水泥基材料中火山巖火山灰反應的效益

喻樂華，李琳國，管亮亮，何兵兵，廖妙星

（華東交通大學土木建筑學院，江西 南昌 330013）

水泥基材料中火山巖火山灰反應的效益

喻樂華，李琳國，管亮亮，何兵兵，廖妙星

（華東交通大學土木建筑學院，江西 南昌 330013）

基于水泥基材料強度由水泥的水化反應和火山灰質材料的火山灰反應(二次水化反應)共同構成之概念，測試摻火山巖粉末的水泥砂漿力學強度計算，表征單位火山巖的火山灰反應之效益。結果表明火山巖火山灰反應的效益隨著水泥基材料中摻量增大而減小，同摻量情況下隨著水化時間延長而減小。這些關系可用擬合回歸方程量化表達。研究的火山巖火山灰反應效益可知大多數情況下火山巖替代水泥會對水泥基材料強度有降低影響，摻量越大強度降低幅度也越大。研究成果有助于工程上優化選擇火山灰質材料在水泥基材料中的應用。

火山巖；火山灰反應；水泥基材料；效益

研究和開發天然材料用作水泥基材料中輔助膠凝材料的首要任務是評判其質量優劣，通常采用實驗容易測試的力學性能相關參數作為判定指標。例如，美國ASTM C 618-00《Standard Specification for Coal Ash and Raw or Calcined Natural Pozzolan for Use as a Mineral Admixture in Concrete》用砂漿抗壓強度來評估火山灰質材料的火山灰活性。中國建工行業標準JG/T 315-2011《用作水泥砂漿及混凝土的天然火山灰質材料》主要以摻天然火山灰質材料水泥砂漿抗壓強度比換算的活性指數作為評判標準，其臨界值≥65可適宜用作水泥基材料的輔助膠凝材料。Takemoto and Uchikawa[1]也強調天然或人工火山灰水泥質量應該通過力學強度測試來評價。蒲心誠[2]認為在無活性礦物摻合料的混凝土中其強度來源完全基于水泥的水化反應;在摻有活性礦物摻合料的混凝土中,強度來源由水泥的水化反應和火山灰效應(主要為二次水化反應)共同構成。實際上，水泥基材料性能本質上由水泥的水化反應和火山灰質材料的火山灰反應的結果決定，而這種結果可以通過多種參數表現在不同的性質方面[3-4]，如通過砂漿或混凝土抗壓強度反映在力學性能方面[5]，或通過酸溶解測定的反應程度體現在化學性能方面[6-7]。Lothenbach等[8]和Snellings等[9]總結并評述了該領域的主要成果。

基于水泥基材料強度由水泥的水化反應結果和火山灰質材料的火山灰反應結果共同構成的概念，通過測試摻火山巖粉末的水泥砂漿力學強度用于計算并表征單位火山巖的火山灰反應之效益大小，分析討論火山巖火山灰反應的效益與水泥基材料中摻量、水化時間的關系。探討應用火山灰反應效益的參數在工程上優化使用火山灰質材料。

1 材料和實驗方法

1.1 樣品采集

江西位于中國東南部中生代晚期構造巖漿帶的西部，中生代晚期火山巖系發育，構成了以中酸性火山侵入巖為主體大小不一的十幾個火山盆地，并在空間上形成南、北兩個火山巖帶。本研究在南部的三南(龍南、全南、定南)—尋烏火山巖帶地區調研基礎上，選擇具有代表性的火山巖類型采集2個樣品：樣品A熔結凝灰巖和樣品B晶屑熔結凝灰巖，分別采自安遠縣蔡坊鄉漬腦村和尋烏縣南橋鎮古坑石場。

1.2 火山巖性能測試

1.2.1 火山巖化學成分分析

采集火山巖樣品按照GB/T14506.28--2010進行主要化學成分分析。

1.2.2 火山巖巖相學分析

在巖石采集現場觀察基礎上，運用偏光顯微鏡對火山巖樣品切磨的光薄片進行巖相學分析，主要內容包括估測玻璃體基質所占比例、非玻璃體的類型（晶體礦物、巖屑或角礫）及其比例、巖石結構構造等。

1.2.3 火山巖粉末XRD分析

火山巖粉末XRD分析進行物相鑒定，利用各種物相特征的衍射譜準確鑒定火山巖中各晶態的礦物品種。

1.3 火山巖粉末砂漿強度測試

1.3.1 粉末制備

火山巖樣品經破碎后用球磨機研磨成粉末，其顆粒粒徑分布如圖1所示。

圖1 粉末粒徑分布Fig.1 Powder particle size distribution

1.3.2 火山巖粉末/水泥砂漿強度測試

火山巖的火山灰反應對水泥基材料結構形成過程所產生的效果，宏觀上將體現在對力學性能所產生的影響，砂漿強度分析法是評價各種摻合料火山灰活性反應最常用、簡便的一種方法。參照國家行業標準JG/T 315—2011《水泥砂漿和混凝土用天然火山灰質材料》的方法，以一定比例（10%，20%，30%，40%，50%）火山巖粉末等量替代水泥，按標準方法測定在7，28，90 d摻火山灰質材料的水泥膠砂強度與同條件的基準純水泥膠砂強度。實驗采用ISO標準砂和中國聯合水泥集團有限公司及山東魯城水泥有限公司聯合生產的基準水泥即P.Ⅰ42.5級硅酸鹽水泥。

具體測試操作程序如下：以火山巖粉末等量替代水泥30%的水泥砂漿為例，試件材料組成配比如表1所示；用行星式攪拌機將稱量的各種材料混合攪拌均勻；裝入160 mm×40 mm×40 mm鋼模經振搗機振搗成型；在室溫環境（20±2）℃帶模養護24 h后脫模；將成型好的砂漿試件送入標準養護水箱溫度（20±1）℃養護分別至7，28，90 d進行抗折強度和抗壓強度測試。

表1 火山巖替代30%水泥的砂漿材料配比Tab.1 Proportion of cement mortar blended with 30%volcanic rock

2 結果及其討論

2.1.1 化學成分

各種火山巖樣品的化學成分分析結果見表2。

表2 火山巖化學成分(WT%)Tab.2 Chemical composition of volcanic rocks and cement(%by mass)

表中數據顯示火山巖化學組成均具有富含硅質或硅鋁質特點，即符合條件：SiO2＞65%（WT）或SiO2+ Al2O3＞85%（WT），它們在化學組成方面具備用作火山灰質材料的潛質。

2.1.2 巖相特征

在巖石采集現場觀察基礎上，運用偏光顯微鏡對火山巖樣品切磨的薄片進行巖相學分析，結果表明:基質含量＞70%,主要為火山塵（灰）；主要斑體種類為晶屑、巖屑、玻屑；玻屑呈不規則狀，基本脫?；?；晶屑以石英為主，鉀長石少量，常見熔蝕成次圓狀；巖屑以酸性火山巖為主；火山塵（灰）呈霏細狀，有脫玻化現象。

2.1.3 XRD分析結果

靠業余時間“爬格子”是件很辛苦的事情，因此，過去我很少參加文學方面的社會活動，湖北省作家協會每年春節前開一次茶話會，有一次我的車開到長江大橋上被書記叫回來。我一向認為，作家拿作品“說話”就行了，別的都不重要。尤其是在雜文創作方面，幾十年中除了參加過河北的雜文報刊召集的三次會議，我與雜文界沒有其他“面對面”的交往，可謂埋頭寫作，孤軍奮戰。

火山巖粉末XRD圖譜如圖2所示。由各巖石XRD分析得知火山巖中礦物種類為石英、透長石、拉長石。

圖2 火山巖粉末XRD圖譜Fig.2 XRD Patterhs of volcanic rocks

2.2 火山巖粉末/水泥砂漿強度

摻火山巖粉末的水泥砂漿在各種摻量和齡期的力學強度測試結果列表3。

表3 火山巖粉末/水泥砂漿強度測試結果Tab.3 The tested results of strength of volcanic rock/cement mortar

2.3 火山巖火山灰反應的效益

2.3.1 表征火山巖火山灰反應效益之指標

在水泥基材料中通常用測試摻火山灰質材料水泥砂漿的力學強度來計算火山灰反應指標，并以此表征、厘定其火山灰反應效益的大小?；谒嗷牧蠌姸扔伤嗟乃磻Y果和火山灰質材料的火山灰反應結果共同構成的概念，提出了量化表示火山巖在水泥基材料中火山灰反應效益的系列指標。在此設定水泥在有無摻合料情況下對強度的貢獻效果是一樣的。

1）水泥比強度（fc）:單位水泥用量對水泥基材料提供的強度,在此即純水泥砂漿中每一份水泥提供的強度，MPa。

式中Fc為純水泥砂漿強度,MPa。

2）火山巖比強度（fp）:單位火山巖用量對水泥基材料提供的強度,在此即火山巖/水泥砂漿中每一份火山巖提供的強度，MPa。

火山巖/水泥砂漿中全部火山巖提供的總強度Fp

式中：Fp為火山巖/水泥砂漿強度，MPa；q為膠凝材料中火山巖占百分數，%。則火山巖/水泥砂漿中單位火山巖提供的強度fp為

3）火山巖火山灰反應的效益(P)：火山巖/水泥砂漿中單位火山巖提供的火山灰反應之效益，%。

2.3.2 火山巖的火山灰反應效益

根據上述各公式和表3數據計算的火山巖火山灰反應效益結果如表4所示。

表4 火山巖火山灰效益Tab.4 Effect of pozzolanic reaction for the volcanic rocks

表4顯示火山巖比強度隨著摻量增大而減小，但該變化規律在水化后期（90 d）表現不明顯，這可能是水泥基材料中CH濃度相對降低使火山巖粉末未能充分參與二次水化從而比強度有所下降。在同摻量情況下，火山巖在小摻量的情況下比強度隨著水化時間延長而減小，而大摻量時比強度與水化時間沒有明顯的關系。

2.3.3 火山灰反應效益的分析

圖3顯示了各種摻量火山巖粉末在水泥砂漿不同齡期的火山灰反應效益的變化情況。

圖3 火山巖火山灰反應效益與時間的關系Fig.3 Relationship between pozzolanic reaction effect and time for the volcanic rocks

從圖3可知，總體上火山巖的火山灰反應效益隨著水泥基材料中環境的不同是有所差異，即隨著火山巖摻量增大而減小，同摻量情況下隨著水化時間延長而減小。上述變化趨勢在火山巖低摻量情況下表現突出，而在摻量≥30%時顯得不甚明顯；同時，火山巖的火山灰反應效益在前期（28 d前）變化較大，而在后期（28 d后）則趨于平緩。究其原因可能是水泥基材料中在大摻量或同摻量的后期情況下CH濃度相對降低，使火山巖粉末未能充分參與二次水化從而使火山巖的火山灰反應效果有所下降。因此，要使火山巖的火山灰反應效益得到充分發揮必須考慮最大限度地改善水泥基材料中CH濃度等相關環境。

火山灰反應效益值的符號正或負是火山巖比強度相當于水泥比強度大或??；也就是與水泥相比較，單位火山巖火山灰反應對強度的貢獻是較大或較小，由此得知火山巖替代水泥對水泥基材料強度是積極的提高（正）作用還是消極的降低效果。從表5和圖3可見，在火山巖大摻量（≥30%）替代水泥情況下火山灰反應效益均為負值，即火山巖替代水泥對水泥基材料強度是消極的降低效果；只有火山巖低摻量替代水泥早期（7 d或28 d部分）火山灰反應效益為正值，意味著這些火山巖低摻量替代水泥可使水泥基材料早期強度提高以加速施工進展；從水泥基材料最終產品（90 d）結果看，只有火山巖B替代水泥10%時火山灰反應效益為正值，也就是說大多數情況下火山巖替代水泥對水泥基材料強度有降低影響，摻量越大強度降低幅度也越大。

2.3.4 火山巖火山灰反應效益與摻量、齡期的量化關系

參照有關混凝土抗壓強度與摻合料摻量、養護齡期相關方程模型[8]，設計水泥基材料中火山巖火山灰反應效益與摻量、水化時間的相關回歸方程型式為P=AtBqC，其中A，B，C為常數項；t為齡期，q為摻量。用SPSS軟件處理即得擬合回歸方程式為

其復相關系數R=0.54。

3 結論

上述分析研究結果可總結如下結論：

根據水泥基材料強度由水泥的水化反應結果和火山灰質材料的火山灰反應 (二次水化反應)結果共同構成的概念，可通過測試摻火山巖的水泥砂漿強度來計算、表征、厘定單位火山巖的火山灰反應效益。

火山巖的火山灰反應效益隨著水泥基材料中環境的不同是有所差異，即隨著火山巖摻量增大而減小，同摻量情況下隨著水化時間延長而減小。這可能是水泥基材料中在大摻量或同摻量的后期情況下CH濃度相對降低使火山巖粉未能充分參與二次水化導致結果?；鹕綆r火山灰效益與摻量、齡期的關系可用擬合回歸方程量化表示。

火山巖火山灰反應效益值的計算結果表明大多數情況下火山巖替代水泥會對水泥基材料強度有降低影響，摻量越大強度降低幅度也越大。

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Effect of Pozzolanic Reaction of Volcanic Rocks in Cement-based Material

Yu Lehua,Li Linguo,Guan Lianlian,He Bingbing,Liao Miaoxing
(School of Civil Engineering and Architecture,East China Jiaotong University，Nanchang 330013,China)

Based on the concept that strength of cement-based material results from hydration of cement and pozzolanic reaction of pozzolans(secondary-hydration reaction),the mechanical strength of cement mortar blended with volcanic rock powder was tested,and effect of pozzolanic reaction of volcanic rock was calculated by using the strength values.The results show that the effect of pozzolanic reaction for volcanic rocks in cement-base material decreases as the dosage of volcanic rock increases and the hydration time prolongs.The relationships among them are expressed quantitatively by using fitting regression equation.It finds out that from the effect values of pozzolanic reaction,in most cases,replacement of cement by volcanic rocks results in reducing impacts on strength of cement-based material,and the higher the replacement volume is,the greater the strength decreases.

volcanic rock;pozzolanic reaction;cement-based material;effect

TU528

A

1005-0523（2015）06-0038-06

(責任編輯 劉棉玲)

2015－01-06

國家自然科學基金資助項目(51168015)

喻樂華(1962—)，男，教授，研究方向為建筑材料。