摻合料的活性由來及其他

聞寶聯

（建筑材料工業技術情報研究所，北京 100024）

一次培訓，學員提了個問題：既然粉煤灰和礦渣粉中的 SiO2、Al2O3等潛在活性物質與石灰的二次水化反應使混凝土不斷產生強度，可否把河卵石磨成細粉應用于活性摻合料？主要成分也是 SiO2。

從二次水化反應方程式可以看出，發揮火山灰作用的是活性 SiO2和活性 Al2O3，而且需要氫氧化鈣和水分作用才能反應。問題是，是不是所有的 SiO2和 Al2O3都具有活性？一般情況下，SiO2和 Al2O3是都是穩定的晶體材料，而晶體材料化學性質是很穩定的，很難反應。

關于其活性，借鑒玻璃的生產來說明這個問題。

1150℃ 左右的玻璃液熔體，通過熔窯與錫槽相連接的流道、流槽，流入熔融的錫液面上，在自身重力、表面張力以及拉引力的作用下，玻璃液攤開成為玻璃帶，在錫槽中完成拋光與拉薄，在錫槽末端的玻璃帶已冷卻到 600℃ 左右，輥道的拉引把即將硬化的玻璃帶引出錫槽，通過過渡輥臺進入退火窯（圖 1）。

圖 1 玻璃生產

玻璃的生產工藝也是 SiO2等熔融后快速冷卻，形成了我們常見的玻璃——要不快速冷卻就會形成析晶（圖 2），形成穩定晶體就不再透明了！

圖 2 玻璃析晶

玻璃的生產，需要快速冷卻，而玻璃的主要成分，也是 SiO2，與粉煤灰的成分和形成類似，也經歷了相似的急速冷卻過程。

粉煤灰在爐膛的燃燒尾氣中處于熔融懸浮狀態，大概 1500℃ 左右，瞬間排入大氣中，急速冷卻。礦渣在鋼鐵冶煉中也處于熔融狀態，浮在鐵水表面，定期排出時受到冷卻水沖擊，形成顆粒狀。都是經過了一個激冷過程。熔體狀態溫度最高，空間粒子間的網格結構混亂，在快速冷卻時，難以迅速歸位，保留了原來的無序狀和高能態結構，而緩慢冷卻過程中，相關的粒子逐步穩定歸位，形成晶體，結構穩定、內能最低。

圖 3 是玻璃熔體、玻璃、形成晶體和理想晶體位能的示意圖。

圖 3 不同結構的 SiO2 能態

粉煤灰在熔融狀態下排入大氣，相當于最上“氣相冷凝獲得的無定形物質”，位能處于最高，理想晶體處于最低能態，也最穩定。玻璃和粉煤灰、礦粉中的 SiO2都屬于無定型 SiO2，或是非晶態，因為快速冷卻使得SiO2沒有足夠的時間進行結晶。

可以看出，熔融的 SiO2不同的冷卻速度，形成不同的結構（圖 4）。

圖 4 SiO2 冷卻速度與結構關系

天然的 SiO2分為晶態和無定形兩大類，晶態 SiO2主要存在于石英礦中。純石英為無色晶體，大而透明的棱柱狀石英為水晶。SiO2是硅原子跟 4 個氧原子形成的四面體結構的原子晶體，整個晶體又可以看作是一個巨大分子，SiO2是最簡式，并不表示單個分子。SiO2晶內Si 原子均以 sp3 雜化，分別與 4 個 O 原子成鍵，構成Si-O 四面體并占據四面體中心位置，配位數為 4；O 位于四面體的角頂，是非常穩定的結構（圖 5）。

我們常見的是河卵石，主要成份是 SiO2，不是晶體，但介于晶體與玻璃（圖 6）間，能態比較低，也是自然界中最穩定的物質之一。

圖 5 穩定的 SiO2 的分子結構

圖 6 玻璃結構

圖 6 就是玻璃的結構，可以看出，玻璃的硅氧結構是混亂的，屬于非晶態，正是這種混亂的結構，造成了SiO2的不穩定性，也就是其活性。

許多學者研究證明玻璃粉具有火山灰活性，且玻璃粉越細活性越好，溫度越高火山灰活性越好。這也可以幫助我們理解火山灰作用以及堿—集料反應。

地球上以火成巖最多，火成巖是巖漿冷卻產生，火成巖中主要造巖氧化物：SiO2、TiO2、Al2O3、Fe2O3、FeO、MgO、CaO、K2O、Na2O、P2O5、H2O 等。

圖 7 是巖漿冷卻結晶的示意圖，表 1 為不同巖石的特點。在地殼淺部，冷卻較快的情況下，結晶作用發生在 B 區，形成結晶中心的速度大于晶體生長速度，圍繞大量結晶中心形成大量的細小晶體，構成細粒結構。巖漿噴出地表或很近地表，冷卻很快，結晶作用在 C區，形成結晶中心的能力及晶體生長速度都大為減弱，但前者仍大于后者，結晶中心非常多，晶體生長速度近于零，結晶能力很弱，形成微晶、隱晶、霏細或半晶質結構。冷卻極快的情況下，冷凝作用發生在 D 區，幾乎不形成結晶中心，更談不上晶體生長，因而形成玻璃質結構，比如火山灰。

圖 7 單一礦物的結晶與巖漿冷卻速率的關系

表 1 不同巖石結構特點

從以上可以看出，噴出巖中，二氧化硅在冷卻過快的時候結晶不完整，形成晶格的畸變，火山灰或凝灰巖具有了活性，而一些具有不完整結晶的硅質巖則可能具有堿活性。