好。

4 　摻合料在混凝土中的火山灰效應(yīng)指數(shù)

4.1 　火山灰效應(yīng)量化指標(biāo)　

    混凝土中摻入活性摻合料導(dǎo)致的火山灰效應(yīng)，量化分析方法很多。蒲心誠認(rèn)為[8 ] :在無摻合料的混凝土中，其強度來源完全基于水泥的水化反應(yīng)；在摻合活性礦物摻合料的混凝土中，強度由水泥的水化反應(yīng)和火山灰效應(yīng)(主要為二次反應(yīng)) 共同構(gòu)成。據(jù)此，提出了火山灰效應(yīng)的數(shù)值化指標(biāo)———火山灰效應(yīng)強度貢獻率P ( %) : 表示所摻入的摻合料產(chǎn)生的火山灰效應(yīng)對混凝土強度的貢獻大小。

4.2     三類摻合料的火山灰效應(yīng)強度貢獻率　

    采用上述火山灰效應(yīng)強度貢獻率，來定量分析對比三類巖石摻合料在混凝土中對構(gòu)成強度有效作用的火山灰效應(yīng)大小，其計算結(jié)果見表4 右二列(計算方法和過程，參閱文獻[8 ]) 。從中可知:巖石摻合料火山灰效應(yīng)隨著混凝土養(yǎng)護齡期的延長而增強，這與工業(yè)廢料類摻合料粉煤灰、硅灰、礦渣粉等的結(jié)論一致； 在摻入摻合料的混凝土后期強度構(gòu)成中，約20 %以上是由于巖石摻合料火山灰效應(yīng)導(dǎo)致的，其中個別高比例者可達40 %；三類摻合料相同指標(biāo)對比，增強效果好的首推珍珠巖類。

5 　與工業(yè)廢料類摻合料的對比

5.1 　混凝土摻合料類型　

    摻合料可分為二大類:一類是工業(yè)廢料類，如磨細(xì)礦渣、粉煤灰、硅灰等，但可用于高強高性能混凝土的只有硅灰、優(yōu)質(zhì)(一級和二級) 粉煤灰以及三級以上磨細(xì)礦渣；另一類是天然礦物巖石，國內(nèi)采用沸石粉等，國外普遍采用火山玻璃、火山凝灰?guī)r、粘土頁巖、硅藻土等，經(jīng)加工用作高強高性能混凝土的摻合料[2 ] 。

5.2           粉煤灰與沸石摻和性能對比[9 ] 　

    摻入沸石的混凝土的28 天和91 天抗壓強度，均高于無摻合料的基準(zhǔn)混凝土或摻入一級粉煤灰的混凝土，見表5 。

5.3           摻合料的市場情況　

    在國內(nèi)市場上，工業(yè)廢料類摻合料中硅灰價格高于2000 元/ t ，磨細(xì)礦渣因研磨加工成本高而較少應(yīng)用，供需較大的是一級、二級粉煤灰，其售價分別高于200 元/ t 、120 元/ t ，這類優(yōu)質(zhì)粉煤灰多分布在北方地區(qū)；我國南方沿海地區(qū)常年從東南亞一帶大量進口摻合料以滿足土木建筑工程所需，其到岸價約35 美元/ t ；而用作摻合料的珍珠巖粉售價約100 元/ t ，沸石粉售價低于200 元/ t 。

6 　結(jié)論

    研究表明：用作混凝土摻合料的天然材料，在巖石化學(xué)成份上均為富SiO2 或富SiO2 + Al2O3 ；礦物以架狀硅鋁酸鹽族為主；結(jié)構(gòu)上有玻璃質(zhì)、隱晶質(zhì)和結(jié)晶質(zhì)，但須是對外表現(xiàn)出強烈活性的結(jié)構(gòu)狀態(tài)；巖石成因都是以酸性火山物質(zhì)為基礎(chǔ)的直接成巖或經(jīng)輕微改造的產(chǎn)物； 摻合料加工工藝方面，細(xì)度要求325 目篩余量小于10 %；巖石摻合料對混凝土性能的影響，表現(xiàn)在早期強度較基準(zhǔn)的低，而晚期(28 天及91 天) 強度高于基準(zhǔn)混凝土，強度增長率大致為10 %～30 % ，摻合料以10 %～15 %的摻量對混凝土的增強效應(yīng)最大；摻合料混凝土后期強度構(gòu)成中，約20 %以上是由巖石摻合料火山灰效應(yīng)導(dǎo)致的；三類摻合料對比反映，珍珠巖類增強效果最突出；與粉煤灰為代表的工業(yè)廢料型摻合料在對混凝土性能的摻合效果、經(jīng)濟成本作比較后，天然材料型摻合料具有技術(shù)性能和經(jīng)濟效益的優(yōu)勢。

參考文獻

1 　馮乃謙1 高性能混凝土[M]1 北京:中國建筑工業(yè)出版社，1996

2 　P1Kumar Mehta ， et al. CONCRETE [ M] . New Jersey : Prentice2 Hall ， Inc. ，1993

3 　李家和等1 雙摻硅灰硅質(zhì)頁巖超高強混凝土[J ]1 混凝土，1996 (5) :18～20

4 　陳宗嚴(yán)1 混凝土硅質(zhì)摻合料的效能分析[J ]1 混凝土，1996 (1) : 43～46

5 　喻樂華等1 珍珠巖用作高性能混凝土摻合料研究[J ] 1 非金屬礦，2001 (3) :24～25

6 　田煦等主編1 非金屬礦產(chǎn)地質(zhì)學(xué)[M]1 武漢:武漢工業(yè)大學(xué)出版社，1991

7 　曾允孚等主編1 沉積巖石學(xué)[M]1 北京:地質(zhì)出版社，1986

8 　閻培渝、姚燕主編1 水泥基復(fù)合材料科學(xué)與技術(shù)[M]1 北京:中國建材出版社，1999

9 　朱清江1 高強高性能混凝土研制及應(yīng)用[M]1 北京:中國建材工業(yè)出版社，1999