火山渣的活性研究

董剛，任雪紅，張文生，葉家元

（1.中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院有限公司水泥科學(xué)與新型建筑材料研究院，北京 100024；2.綠色建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100024）

0 引言

火山渣是在火山爆發(fā)時(shí)出的巖漿由于氣體作用發(fā)生膨脹后形成的玻璃質(zhì)火成多孔巖石，一般為黑色、深灰色、紅色和棕色等，自然狀態(tài)以粗粒狀堆積在火山口周圍。火山渣在我國(guó)分布廣泛，主要產(chǎn)地為內(nèi)蒙古、云南、黑龍江、吉林、遼寧等地區(qū)，且儲(chǔ)量豐富?；鹕皆牧揭话阍?0～40 mm，其狀類似普通爐渣，干密度約為600～800 kg/m3，是一種良好的輕質(zhì)建筑材料。近年來(lái)不少學(xué)者開展了火山渣在水泥混凝土及墻體材料中的研究工作[1-9]。由于火山渣具有密度較小、孔隙率高、導(dǎo)熱系數(shù)小等特性，可以作為優(yōu)質(zhì)輕骨料在混凝土及墻體材料中得到了應(yīng)用。張磊蕾等[1-3]開展了利用火山渣發(fā)泡混凝土制備復(fù)合自保溫砌塊的研究，成功制備出A09級(jí)、A10級(jí)火山渣發(fā)泡混凝土及500級(jí)、600級(jí)、700級(jí)和800級(jí)復(fù)合自保溫砌塊。黎蔚詩(shī)等[4]研究了天然火山渣輕骨料混凝土骨料體系對(duì)混凝土性能的影響，結(jié)果表明，當(dāng)火山渣粗骨料與火山砂細(xì)骨料體積比為7∶6時(shí)，火山渣輕骨料混凝土具有最佳工作性能與力學(xué)性能。肖力光等[5]研究了火山渣全輕混凝土的性能及其改性方法，結(jié)果表明，玄武巖纖維、粉煤灰、引氣劑可減小火山渣全輕混凝土的分層和泌水，改善其工作性能。在火山渣對(duì)水泥混凝土性能的影響方面，張立霞等[6]研究了火山渣對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，火山渣的摻量越大，混凝土的力學(xué)越差，火山渣混凝土的保溫性能隨著火山渣摻量的增加而提高。筆者對(duì)火山渣的火山灰反應(yīng)效益以及火山渣對(duì)水泥放熱的影響進(jìn)行了研究[7-9]，結(jié)果表明，3 d時(shí)火山渣對(duì)水泥砂漿體系的強(qiáng)度沒有貢獻(xiàn)，28 d、90 d、180 d時(shí)對(duì)強(qiáng)度有貢獻(xiàn)，但貢獻(xiàn)小于硅酸鹽水泥；火山渣水泥的水化放熱明顯低于硅酸鹽水泥，當(dāng)火山渣摻量從20%增加到30%以及從40%增加到50%時(shí)，火山渣水泥的3 d累積放熱下降較快。

將磨細(xì)火山渣作為活性混合材摻入水泥中，將會(huì)顯著降低水泥基材料的環(huán)境負(fù)荷，對(duì)促進(jìn)水泥工業(yè)的節(jié)能減排具有重要作用。目前關(guān)于火山渣活性及其影響因素的研究較少，本文主要研究了火山渣這種火山灰質(zhì)材料的活性、火山渣活性的影響因素、火山渣活性提高的方法。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：山東魯城水泥有限公司生產(chǎn)的42.5級(jí)基準(zhǔn)水泥，密度3.15 g/cm3，比表面積344 m2/kg。火山渣：2種火山渣均來(lái)自于吉林省輝南縣，顏色介于黃灰色與灰褐色之間，火山渣1的顏色略深于火山灰渣2，密度均為2.87 g/cm3。水泥及火山渣的化學(xué)組成如表1所示，可以看出，2種火山渣是由40%～50%SiO2，約15%Fe2O3，10%～15%Al2O3，約15%CaO+MgO，以及少量的Na2O、K2O等組成。

表1 水泥和火山渣的化學(xué)成分%

砂：廈門艾思?xì)W標(biāo)準(zhǔn)砂有限公司生產(chǎn)的ISO標(biāo)準(zhǔn)砂。

激發(fā)劑：CaCl2、Ca（OH）2、CaO及CaSO4，均為國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)，分析純。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 活化火山渣的制備

將火山渣1分別在試驗(yàn)小磨中粉磨30、60、90、120 min，將火山渣2分別在試驗(yàn)小磨中粉磨30、60 min，制得不同比表面積的火山渣粉，結(jié)果如表2所示。

表2 磨細(xì)火山渣的比表面積

1.2.2 水泥膠砂強(qiáng)度測(cè)試

水泥膠砂強(qiáng)度參照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》進(jìn)行測(cè)試，按照設(shè)定配比進(jìn)行成型，硅酸鹽水泥膠砂配比為：450 g基準(zhǔn)水泥，水膠比為0.5，砂膠比為3，火山渣等質(zhì)量取代基準(zhǔn)水泥，測(cè)試不同齡期時(shí)摻火山渣的水泥膠砂強(qiáng)度與硅酸鹽水泥膠砂的抗壓強(qiáng)度。

1.2.3 火山渣的活性評(píng)價(jià)

分別采用火山灰活性圖法、抗壓強(qiáng)度比法對(duì)火山渣的膠凝活性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

火山渣的火山灰質(zhì)試驗(yàn)按照GB/T 2847—2005《用于水泥中的火山灰質(zhì)混合材料》進(jìn)行?；鹕交一钚允窃冢?0±1）℃條件下，通過(guò)與水化水泥共存的液相中呈現(xiàn)的Ca（OH）2量和在同樣堿性介質(zhì)中達(dá)到飽和的Ca（OH）2量相比較而評(píng)定的。因此，應(yīng)先畫出在（40±1）℃時(shí)，Ca（OH）2在游離堿度（OH-）約為0～100 mmol/L溶液中的溶解度曲線。曲線上方的Ca（OH）2濃度是過(guò)飽和的，曲線下方的Ca（OH）2濃度是不飽和的。凡是具有火山灰性的材料，因其組成中含有活性SiO2和Al2O3，能與水泥水化時(shí)產(chǎn)生的Ca（OH）2作用，所以與火山灰水泥共存的溶液的Ca（OH）2濃度往往是不飽和的，處于圖中Ca（OH）2溶解度曲線的下方。因此，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果的位置，可判明材料是否具有火山灰性。如果試驗(yàn)點(diǎn)落在飽和濃度曲線上或非常接近飽和濃度曲線，則需在相同條件下重做試驗(yàn)，但試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間應(yīng)延長(zhǎng)至15 d。所得結(jié)果如在飽和濃度曲線下方，仍認(rèn)為該材料具有火山灰性，只是活性發(fā)展較慢。試驗(yàn)時(shí)應(yīng)控制恒溫（40±1）℃，如溫度過(guò)低，則火山灰性不易發(fā)揮，易將活性材料檢驗(yàn)為非活性材料；如溫度高于41 ℃，使檢驗(yàn)結(jié)果失去對(duì)比性。

抗壓強(qiáng)度比法以摻30%火山渣的水泥膠砂28 d抗壓強(qiáng)度與硅酸鹽水泥膠砂28 d抗壓強(qiáng)度之比來(lái)表征火山渣的活性指數(shù)。如果該比值大于0.62，則認(rèn)為火山渣具有火山灰膠凝活性，因?yàn)榉腔钚阅ゼ?xì)石英粉的抗壓強(qiáng)度比為0.62。

2 結(jié)果與討論

2.1 火山渣的活性評(píng)價(jià)

2.1.1 火山灰活性圖法評(píng)價(jià)火山渣的膠凝活性

2種火山渣的火山灰活性圖法測(cè)試結(jié)果如圖1所示。

從圖1可以看出，2種火山渣的試驗(yàn)結(jié)果均落在曲線下方，表明2種火山渣均具有火山灰膠凝活性。

2.1.2 抗壓強(qiáng)度比法評(píng)價(jià)火山渣的膠凝活性

使用不同的火山渣替代30%基準(zhǔn)水泥，進(jìn)行水泥膠砂強(qiáng)度測(cè)試，計(jì)算28 d抗壓強(qiáng)度比，結(jié)果如表3所示。

表3 2種火山渣的28 d抗壓強(qiáng)度比

由表3可以看出，粉磨不同時(shí)間的2種火山渣28 d抗壓強(qiáng)度比均大于0.62，表明經(jīng)粉磨后2種火山渣均具有火山灰膠凝活性。

2.2 火山渣的活性影響因素

2.2.1 火山渣的細(xì)度對(duì)膠凝活性的影響

使用不同細(xì)度的火山渣1替代30%基準(zhǔn)水泥進(jìn)行膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)，28 d抗壓強(qiáng)度比如表4所示。

表4 不同細(xì)度火山渣的28 d抗壓強(qiáng)度比

由表4可以看出，隨著火山渣比表面積的增大，火山渣的28 d抗壓強(qiáng)度比逐漸提高。與比表面積為520 m2/kg的火山渣1-1相比，比表面積為1022 m2/kg的火山渣1-4的28 d抗壓強(qiáng)度比提高了12.2%。

2.2.2 火山渣摻量對(duì)膠凝活性的影響

使用不同摻量的火山渣1-1替代基準(zhǔn)水泥進(jìn)行膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)，28 d抗壓強(qiáng)度比如表5所示。

表5 不同摻量火山渣的28 d抗壓強(qiáng)度比

由表5可以看出，隨著火山渣摻量的增加，火山渣1-1的28 d抗壓強(qiáng)度比呈降低趨勢(shì)。當(dāng)火山渣的摻量從10%增加到50%時(shí)，火山渣1-1的28 d抗壓強(qiáng)度比降低了46.7%。

2.3 火山渣的活性提高方法

2.3.1 超細(xì)粉磨提高火山渣的活性

使用不同細(xì)度的火山渣1替代30%基準(zhǔn)水泥進(jìn)行膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)，3 d及28 d抗壓強(qiáng)度比如表6所示。

表6 不同細(xì)度火山渣的抗壓強(qiáng)度比

由表6可以看出，隨著火山渣比表面積的增大，火山渣的3 d、28 d抗壓強(qiáng)度比均有明顯提高。與比表面積為520 m2/kg的火山渣1-1相比，比表面積為1022 m2/kg的火山渣1-4的3 d、28 d抗壓強(qiáng)度比分別提高了16.7%、12.2%。

2.3.2 化學(xué)激發(fā)提高火山渣的活性

空白組膠砂配比為：315 g基準(zhǔn)水泥、135 g火山渣1-2、水膠比為0.5、砂膠比為3，研究不同化學(xué)激發(fā)劑種類和摻量對(duì)火山渣活性的提高效果，以抗壓強(qiáng)度為指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7 激發(fā)劑種類及摻量對(duì)火山渣活性的提高效果

由表7可見：

（1）采用CaCl2作為激發(fā)劑，當(dāng)CaCl2摻量為1%時(shí)，膠砂的3 d、28 d抗壓強(qiáng)度較空白組分別提高了15.6%、5.8%；但當(dāng)CaCl2摻量增加至5%時(shí)，膠砂的3 d、28 d抗壓強(qiáng)度較空白組分別降低了28.3%、38.0%。

（2）采用Ca（OH）2作為激發(fā)劑，隨激發(fā)劑Ca（OH）2摻量從1%增加到5%，膠砂的3 d抗壓強(qiáng)度逐漸提高，28 d抗壓強(qiáng)度先提高后降低。Ca（OH）2摻量為5%時(shí)，膠砂的3 d抗壓強(qiáng)度最高，較空白組提高了6.1%；Ca（OH）2摻量為3%時(shí)，膠砂的28 d抗壓強(qiáng)度最高，較空白組提高了6.4%。

（3）采用CaO作為激發(fā)劑，CaO摻量為5%時(shí)，膠砂的3 d抗壓強(qiáng)度最高，較空白組提高了3.0%；CaO摻量為1%時(shí)，膠砂的28 d抗壓強(qiáng)度最高，較空白組提高了5.0%。

（4）采用CaSO4作為激發(fā)劑，隨CaSO4摻量從0增加到5%，膠砂的3 d抗壓強(qiáng)度逐漸降低，28 d抗壓強(qiáng)度先提高后降低。CaSO4摻量為1%時(shí)，膠砂的28 d抗壓強(qiáng)度最高，較空白組提高了7.4%。

3 結(jié)論

（1）火山灰活性圖法及抗壓強(qiáng)度比法的結(jié)果表明火山渣具有火山灰膠凝活性。

（2）隨著火山渣比表面積的增大，火山渣的28 d抗壓強(qiáng)度比均呈提高趨勢(shì)。隨著火山渣摻量的增加，火山渣的28 d抗壓強(qiáng)度比呈下降趨勢(shì)。

（3）超細(xì)粉磨可以提高火山渣的活性。與比表面積為520 m2/kg的火山渣相比，比表面積為1022 m2/kg的火山渣的3 d抗壓強(qiáng)度比提高了16.7%，28 d抗壓強(qiáng)度比提高了12.2%。

（4）化學(xué)激發(fā)也可以提高火山渣的活性。摻加適量CaCl2、CaO及Ca（OH）2可提高火山渣水泥膠砂的3 d抗壓強(qiáng)度；隨著CaCl2、Ca（OH）2、CaO及CaSO4摻量的增加，火山渣水泥膠砂的28 d抗壓強(qiáng)度呈先提高后降低趨勢(shì)。