珍珠巖用作高性能混凝土摻合料研究

摘　要：　介紹了開發(fā)的天然珍珠巖的一種新的工業(yè)用途———高性能混凝土摻合料，并用實(shí)例闡述了珍珠巖制成高性能混凝土摻合料的工藝方法和在高性能混凝土中應(yīng)用的良好效果，即這種摻合料有助于混凝土工作度、后期強(qiáng)度和耐久性等技術(shù)性能提高，同時(shí)能降低混凝土成本，取得明顯的經(jīng)濟(jì)效益，并適于可持續(xù)發(fā)展的“綠色”建材方向。

關(guān)鍵詞：　珍珠巖　高性能混凝土　摻合料　應(yīng)用

    天然珍珠巖屬流紋巖類，是一種火山噴出的酸性玻璃質(zhì)熔巖，因廣泛具有珍珠裂隙構(gòu)造而得名。目前工業(yè)上利用的是膨脹珍珠巖[1 ] ，是由天然珍珠巖經(jīng)熱處理膨脹而制成的一種輕質(zhì)高效能保溫絕緣材料，主要用于建筑工業(yè)作灰泥砂漿、混凝土的集料，也可用于其它方面的填充料或配料組份。因此， 工業(yè)上對(duì)珍珠巖礦石的質(zhì)量評(píng)價(jià)最主要的指標(biāo)，是其膨脹性能。

    我國(guó)分布有眾多的珍珠巖資源，但其膨脹性能大多數(shù)較差，因而工業(yè)上作為輕質(zhì)保溫絕緣材料的應(yīng)用價(jià)值不大。作者選取江西省金溪縣滸灣鎮(zhèn)的天然珍珠巖，研究其磨細(xì)粉用于高性能混凝土中作摻合料的應(yīng)用，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:珍珠巖磨細(xì)粉是高性能混凝土的優(yōu)質(zhì)摻合料，它具有較高的火山灰活性，可在高性能混凝土中適量替代高標(biāo)號(hào)水泥，并使混凝土最主要的性能———工作度、后期抗壓強(qiáng)度和耐久性有所提高。這為天然珍珠巖(特別是膨脹性較差的珍珠巖) 在工業(yè)應(yīng)用上，開辟了新的領(lǐng)域，同時(shí)也為當(dāng)前日益發(fā)展的高性能混凝土提供了一種物美價(jià)廉的必備原料組份———摻合料。其經(jīng)濟(jì)意義在于摻合料替代部分水泥，降低了混凝土生產(chǎn)成本，并且有著促進(jìn)“綠色”建材發(fā)展的社會(huì)效益[2 ] 。

1 　珍珠巖特征

    產(chǎn)于江西金溪的天然珍珠巖，呈紅色，玻璃光澤，斷口呈參差狀或鋸齒狀，偶見貝殼狀；其密度較小，手感較輕，這與其含氣孔有關(guān)，氣孔多為微孔狀或細(xì)孔狀。珍珠巖以玻璃質(zhì)結(jié)構(gòu)為主，還有雛晶結(jié)構(gòu)、玻基斑狀結(jié)構(gòu)，其中斑晶含量5 %～20 %不等， 基質(zhì)部分具有流紋構(gòu)造。巖石為塊狀構(gòu)造，產(chǎn)于早白堊( K1) 酸性火山巖地層中。

珍珠巖化學(xué)成份全分析結(jié)果(wt %)： SiO2 ， 6189 ； Al2O3 ， 10151 ； Fe2O3 ， 2148 ； MnO ， 0104 ； Na2O ， 0180 ； K2O ， 8125 ； TiO2 ， 0107 ； CaO ， 0112 ； MgO ，0106 ；P2O5 ，0103 ；H2O ，0131 ；Loss ，0164 。

2 　珍珠巖摻合料制作加工

    珍珠巖加工制成高性能混凝土摻合料的工藝方法較簡(jiǎn)單，主要有以下二個(gè)過(guò)程。

2.1    珍珠巖破碎研磨成細(xì)粉　

    天然珍珠巖用機(jī)械逐級(jí)破碎成細(xì)粒(粒徑< 5mm) 后，進(jìn)入干式研磨。研磨工藝可采用水泥生料或熟料研磨工藝設(shè)備，即筒式球磨機(jī)，也可選用振動(dòng)磨、攪拌磨、雷蒙磨、對(duì)輥磨、氣流磨或離心磨等。珍珠巖含一定量微細(xì)氣孔， 有益于研磨成細(xì)粉體。無(wú)論何種研磨工藝，珍珠巖粉體技術(shù)指標(biāo)均以細(xì)度表示，即按水泥細(xì)度檢測(cè)法檢驗(yàn)：80μm 方孔水篩余量< 5 % ，相當(dāng)于45μm 方孔篩余量< 12 % ，還要求顆粒級(jí)配連續(xù)、合理。

2.2     添加、混勻激發(fā)劑　

    珍珠巖混凝土摻合料，由珍珠巖磨細(xì)粉添加少量無(wú)機(jī)化工產(chǎn)品作激發(fā)劑(鈣型堿和硫酸鹽配比混合物) 混合而成。激發(fā)劑的功效作用，是進(jìn)一步促進(jìn)珍珠巖粉中盡可能多的活性SiO2 參與二次水化反應(yīng)，以形成更多的C2S2H 凝膠，提高混凝土強(qiáng)度和耐久性。激發(fā)劑可在珍珠巖磨成細(xì)粉后添加混勻，也可在混凝土配料、攪拌過(guò)程中與水泥、珍珠巖粉一起共同加入混勻。

3 　珍珠巖摻合料對(duì)混凝土性能的影響

3.1 　高性能混凝土原材料　

水泥：江西水泥廠產(chǎn)萬(wàn)年青牌P.O.525 # R 型水泥；

砂：中粗河砂，μf = 2.61 ；

石：石灰?guī)r碎石，最大粒徑25mm ，壓碎指標(biāo)值σ= 714 ；

高效減水劑：湛江外加劑廠產(chǎn)FDN 粉劑；

摻合料：珍珠巖粉摻合料，細(xì)度為80μm 方孔水篩篩余量2.2 %。

3.2     高性能混凝土配合比　

按表1 所列，配制強(qiáng)度等級(jí)為C50～C80 的高性能混凝土。

3.3 　珍珠巖摻合料對(duì)高性能混凝土性能的影響

    表1 中各配合比混凝土最主要性能指標(biāo)———工作度和抗壓強(qiáng)度測(cè)定值，見表2 。從中可知珍珠巖摻合料的作用: ①可在C50～C80 高性能混凝土中，等量替代高標(biāo)號(hào)水泥10 %～40 %； ②適量替代水泥，可使混凝土工作性能不同程度地提高； ③適量替代水泥會(huì)使混凝土早期(3 天) 強(qiáng)度稍降低，大體上是隨著摻量增大而降幅變大；但會(huì)使混凝土晚期(28 天) 和后期(91 天) 強(qiáng)度提高，其中摻入15 %時(shí)的混凝土強(qiáng)度增幅最大，分別可達(dá)26 %和34 %。

　　綜上所述，珍珠巖摻合料具有較高的火山灰活性[3 ] ，其上述指標(biāo)與國(guó)內(nèi)優(yōu)質(zhì)天然資源摻合料——— 沸石粉相近[4 ] ，足以顯示珍珠巖用作高性能混凝土優(yōu)質(zhì)摻合料的可行性和優(yōu)越性。

4 　摻合料在混凝土中的作用

4.1 　摻合料提高混凝土性能的機(jī)理　

    摻合料(也稱礦物外加劑) 在高強(qiáng)、高性能混凝土中，主要有四方面作用。首先是滾球潤(rùn)滑作用：由于其顆粒比水泥細(xì)，增加了水分子與水泥顆粒之間的過(guò)渡粒級(jí)，在混凝土拌合物中有滾球潤(rùn)滑作用，改善了混凝土拌合物的工作性；其次是微集料作用：高強(qiáng)混凝土中膠凝材料用量大，其中相當(dāng)部分不能完全水化而起微集料作用；再次是填充作用：摻合料普遍很細(xì)，能填充混凝土中更細(xì)小孔隙的空間使混凝土更密實(shí)，因而提高了其強(qiáng)度、抗?jié)B性、抗凍性和抗腐蝕性，降低了干縮和徐變；最后是最重要的火山灰反應(yīng)：摻合料是潛在的水硬性膠凝材料，在水泥水化產(chǎn)物Ca (OH) 2 或(和) CaSO4 作誘發(fā)劑環(huán)境中發(fā)生火山灰反應(yīng)，將Ca (OH) 2 晶體大量置換為C2S2H 凝膠，改善了水化物的組成，強(qiáng)化了骨料與水泥基體界面過(guò)渡區(qū)的微結(jié)構(gòu)[5 ] ，提高了混凝土強(qiáng)度和耐久性。另外，摻合料使混凝土凝硬過(guò)程中水化放熱低，也有利于制備高性能混凝土。

4.2           開發(fā)應(yīng)用摻合料的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益　

    在混凝土中使用摻合料，最初目的是為了處理工業(yè)廢料和利用天然資源，并節(jié)約水泥、降低成本。隨著對(duì)摻合料在混凝土中作用機(jī)理的深入研究，人們逐漸認(rèn)識(shí)到摻合料也是配制優(yōu)質(zhì)混凝土不可缺少的原材料。摻合料可等量替代部分水泥形成的復(fù)合膠凝效應(yīng)，能顯著提高混凝土強(qiáng)度和耐久性，除硅灰以外其它摻合料的生產(chǎn)成本均低于水泥，所以配制混凝土用摻合料在技術(shù)性能和經(jīng)濟(jì)效益上有明顯優(yōu)勢(shì)，這也是當(dāng)今國(guó)際上混凝土技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)之一。我國(guó)建筑技術(shù)的迅猛發(fā)展，對(duì)高強(qiáng)、高性能混凝土的需求正在日益增長(zhǎng)，摻合料的研究開發(fā)方興未艾，其市場(chǎng)需求也隨之不斷擴(kuò)大。國(guó)內(nèi)沿海地區(qū)常年從東南亞等地進(jìn)口大量摻合料，以滿足建筑土木工程所需，其到岸價(jià)約35 美元/ t 。

    作為混凝土主要原料的水泥，是一種不可持續(xù)發(fā)展的產(chǎn)品。生產(chǎn)水泥的企業(yè)排放大量粉塵、有害氣體和主要溫室效應(yīng)氣體CO2 ，導(dǎo)致地球生態(tài)環(huán)境受極大危害。隨著人類對(duì)生存環(huán)境的日益重視，水泥工業(yè)的發(fā)展必將受限制，高強(qiáng)、高性能混凝土用大量摻合料代替水泥熟料，將是一條解決混凝土發(fā)展與環(huán)境保護(hù)矛盾的出路。吳中偉提出“綠色”高性能混凝土中磨細(xì)礦物摻合料，而不是熟料水泥，將成為最大的膠凝組份。

5     開發(fā)摻合料的技術(shù)要領(lǐng)

    無(wú)論是開發(fā)工業(yè)廢料，還是天然巖石礦物資源用作高強(qiáng)、高性能混凝土摻合料，都應(yīng)解決以下方面的技術(shù)問(wèn)題，其中最后一項(xiàng)是可供選擇的。

5.1      選擇原料　

    首要考慮其火山灰活性強(qiáng)弱大小， 優(yōu)先選用活性強(qiáng)者； 其次，原料質(zhì)量穩(wěn)定和數(shù)量較多，是保證摻合料普及推廣應(yīng)用的前提。若用天然巖石礦物為原料，應(yīng)盡量選擇儲(chǔ)量大、玻璃質(zhì)比例高且具多孔結(jié)構(gòu)、化學(xué)成份SiO2 + Al2O3 含量高的火山巖，如沸石巖、珍珠巖等。

5.2     研磨粉體　

    除硅灰外，其它各類原料粉煤灰、礦渣、沸石巖、珍珠巖等都須經(jīng)過(guò)加工研磨成超細(xì)粉體，才能充分地發(fā)揮其火山灰活性而成為優(yōu)質(zhì)摻合料。從理論上講，顆粒越細(xì)其活性越強(qiáng)，對(duì)混凝土增強(qiáng)效果越大。但從工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益考慮，研磨過(guò)細(xì)，能耗大、成本高，因此，較合理的研磨粉體粒徑宜絕大部分小于45μm ， 即粉體用45μm 篩余量< 10 %或用80μm 篩余量< 5 %作為檢驗(yàn)合格標(biāo)準(zhǔn)。

5.3    研究開發(fā)摻合料之激發(fā)劑　

    摻合料必須在一定激發(fā)劑環(huán)境中，方可發(fā)揮其潛在的水硬性膠凝性能。在摻合料摻量較少時(shí)，尚可借助于水泥水化產(chǎn)物Ca (OH) ₂ 和石膏作為激發(fā)劑發(fā)揮火山灰效益；但在大量摻入摻合料的情況下，則上述水泥內(nèi)部的激發(fā)劑在數(shù)量和效果方面都顯得不足。因此，研究開發(fā)更高效的激發(fā)劑是應(yīng)用摻合料的關(guān)鍵。

5.4 　熱處理養(yǎng)護(hù)　

    在有條件的混凝土預(yù)制構(gòu)件或制品廠，采用高溫濕熱養(yǎng)護(hù)方法可使摻合料混凝土性能進(jìn)一步提高，濕熱環(huán)境可促使摻合料二次水化反應(yīng)加速、充分地進(jìn)行，更好地發(fā)揮其潛在的水硬性膠凝性能。

6 　結(jié)論

    珍珠巖研磨成細(xì)粉，添加少量無(wú)機(jī)化工產(chǎn)品作激發(fā)劑組成高性能混凝土摻合料，其理論依據(jù)充分， 技術(shù)性能優(yōu)越，生產(chǎn)工藝較簡(jiǎn)單，應(yīng)用前景廣闊，經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益明顯。

參考文獻(xiàn)

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

2 　吳中偉1 綠色高性能混凝土———混凝土的發(fā)展方向1 混凝土與水泥制品，1998 (3) :3～6

3 　閻培渝、姚燕主編1 水泥基復(fù)合材料科學(xué)與技術(shù)1 北京:建材工業(yè)出版社，1999

4 　馮乃謙編著1 高性能混凝土1 北京:建筑工業(yè)出版社，1996

5 　喻樂(lè)華1 混凝土集料界面與強(qiáng)度關(guān)系的界面理論分析1 華東交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1999 (4) :14～19