何樹杰 （池州市建筑管理處，安徽 池州 247100）

0 引言

工業(yè)電爐在高溫熔煉工業(yè)硅及硅鐵的過程中，逸出的煙塵經(jīng)冷凝沉淀制備出硅灰。硅灰的化學(xué)成分以硅為主（SiO2含量可高達(dá)90%），顆粒細(xì)微（可達(dá)納米級(jí)），礦物組成成分以玻璃質(zhì)為主。因此硅灰顯示出火山灰活性，可顯著提高混凝土及砂漿的力學(xué)性能和耐久性。喬建剛等[1]研究了硅灰對(duì)混凝土界面的影響，他指出“硅灰微?！痹诨炷林衅鸬搅恕拔⒓稀钡淖饔茫行Ы档土嘶炷林械挠泻讛?shù)量，從而改善了水泥漿體與集料界面的“黏結(jié)性能”，提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度及劈拉強(qiáng)度；周超等[2]指出相較于硅灰一元體系粉煤灰與硅灰二元復(fù)合體系改善了混凝土的工作性能，是因?yàn)楣杌揖哂休^大的比表面積，增大了水泥漿體的需水量和粘聚性；孔亮[3]采用硅灰與花崗巖石粉復(fù)摻，他認(rèn)為硅灰的火山灰效應(yīng)和花崗巖石粉的晶核效應(yīng)相互補(bǔ)充、相互結(jié)合，顯著提高了復(fù)合混凝土的力學(xué)性能和耐久性能。除了在混凝土中的應(yīng)用，硅灰還具有耐腐蝕、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于涂料油漆、冶金等行業(yè)之中。而凝灰?guī)r作為一種火山碎屑巖，形成于火山噴發(fā)過程中，火山灰經(jīng)“冷凝-沉積-成巖”過程形成。凝灰?guī)r也具有較高的硅含量（SiO2含量約為65%）[4]，礦物成分以隱晶質(zhì)玻璃體為主。此外，凝灰?guī)r在安徽省分布廣泛，主要產(chǎn)出于霍山、廬江、休寧、馬鞍山一帶，可作為替代硅灰的理想材料。因此，為探討凝灰?guī)r的火山灰活性并進(jìn)一步探究其替代硅灰的可行性，本文選取皖南地區(qū)某凝灰?guī)r，通過凝灰?guī)r石粉對(duì)混凝土強(qiáng)度及微觀結(jié)構(gòu)的影響，進(jìn)一步研究改性凝灰?guī)r石粉的“火山灰活性”。

1 原材料

本文水泥采用某公司生產(chǎn)的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥。減水劑選用高性能減水劑。凝灰?guī)r石粉由產(chǎn)自皖南的凝灰?guī)r，粉磨至200 目。為了進(jìn)一步提高凝灰?guī)r石粉的活性，增強(qiáng)“火山灰效應(yīng)”，本文采用加熱-淬冷的方式提高凝灰?guī)r石粉中玻璃質(zhì)礦物（即隱晶質(zhì)玻璃體）的含量，玻璃體中不穩(wěn)定的礦物相與水泥發(fā)生水化反應(yīng)，填充混凝土中微細(xì)孔，改善混凝土的孔結(jié)構(gòu)、具體的改性方法為將凝灰?guī)r石粉在950℃下灼燒8h，將高溫凝灰?guī)r石粉通過風(fēng)機(jī)淬冷，獲得改性凝灰?guī)r石粉。本文選用凝灰?guī)r石粉的激光粒度體積分布曲線如圖1 所示，凝灰?guī)r石粉比表面積為358m2/kg，粒徑范圍主要集中在5～75μm，其中20～75μm 顆粒占比可達(dá)40%。硅灰的激光粒度體積分布曲線如圖2 所示，比表面積為417m2/kg，粒徑范圍主要集中在5～75μm 之間，其中20～75μm 顆粒占比可達(dá)45%。為了對(duì)比凝灰?guī)r石粉、改性凝灰?guī)r石粉與不同工業(yè)廢渣之間的活性關(guān)系，本文選取粉煤灰、礦粉進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，并與凝灰?guī)r石粉、改性凝灰?guī)r石粉的活性指數(shù)進(jìn)行對(duì)比。試驗(yàn)所用工業(yè)廢渣主要化學(xué)成分如表1所示。

圖1 凝灰?guī)r石粉激光粒度體積分布曲線

圖2 硅灰激光粒度體積分布曲線

表1 試驗(yàn)所用凝灰?guī)r石粉及工業(yè)廢渣的主要化學(xué)成分（單位：wt%）

2 試驗(yàn)方案

經(jīng)文獻(xiàn)調(diào)研可知，硅灰、粉煤灰、礦粉等礦物摻合料具有一定的活性和相對(duì)穩(wěn)定的化學(xué)組成成分，對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響均表現(xiàn)出隨著摻合料摻量先增加后降低的特征，其中粉煤灰摻量為20%時(shí)抗壓強(qiáng)度提升效果最顯著，硅灰的摻量為6%～8%時(shí)各齡期抗壓強(qiáng)度均大于基準(zhǔn)水泥[2,4,5]。而工業(yè)副產(chǎn)石粉（機(jī)制砂石粉）在混凝土中則呈惰性，當(dāng)石粉含量超過一定的含量時(shí)，在水泥基材料中表現(xiàn)出一定的稀釋作用[6]，因此在《建設(shè)用砂》（GB/T 14684-2022）中，嚴(yán)格限定了機(jī)制砂中石粉的含量（當(dāng)機(jī)制砂的MB 值小等于0.5 時(shí)，機(jī)制砂中石粉含量應(yīng)≤15%；當(dāng)機(jī)制砂中的MB 值大于0.5且小于等于1.0 時(shí)，機(jī)制砂中的石粉含量應(yīng)≤10%）。

因此，本文為了更好地對(duì)不同摻合料的活性進(jìn)行對(duì)比，采用固定摻量（15%）的方法，探究凝灰?guī)r石粉、改性凝灰?guī)r石粉、硅灰、粉煤灰、礦粉對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響，本文所采用的混凝土配合比如表2 所示，其中水灰比為0.39、水泥用量為446kg/m3、砂用量為695kg/m3、石的用量為1047kg/m3、高性能減水劑的用量為11.152kg/m3。

表2 試驗(yàn)混凝土配比材料用量（單位：kg/m3）

3 試驗(yàn)結(jié)果及討論

混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d，所測(cè)混凝土7d、28d的強(qiáng)度如表3所示。

表3 試驗(yàn)混凝土力學(xué)性能（單位：MPa）

如表3 所示，混凝土在養(yǎng)護(hù)至7d、28d 時(shí)，摻入15%硅灰的混凝土試件抗壓強(qiáng)度均最高，分別為基準(zhǔn)混凝土抗壓強(qiáng)度的102%和104%。而凝灰?guī)r石粉的抗壓強(qiáng)度最低，7d、28d 抗壓強(qiáng)度均為基準(zhǔn)試件的85%。而經(jīng)高溫加熱、淬冷后制備的改性凝灰?guī)r石粉混凝土，抗壓強(qiáng)度略有提升，7d、28d 抗壓強(qiáng)度分別為基準(zhǔn)混凝土試件的89%、91%。粉煤灰7d、28d 抗壓強(qiáng)度分別為基準(zhǔn)混凝土試件的76%、79%，礦粉7d、28d 抗壓強(qiáng)度分別為基準(zhǔn)混凝土試件的98%、100%。

分別將養(yǎng)護(hù)至7d、28d 的混凝土試件，剖開破碎、去除表面雜物，浸泡于無水乙醇中終止水化3 天后，取出試塊放入40℃烘箱中烘干，用于SEM 微觀圖像的采集。如圖3 所示，凝灰?guī)r石粉混凝土養(yǎng)護(hù)至7d 時(shí)，水泥石中仍有大量凝灰?guī)r石粉未參與水化反應(yīng)，只起到物理填充作用，表現(xiàn)為較為疏松的微觀形貌。而通過改性的凝灰?guī)r石粉混凝土養(yǎng)護(hù)至28d 時(shí)，部分改性凝灰?guī)r石粉開始參與水化反應(yīng)，生成大量的C-S-H（硅酸鈣）凝膠水化產(chǎn)物（圖4），改善了改性凝灰?guī)r石粉與水泥石熟料間的微觀界面粘結(jié)，從而提高了含改性凝灰?guī)r石粉混凝土的強(qiáng)度。

圖3 凝灰?guī)r石粉混凝土7d水化產(chǎn)物形貌

圖4 改性凝灰?guī)r石粉混凝土28d水化產(chǎn)物形貌

硅灰的激光粒度體積分布曲線結(jié)果顯示（圖2），硅灰的粒徑相較于凝灰?guī)r石粉更加微小，20～75μm 的顆粒占比達(dá)到45%，比表面積為417m2/kg。因此硅灰一方面在混凝土中起到了“微集料”的作用，填充微孔隙、降低混凝土中的有害孔，從而改善了水泥漿體與集料界面的“黏結(jié)性能”，顯著提高了混凝土7d 和28d 的抗壓強(qiáng)度；另一方面硅灰的主要化學(xué)成分為SiO2，可與水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2進(jìn)一步反應(yīng)，生成水化C-S-H（硅酸鈣）等凝膠，對(duì)混凝土強(qiáng)度有一定的增強(qiáng)作用[7]。

凝灰?guī)r主要礦物成分為隱晶質(zhì)玻璃、長(zhǎng)石、石英和少量絹云母。凝灰?guī)r石粉的激光粒度體積分布曲線顯示，凝灰?guī)r石粉的比表面積為358m2/kg，相較于更加微小的硅灰顆粒，凝灰?guī)r石粉在水泥基材料中晶核效應(yīng)顯著降低。而經(jīng)過高溫灼燒和風(fēng)機(jī)淬冷后的凝灰?guī)r石粉，提升了改性凝灰?guī)r石粉中玻璃相和無定型微晶相的含量，凝灰?guī)r石粉的主要化學(xué)成分SiO2和Al2O3與水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2進(jìn)一步反應(yīng)，生成C-S-H（硅酸鈣）或C-S-A-H（鋁硅酸鈣）等凝膠。因此，改性后的凝灰?guī)r石粉強(qiáng)度顯著提高，可作為硅灰的替代產(chǎn)品應(yīng)用于混凝土中，但其在混凝土中的微集料填充作用和潛在活性仍低于硅灰在混凝土中的表現(xiàn)。

4 結(jié)論

凝灰?guī)r石粉的主要化學(xué)成分為SiO2和Al2O3，主要包括隱晶質(zhì)玻璃、長(zhǎng)石、石英等礦物成分，區(qū)別于其他惰性機(jī)制砂石粉（如石灰?guī)r石粉、花崗巖石粉等）表現(xiàn)出一定的火山灰活性。通過高溫灼燒、風(fēng)機(jī)淬冷的方法可提高凝灰?guī)r石粉中玻璃相和無定型微晶相的含量，玻璃相和無定型微晶相與水泥基材料中的水化產(chǎn)物（Ca(OH)2）進(jìn)一步反應(yīng)生成了CS-H（硅酸鈣）或C-S-A-H（鋁硅酸鈣）等凝膠，填充了混凝土中的微孔隙，從而提升了凝灰?guī)r石粉的火山灰活性，進(jìn)一步改善了凝灰?guī)r石粉混凝土的強(qiáng)度及工作性。