天然材料用作混凝土掺合料的对比分析

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摘　要　选取沸石岩、珍珠岩和硅质页岩三类岩石为代表，对比分析天然材料用作混凝土掺合料在岩石化学成份、矿物组成、结构构造、成因以及工艺性能、掺合效能、火山灰效应指数方面的共同特征，以探讨其普遍规律，用于指导进一步研究开发天然岩石矿物为原料的混凝土掺合料，并与粉煤灰等工业废料型掺合料在掺合效果、经济成本方面作出比较分析。

关键词　掺合料　天然材料　沸石岩　珍珠岩　硅质页岩

国内外研究开发用作混凝土掺合料的天然材料有沸石岩[1 ] 、凝灰岩[1 ，2 ] 、硅质页岩[3 、4 ] 、珍珠岩[5 ] 、硅藻土及火山玻璃[2 ] 等。作者选取应用效果较好且具有成因类型代表性的沸石岩、珍珠岩和硅质页岩三类岩石为研究对象，对比分析天然材料用作混凝土掺合料，在岩石化学成份、矿物组成、结构构造、成因以及工艺性能、掺合效能、火山灰效应指数方面的共同特性，以探讨其普遍规律，用于指导进一步研究开发天然岩石矿物为原料的混凝土掺合料。

1 　岩石特征

1.1 　岩石化学成份　

用作混凝土掺合料的沸石岩、珍珠岩和硅质页岩三类岩石代表之主要化学成份， 见表1 。上表显示三类岩石化学成份，均为富SiO2 或富SiO2 + Al2O3.

1.2 　岩石矿物组成、结构状态　

表1 还列出了沸石岩、珍珠岩和硅质页岩三类岩石的主要矿物组成及结构状态。三类岩石的矿物都以架状硅铝酸盐族为主，结构上虽有玻璃质、隐晶质和结晶质的不同，但晶态的沸石为具有巨大表面能的特殊多孔结构，因而三类岩石都是对外表现出强烈活性的结构状态。

1.3 岩石成因　

沸石岩的形成过程为[6 ] :酸性火山岩的玻璃物质在碱性介质条件下水解而形成斜发沸石，火山物质经晶态化并交换离子后，导致具有极大内外表面能的多孔结构，属酸性火山岩蚀变或轻变质产物；硅质页岩可能是与海底酸性火山灰喷发活动有关的沉积岩[7 ] ；珍珠岩是典型的酸性火山熔岩喷(溢) 出地表急速冷凝而成。综上所述，这些岩石成因都是以酸性火山物质为基础的，或是直接冷却成岩，或是经沉积成岩作用而成，或是经蚀变水解形成的产物。

2 　岩石粉末特征

天然沸石岩、珍珠岩和硅质页岩经机械破碎磨细成粉末作掺合料使用，其粉末特征，见表2 。

与水泥熟料颗粒相似，只有小于325 目的掺合料颗粒，才有较高活性而参与水化反应形成C2S2H。对于起填充作用的颗粒，要求更小的粒径，才能密实水泥基复合材料内部的孔隙，从而提高混凝土力学性能和耐久性。因此，掺合料细度要求325 目筛余量< 10 %。

3 　掺合料对混凝土性能的影响

沸石岩、珍珠岩和硅质页岩掺合料，按不同比例掺入相近配合比的高强混凝土中(表3) ，对混凝土的主要技术性能———塌落度和抗压强度的影响，见表4 。

从表中可看出三类岩石掺合料对混凝土性能影响的共同之处: ①掺合料等量替代水泥的混凝土的早期强度，较未含掺合料的基准混凝土低； ②在所讨论的替代范围内，掺合料等量替代水泥的混凝土的晚期(28 天及91 天) 强度，高于基准混凝土，强度增长率大致为10 %～30 %； ③掺合料以10 %～15 %的掺量对混凝土增强效果最好。

4 　掺合料在混凝土中的火山灰效应指数

4.1 　火山灰效应量化指标　

混凝土中掺入活性掺合料导致的火山灰效应，量化分析方法很多。蒲心诚认为[8 ] :在无掺合料的混凝土中，其强度来源完全基于水泥的水化反应；在掺合活性矿物掺合料的混凝土中，强度由水泥的水化反应和火山灰效应(主要为二次反应) 共同构成。据此，提出了火山灰效应的数值化指标———火山灰效应强度贡献率P ( %) : 表示所掺入的掺合料产生的火山灰效应对混凝土强度的贡献大小。

4.2三类掺合料的火山灰效应强度贡献率　

采用上述火山灰效应强度贡献率，来定量分析对比三类岩石掺合料在混凝土中对构成强度有效作用的火山灰效应大小，其计算结果见表4 右二列(计算方法和过程，参阅文献[8 ]) 。从中可知:岩石掺合料火山灰效应随着混凝土养护龄期的延长而增强，这与工业废料类掺合料粉煤灰、硅灰、矿渣粉等的结论一致； 在掺入掺合料的混凝土后期强度构成中，约20 %以上是由于岩石掺合料火山灰效应导致的，其中个别高比例者可达40 %；三类掺合料相同指标对比，增强效果好的首推珍珠岩类。

5 　与工业废料类掺合料的对比

5.1 　混凝土掺合料类型　

掺合料可分为二大类:一类是工业废料类，如磨细矿渣、粉煤灰、硅灰等，但可用于高强高性能混凝土的只有硅灰、优质(一级和二级) 粉煤灰以及三级以上磨细矿渣；另一类是天然矿物岩石，国内采用沸石粉等，国外普遍采用火山玻璃、火山凝灰岩、粘土页岩、硅藻土等，经加工用作高强高性能混凝土的掺合料[2 ] 。

5.2 粉煤灰与沸石掺和性能对比[9 ] 　

掺入沸石的混凝土的28 天和91 天抗压强度，均高于无掺合料的基准混凝土或掺入一级粉煤灰的混凝土，见表5 。

5.3 掺合料的市场情况　

在国内市场上，工业废料类掺合料中硅灰价格高于2000 元/ t ，磨细矿渣因研磨加工成本高而较少应用，供需较大的是一级、二级粉煤灰，其售价分别高于200 元/ t 、120 元/ t ，这类优质粉煤灰多分布在北方地区；我国南方沿海地区常年从东南亚一带大量进口掺合料以满足土木建筑工程所需，其到岸价约35 美元/ t ；而用作掺合料的珍珠岩粉售价约100 元/ t ，沸石粉售价低于200 元/ t 。

6 　结论

研究表明：用作混凝土掺合料的天然材料，在岩石化学成份上均为富SiO2 或富SiO2 + Al2O3 ；矿物以架状硅铝酸盐族为主；结构上有玻璃质、隐晶质和结晶质，但须是对外表现出强烈活性的结构状态；岩石成因都是以酸性火山物质为基础的直接成岩或经轻微改造的产物； 掺合料加工工艺方面，细度要求325 目筛余量小于10 %；岩石掺合料对混凝土性能的影响，表现在早期强度较基准的低，而晚期(28 天及91 天) 强度高于基准混凝土，强度增长率大致为10 %～30 % ，掺合料以10 %～15 %的掺量对混凝土的增强效应最大；掺合料混凝土后期强度构成中，约20 %以上是由岩石掺合料火山灰效应导致的；三类掺合料对比反映，珍珠岩类增强效果最突出；与粉煤灰为代表的工业废料型掺合料在对混凝土性能的掺合效果、经济成本作比较后，天然材料型掺合料具有技术性能和经济效益的优势。

参考文献

1 　冯乃谦1 高性能混凝土[M]1 北京:中国建筑工业出版社，1996

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

3 　李家和等1 双掺硅灰硅质页岩超高强混凝土[J ]1 混凝土，1996 (5) :18～20

4 　陈宗严1 混凝土硅质掺合料的效能分析[J ]1 混凝土，1996 (1) : 43～46

5 　喻乐华等1 珍珠岩用作高性能混凝土掺合料研究[J ] 1 非金属矿，2001 (3) :24～25

6 　田煦等主编1 非金属矿产地质学[M]1 武汉:武汉工业大学出版社，1991

7 　曾允孚等主编1 沉积岩石学[M]1 北京:地质出版社，1986

8 　阎培渝、姚燕主编1 水泥基复合材料科学与技术[M]1 北京:中国建材出版社，1999

9 　朱清江1 高强高性能混凝土研制及应用[M]1 北京:中国建材工业出版社，1999