不同巖性磨細(xì)火成巖礦物材料與減水劑相容性研究

王浩，譚鹽賓，楊魯，謝永江，李林香，葛昕，鄭永杰

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

0 引言

近年來，隨著國內(nèi)高速鐵路、水電工程、房地產(chǎn)等快速發(fā)展以及國家對環(huán)境保護(hù)的日益重視，廣泛應(yīng)用于混凝土的粉煤灰隨著土建工程建設(shè)量的快速增長和火力發(fā)電廠的減少，在國內(nèi)多地已出現(xiàn)粉煤灰資源緊缺的局面，亟待開發(fā)新的替代材料。在我國西南地區(qū)，特別是在云南、四川和西藏三省，由于處于歐亞板塊地震活躍帶，古火山分布多，具有豐富的天然火山灰資源以及火成巖礦物資源[1-3]。有研究表明[4]，火成巖礦物具有與粉煤灰相似的化學(xué)組成，主要以SiO2、Al2O3和Fe2O3等為主，將其磨細(xì)加工至一定細(xì)度后具有較好的潛在水化活性，能有效改善混凝土拌合物性能并提高耐久性能，可作為混凝土用礦物摻合料。磨細(xì)火成巖質(zhì)礦物材料已在我國西南地區(qū)多個(gè)水利項(xiàng)目中進(jìn)行了成功應(yīng)用[5]。

目前，國內(nèi)外研究人員關(guān)于天然火山灰對混凝土力學(xué)性能和耐久性能的影響方面研究較多[6-14]，而對采用火成巖磨細(xì)加工而得的礦物摻合料研究則較少。火成巖由于巖性復(fù)雜，有凝灰?guī)r、安山巖、流紋巖、玄武巖等，不同巖性火成巖礦物材料對混凝土性能的影響也各不相同。相關(guān)研究表明[15]：火成巖礦物材料由于顆粒內(nèi)部多孔、表面粗糙，且棱角較多，在混凝土中應(yīng)用存在減水劑需求量偏高、坍落度經(jīng)時(shí)損失大等問題，火成巖礦物材料與減水劑的相容性問題影響其在混凝土中的順利應(yīng)用。本文結(jié)合川藏地區(qū)地緣性礦物材料分布特點(diǎn)和性能特點(diǎn)，選取4種巖性火成巖礦物磨細(xì)制得礦物摻合料，研究其與鐵路混凝土常用聚羧酸系減水劑的相容性，以期為川藏地區(qū)鐵路工程建設(shè)提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

（1）水泥：北京金隅集團(tuán)有限責(zé)任公司生產(chǎn)，P·O42.5級，安定性合格，物理力學(xué)性能見表1，主要化學(xué)成分見表2。

表1 水泥的物理力學(xué)性能

表2 水泥的主要化學(xué)成分 %

（2）粉煤灰（FA）：唐山市浩冉商貿(mào)有限公司，Ⅰ級。

（3）磨細(xì)火成巖質(zhì)礦物摻合料：磨細(xì)安山巖（AS）、磨細(xì)流紋巖（LW）、磨細(xì)玄武巖（XW）和磨細(xì)凝灰?guī)r（NH）。4種磨細(xì)火成巖質(zhì)礦物摻合料和粉煤灰的主要技術(shù)性能見表3，主要化學(xué)成分見表4。

表3 磨細(xì)火成巖和粉煤灰的主要技術(shù)性能

表4 磨細(xì)火成巖和粉煤灰的主要化學(xué)成分 %

（4）標(biāo)準(zhǔn)型聚羧酸減水劑（PC）和保坍型聚羧酸減水劑（BT）：河北三楷深發(fā)科技股份有限公司生產(chǎn)，固含量均為20%，折固摻量為0.15%時(shí)減水率分別為25%、15%。

1.2 試驗(yàn)配合比

磨細(xì)火成巖與減水劑相容性試驗(yàn)配合比見表5。其中，粉煤灰摻量為30%，磨細(xì)火成巖摻量分別為10%、20%、30%，火成巖種類包括安山巖、流紋巖、玄武巖和凝灰?guī)r。

表5 外加劑相容性試驗(yàn)配比 g

1.3 試驗(yàn)方法

（1）顆粒形貌分析：采用德國蔡司公司生產(chǎn)的Merlin型場發(fā)射掃描電子顯微鏡測試粉煤灰與磨細(xì)火成巖顆粒的微觀形貌。

（2）相容性測試：按照J(rèn)C/T 1083—2008《水泥與減水劑相容性試驗(yàn)方法》進(jìn)行，對比粉煤灰和不同巖性磨細(xì)火成巖在不同摻量下對水泥漿體初始流動度、經(jīng)時(shí)損失和聚羧酸系減水劑飽和摻量的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同礦物摻合料的顆粒形貌

粉煤灰和不同巖性磨細(xì)火成巖的SEM照片見圖1。

由圖1可見，磨細(xì)火成巖粉與粉煤灰的顆粒形貌明顯不同，經(jīng)過電收塵得到的粉煤灰顆粒基本為光滑球體，而采用粉磨加工工藝制得的磨細(xì)火成巖粉顆粒外觀均呈粗糙不規(guī)則形狀，多棱角。

圖1 粉煤灰與不同巖性磨細(xì)火成巖的SEM照片

2.2 不同礦物摻合料對水泥-火成巖漿體流動度的影響

采用表5配合比，聚羧酸減水劑摻量（總摻量，下同）固定為0.6%，對比研究了不同巖性磨細(xì)火成巖及其摻量對水泥-火成巖漿體流動度的影響，結(jié)果如表6所示。

表6 不同摻量及巖性磨細(xì)火成巖粉-水泥的漿體流動度

由表6可知，對于各巖性磨細(xì)火成巖礦物材料，隨著其摻量增加，漿體流動度均呈逐漸減小的趨勢。對比同摻量不同巖性磨細(xì)火成巖粉-水泥漿體流動度變化規(guī)律可知：摻加磨細(xì)安山巖和流紋巖的水泥漿體流動度最大，摻加磨細(xì)玄武巖的次之，摻加磨細(xì)凝灰?guī)r的水泥漿體流動度最小，說明磨細(xì)安山巖粉和磨細(xì)流紋巖粉對漿體流動度影響較小，與減水劑相容性較好，而磨細(xì)玄武巖粉和磨細(xì)凝灰?guī)r粉則對漿體流動度有明顯不利影響，與減水劑相容性較差。

2.3 不同礦物摻合料對水泥-火成巖粉漿體流動度經(jīng)時(shí)損失的影響

試驗(yàn)以摻量30%的水泥-粉煤灰漿體為基準(zhǔn)，保坍型減水劑摻量（總摻量，下同）固定為0.6%，調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)型減水劑摻量以保證漿體初始流動度為（270±10）mm，試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 不同礦物摻合料及其摻量對水泥漿體流動度的影響

由表7可知，摻加磨細(xì)安山巖和磨細(xì)流紋巖的漿體減水劑摻量隨磨細(xì)火成巖摻量的增加而減少，說明這2種磨細(xì)火成巖具有一定程度減水作用，摻加磨細(xì)玄武巖的漿體減水劑用量隨其摻量無明顯變化，而摻加磨細(xì)凝灰?guī)r的漿體的減水劑用量隨其摻量的增加而增加。當(dāng)?shù)V物摻合料摻量為30%時(shí)，漿體達(dá)到相同初始流動度，對減水劑的需求量由大到小順序?yàn)椋耗ゼ?xì)凝灰?guī)r＞粉煤灰＞磨細(xì)玄武巖＞磨細(xì)流紋巖＞磨細(xì)安山巖。此外，30%摻量時(shí)摻粉煤灰水泥漿體經(jīng)時(shí)損失較小，2 h水泥漿體流動度經(jīng)時(shí)損失率僅為1.37%，而摻磨細(xì)火成巖的水泥漿體流動度經(jīng)時(shí)損失均明顯高于粉煤灰水泥漿體，摻磨細(xì)流紋巖、磨細(xì)安山巖、磨細(xì)玄武巖的漿體2 h流動度經(jīng)時(shí)損失率分別為34.93%、42.59%、43.40%，磨細(xì)凝灰?guī)r漿體的2 h流動度經(jīng)時(shí)損失最大，達(dá)到54.72%。

2.4 不同巖性磨細(xì)火成巖對減水劑飽和摻量的影響（見表8）

由表8可知，4種磨細(xì)火成巖均表現(xiàn)出隨摻量增加，聚羧酸減水劑的飽和摻量隨之增大的規(guī)律，除20%摻量外，在摻量10%和30%時(shí)，不同巖性磨細(xì)火成巖水泥漿體的減水劑飽和摻量由大到小為磨細(xì)凝灰?guī)r、磨細(xì)玄武巖、磨細(xì)流紋巖和磨細(xì)安山巖，說明磨細(xì)凝灰?guī)r對減水劑需求量最大，相容性最差，而磨細(xì)安山巖則與減水劑相容性最好。

表8 不同巖性磨細(xì)火成巖及其摻量對聚羧酸減水劑飽和摻量的影響

3 結(jié)論

（1）經(jīng)磨細(xì)加工而得到的火成巖礦物材料微觀形貌與粉煤灰的玻璃球體完全不同，呈粗糙不規(guī)則形狀、多棱角。

（2）隨著各巖性磨細(xì)火成巖礦物材料摻量增加，水泥漿體的流動度均逐漸減小。摻加磨細(xì)安山巖和流紋巖的水泥漿體流動度最大，摻加磨細(xì)玄武巖的次之，摻加磨細(xì)凝灰?guī)r的水泥漿體流動度最小。相同水泥漿體流動度下，磨細(xì)安山巖測試組摻加的外加劑摻量最小、磨細(xì)流紋巖次之、磨細(xì)玄武巖再次，而摻加磨細(xì)凝灰?guī)r測試組外加劑摻量最大；此外，磨細(xì)火成巖巖性對水泥漿體流動度經(jīng)時(shí)損失，從小到大依次為：粉煤灰、磨細(xì)流紋巖、磨細(xì)安山巖、磨細(xì)玄武巖和磨細(xì)凝灰?guī)r。

（3）隨著磨細(xì)火成巖摻量增加，聚羧酸減水劑的飽和摻量隨之增加。不同巖性磨細(xì)火成巖對聚羧酸減水劑飽和摻量測試結(jié)果從小到大依次為：磨細(xì)安山巖、磨細(xì)流紋巖、磨細(xì)玄武巖和磨細(xì)凝灰?guī)r。

（4）磨細(xì)安山巖對外加劑適應(yīng)性最好，磨細(xì)流紋巖次之，而磨細(xì)玄武巖對外加劑適應(yīng)性較差，磨細(xì)凝灰?guī)r對外加劑適應(yīng)性最差。