喻樂華，李琳國，管亮亮，何兵兵，廖妙星

（華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西 南昌 330013）

水泥基材料中火山巖火山灰反應(yīng)的效益

喻樂華，李琳國，管亮亮，何兵兵，廖妙星

（華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西 南昌 330013）

基于水泥基材料強(qiáng)度由水泥的水化反應(yīng)和火山灰質(zhì)材料的火山灰反應(yīng)(二次水化反應(yīng))共同構(gòu)成之概念，測試摻火山巖粉末的水泥砂漿力學(xué)強(qiáng)度計(jì)算，表征單位火山巖的火山灰反應(yīng)之效益。結(jié)果表明火山巖火山灰反應(yīng)的效益隨著水泥基材料中摻量增大而減小，同摻量情況下隨著水化時(shí)間延長而減小。這些關(guān)系可用擬合回歸方程量化表達(dá)。研究的火山巖火山灰反應(yīng)效益可知大多數(shù)情況下火山巖替代水泥會(huì)對水泥基材料強(qiáng)度有降低影響，摻量越大強(qiáng)度降低幅度也越大。研究成果有助于工程上優(yōu)化選擇火山灰質(zhì)材料在水泥基材料中的應(yīng)用。

火山巖；火山灰反應(yīng)；水泥基材料；效益

研究和開發(fā)天然材料用作水泥基材料中輔助膠凝材料的首要任務(wù)是評判其質(zhì)量優(yōu)劣，通常采用實(shí)驗(yàn)容易測試的力學(xué)性能相關(guān)參數(shù)作為判定指標(biāo)。例如，美國ASTM C 618-00《Standard Specification for Coal Ash and Raw or Calcined Natural Pozzolan for Use as a Mineral Admixture in Concrete》用砂漿抗壓強(qiáng)度來評估火山灰質(zhì)材料的火山灰活性。中國建工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JG/T 315-2011《用作水泥砂漿及混凝土的天然火山灰質(zhì)材料》主要以摻天然火山灰質(zhì)材料水泥砂漿抗壓強(qiáng)度比換算的活性指數(shù)作為評判標(biāo)準(zhǔn)，其臨界值≥65可適宜用作水泥基材料的輔助膠凝材料。Takemoto and Uchikawa[1]也強(qiáng)調(diào)天然或人工火山灰水泥質(zhì)量應(yīng)該通過力學(xué)強(qiáng)度測試來評價(jià)。蒲心誠[2]認(rèn)為在無活性礦物摻合料的混凝土中其強(qiáng)度來源完全基于水泥的水化反應(yīng);在摻有活性礦物摻合料的混凝土中,強(qiáng)度來源由水泥的水化反應(yīng)和火山灰效應(yīng)(主要為二次水化反應(yīng))共同構(gòu)成。實(shí)際上，水泥基材料性能本質(zhì)上由水泥的水化反應(yīng)和火山灰質(zhì)材料的火山灰反應(yīng)的結(jié)果決定，而這種結(jié)果可以通過多種參數(shù)表現(xiàn)在不同的性質(zhì)方面[3-4]，如通過砂漿或混凝土抗壓強(qiáng)度反映在力學(xué)性能方面[5]，或通過酸溶解測定的反應(yīng)程度體現(xiàn)在化學(xué)性能方面[6-7]。Lothenbach等[8]和Snellings等[9]總結(jié)并評述了該領(lǐng)域的主要成果。

基于水泥基材料強(qiáng)度由水泥的水化反應(yīng)結(jié)果和火山灰質(zhì)材料的火山灰反應(yīng)結(jié)果共同構(gòu)成的概念，通過測試摻火山巖粉末的水泥砂漿力學(xué)強(qiáng)度用于計(jì)算并表征單位火山巖的火山灰反應(yīng)之效益大小，分析討論火山巖火山灰反應(yīng)的效益與水泥基材料中摻量、水化時(shí)間的關(guān)系。探討應(yīng)用火山灰反應(yīng)效益的參數(shù)在工程上優(yōu)化使用火山灰質(zhì)材料。

1 材料和實(shí)驗(yàn)方法

1.1 樣品采集

江西位于中國東南部中生代晚期構(gòu)造巖漿帶的西部，中生代晚期火山巖系發(fā)育，構(gòu)成了以中酸性火山侵入巖為主體大小不一的十幾個(gè)火山盆地，并在空間上形成南、北兩個(gè)火山巖帶。本研究在南部的三南(龍南、全南、定南)—尋烏火山巖帶地區(qū)調(diào)研基礎(chǔ)上，選擇具有代表性的火山巖類型采集2個(gè)樣品：樣品A熔結(jié)凝灰?guī)r和樣品B晶屑熔結(jié)凝灰?guī)r，分別采自安遠(yuǎn)縣蔡坊鄉(xiāng)漬腦村和尋烏縣南橋鎮(zhèn)古坑石場。

1.2 火山巖性能測試

1.2.1 火山巖化學(xué)成分分析

采集火山巖樣品按照GB/T14506.28--2010進(jìn)行主要化學(xué)成分分析。

1.2.2 火山巖巖相學(xué)分析

在巖石采集現(xiàn)場觀察基礎(chǔ)上，運(yùn)用偏光顯微鏡對火山巖樣品切磨的光薄片進(jìn)行巖相學(xué)分析，主要內(nèi)容包括估測玻璃體基質(zhì)所占比例、非玻璃體的類型（晶體礦物、巖屑或角礫）及其比例、巖石結(jié)構(gòu)構(gòu)造等。

1.2.3 火山巖粉末XRD分析

火山巖粉末XRD分析進(jìn)行物相鑒定，利用各種物相特征的衍射譜準(zhǔn)確鑒定火山巖中各晶態(tài)的礦物品種。

1.3 火山巖粉末砂漿強(qiáng)度測試

1.3.1 粉末制備

火山巖樣品經(jīng)破碎后用球磨機(jī)研磨成粉末，其顆粒粒徑分布如圖1所示。

圖1 粉末粒徑分布Fig.1 Powder particle size distribution

1.3.2 火山巖粉末/水泥砂漿強(qiáng)度測試

火山巖的火山灰反應(yīng)對水泥基材料結(jié)構(gòu)形成過程所產(chǎn)生的效果，宏觀上將體現(xiàn)在對力學(xué)性能所產(chǎn)生的影響，砂漿強(qiáng)度分析法是評價(jià)各種摻合料火山灰活性反應(yīng)最常用、簡便的一種方法。參照國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JG/T 315—2011《水泥砂漿和混凝土用天然火山灰質(zhì)材料》的方法，以一定比例（10%，20%，30%，40%，50%）火山巖粉末等量替代水泥，按標(biāo)準(zhǔn)方法測定在7，28，90 d摻火山灰質(zhì)材料的水泥膠砂強(qiáng)度與同條件的基準(zhǔn)純水泥膠砂強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)采用ISO標(biāo)準(zhǔn)砂和中國聯(lián)合水泥集團(tuán)有限公司及山東魯城水泥有限公司聯(lián)合生產(chǎn)的基準(zhǔn)水泥即P.Ⅰ42.5級硅酸鹽水泥。

具體測試操作程序如下：以火山巖粉末等量替代水泥30%的水泥砂漿為例，試件材料組成配比如表1所示；用行星式攪拌機(jī)將稱量的各種材料混合攪拌均勻；裝入160 mm×40 mm×40 mm鋼模經(jīng)振搗機(jī)振搗成型；在室溫環(huán)境（20±2）℃帶模養(yǎng)護(hù)24 h后脫模；將成型好的砂漿試件送入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)水箱溫度（20±1）℃養(yǎng)護(hù)分別至7，28，90 d進(jìn)行抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度測試。

表1 火山巖替代30%水泥的砂漿材料配比Tab.1 Proportion of cement mortar blended with 30%volcanic rock

2 結(jié)果及其討論

2.1.1 化學(xué)成分

各種火山巖樣品的化學(xué)成分分析結(jié)果見表2。

表2 火山巖化學(xué)成分(WT%)Tab.2 Chemical composition of volcanic rocks and cement(%by mass)

表中數(shù)據(jù)顯示火山巖化學(xué)組成均具有富含硅質(zhì)或硅鋁質(zhì)特點(diǎn)，即符合條件：SiO2＞65%（WT）或SiO2+ Al2O3＞85%（WT），它們在化學(xué)組成方面具備用作火山灰質(zhì)材料的潛質(zhì)。

2.1.2 巖相特征

在巖石采集現(xiàn)場觀察基礎(chǔ)上，運(yùn)用偏光顯微鏡對火山巖樣品切磨的薄片進(jìn)行巖相學(xué)分析，結(jié)果表明:基質(zhì)含量＞70%,主要為火山塵（灰）；主要斑體種類為晶屑、巖屑、玻屑；玻屑呈不規(guī)則狀，基本脫?；?；晶屑以石英為主，鉀長石少量，常見熔蝕成次圓狀；巖屑以酸性火山巖為主；火山塵（灰）呈霏細(xì)狀，有脫?；F(xiàn)象。

2.1.3 XRD分析結(jié)果

靠業(yè)余時(shí)間“爬格子”是件很辛苦的事情，因此，過去我很少參加文學(xué)方面的社會(huì)活動(dòng)，湖北省作家協(xié)會(huì)每年春節(jié)前開一次茶話會(huì)，有一次我的車開到長江大橋上被書記叫回來。我一向認(rèn)為，作家拿作品“說話”就行了，別的都不重要。尤其是在雜文創(chuàng)作方面，幾十年中除了參加過河北的雜文報(bào)刊召集的三次會(huì)議，我與雜文界沒有其他“面對面”的交往，可謂埋頭寫作，孤軍奮戰(zhàn)。

火山巖粉末XRD圖譜如圖2所示。由各巖石XRD分析得知火山巖中礦物種類為石英、透長石、拉長石。

圖2 火山巖粉末XRD圖譜Fig.2 XRD Patterhs of volcanic rocks

2.2 火山巖粉末/水泥砂漿強(qiáng)度

摻火山巖粉末的水泥砂漿在各種摻量和齡期的力學(xué)強(qiáng)度測試結(jié)果列表3。

表3 火山巖粉末/水泥砂漿強(qiáng)度測試結(jié)果Tab.3 The tested results of strength of volcanic rock/cement mortar

2.3 火山巖火山灰反應(yīng)的效益

2.3.1 表征火山巖火山灰反應(yīng)效益之指標(biāo)

在水泥基材料中通常用測試摻火山灰質(zhì)材料水泥砂漿的力學(xué)強(qiáng)度來計(jì)算火山灰反應(yīng)指標(biāo)，并以此表征、厘定其火山灰反應(yīng)效益的大小?；谒嗷牧蠌?qiáng)度由水泥的水化反應(yīng)結(jié)果和火山灰質(zhì)材料的火山灰反應(yīng)結(jié)果共同構(gòu)成的概念，提出了量化表示火山巖在水泥基材料中火山灰反應(yīng)效益的系列指標(biāo)。在此設(shè)定水泥在有無摻合料情況下對強(qiáng)度的貢獻(xiàn)效果是一樣的。

1）水泥比強(qiáng)度（fc）:單位水泥用量對水泥基材料提供的強(qiáng)度,在此即純水泥砂漿中每一份水泥提供的強(qiáng)度，MPa。

式中Fc為純水泥砂漿強(qiáng)度,MPa。

2）火山巖比強(qiáng)度（fp）:單位火山巖用量對水泥基材料提供的強(qiáng)度,在此即火山巖/水泥砂漿中每一份火山巖提供的強(qiáng)度，MPa。

火山巖/水泥砂漿中全部火山巖提供的總強(qiáng)度Fp

式中：Fp為火山巖/水泥砂漿強(qiáng)度，MPa；q為膠凝材料中火山巖占百分?jǐn)?shù)，%。則火山巖/水泥砂漿中單位火山巖提供的強(qiáng)度fp為

3）火山巖火山灰反應(yīng)的效益(P)：火山巖/水泥砂漿中單位火山巖提供的火山灰反應(yīng)之效益，%。

2.3.2 火山巖的火山灰反應(yīng)效益

根據(jù)上述各公式和表3數(shù)據(jù)計(jì)算的火山巖火山灰反應(yīng)效益結(jié)果如表4所示。

表4 火山巖火山灰效益Tab.4 Effect of pozzolanic reaction for the volcanic rocks

表4顯示火山巖比強(qiáng)度隨著摻量增大而減小，但該變化規(guī)律在水化后期（90 d）表現(xiàn)不明顯，這可能是水泥基材料中CH濃度相對降低使火山巖粉末未能充分參與二次水化從而比強(qiáng)度有所下降。在同摻量情況下，火山巖在小摻量的情況下比強(qiáng)度隨著水化時(shí)間延長而減小，而大摻量時(shí)比強(qiáng)度與水化時(shí)間沒有明顯的關(guān)系。

2.3.3 火山灰反應(yīng)效益的分析

圖3顯示了各種摻量火山巖粉末在水泥砂漿不同齡期的火山灰反應(yīng)效益的變化情況。

圖3 火山巖火山灰反應(yīng)效益與時(shí)間的關(guān)系Fig.3 Relationship between pozzolanic reaction effect and time for the volcanic rocks

從圖3可知，總體上火山巖的火山灰反應(yīng)效益隨著水泥基材料中環(huán)境的不同是有所差異，即隨著火山巖摻量增大而減小，同摻量情況下隨著水化時(shí)間延長而減小。上述變化趨勢在火山巖低摻量情況下表現(xiàn)突出，而在摻量≥30%時(shí)顯得不甚明顯；同時(shí)，火山巖的火山灰反應(yīng)效益在前期（28 d前）變化較大，而在后期（28 d后）則趨于平緩。究其原因可能是水泥基材料中在大摻量或同摻量的后期情況下CH濃度相對降低，使火山巖粉末未能充分參與二次水化從而使火山巖的火山灰反應(yīng)效果有所下降。因此，要使火山巖的火山灰反應(yīng)效益得到充分發(fā)揮必須考慮最大限度地改善水泥基材料中CH濃度等相關(guān)環(huán)境。

火山灰反應(yīng)效益值的符號正或負(fù)是火山巖比強(qiáng)度相當(dāng)于水泥比強(qiáng)度大或?。灰簿褪桥c水泥相比較，單位火山巖火山灰反應(yīng)對強(qiáng)度的貢獻(xiàn)是較大或較小，由此得知火山巖替代水泥對水泥基材料強(qiáng)度是積極的提高（正）作用還是消極的降低效果。從表5和圖3可見，在火山巖大摻量（≥30%）替代水泥情況下火山灰反應(yīng)效益均為負(fù)值，即火山巖替代水泥對水泥基材料強(qiáng)度是消極的降低效果；只有火山巖低摻量替代水泥早期（7 d或28 d部分）火山灰反應(yīng)效益為正值，意味著這些火山巖低摻量替代水泥可使水泥基材料早期強(qiáng)度提高以加速施工進(jìn)展；從水泥基材料最終產(chǎn)品（90 d）結(jié)果看，只有火山巖B替代水泥10%時(shí)火山灰反應(yīng)效益為正值，也就是說大多數(shù)情況下火山巖替代水泥對水泥基材料強(qiáng)度有降低影響，摻量越大強(qiáng)度降低幅度也越大。

2.3.4 火山巖火山灰反應(yīng)效益與摻量、齡期的量化關(guān)系

參照有關(guān)混凝土抗壓強(qiáng)度與摻合料摻量、養(yǎng)護(hù)齡期相關(guān)方程模型[8]，設(shè)計(jì)水泥基材料中火山巖火山灰反應(yīng)效益與摻量、水化時(shí)間的相關(guān)回歸方程型式為P=AtBqC，其中A，B，C為常數(shù)項(xiàng)；t為齡期，q為摻量。用SPSS軟件處理即得擬合回歸方程式為

其復(fù)相關(guān)系數(shù)R=0.54。

3 結(jié)論

上述分析研究結(jié)果可總結(jié)如下結(jié)論：

根據(jù)水泥基材料強(qiáng)度由水泥的水化反應(yīng)結(jié)果和火山灰質(zhì)材料的火山灰反應(yīng) (二次水化反應(yīng))結(jié)果共同構(gòu)成的概念，可通過測試摻火山巖的水泥砂漿強(qiáng)度來計(jì)算、表征、厘定單位火山巖的火山灰反應(yīng)效益。

火山巖的火山灰反應(yīng)效益隨著水泥基材料中環(huán)境的不同是有所差異，即隨著火山巖摻量增大而減小，同摻量情況下隨著水化時(shí)間延長而減小。這可能是水泥基材料中在大摻量或同摻量的后期情況下CH濃度相對降低使火山巖粉未能充分參與二次水化導(dǎo)致結(jié)果?；鹕綆r火山灰效益與摻量、齡期的關(guān)系可用擬合回歸方程量化表示。

火山巖火山灰反應(yīng)效益值的計(jì)算結(jié)果表明大多數(shù)情況下火山巖替代水泥會(huì)對水泥基材料強(qiáng)度有降低影響，摻量越大強(qiáng)度降低幅度也越大。

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Effect of Pozzolanic Reaction of Volcanic Rocks in Cement-based Material

Yu Lehua,Li Linguo,Guan Lianlian,He Bingbing,Liao Miaoxing
(School of Civil Engineering and Architecture,East China Jiaotong University，Nanchang 330013,China)

Based on the concept that strength of cement-based material results from hydration of cement and pozzolanic reaction of pozzolans(secondary-hydration reaction),the mechanical strength of cement mortar blended with volcanic rock powder was tested,and effect of pozzolanic reaction of volcanic rock was calculated by using the strength values.The results show that the effect of pozzolanic reaction for volcanic rocks in cement-base material decreases as the dosage of volcanic rock increases and the hydration time prolongs.The relationships among them are expressed quantitatively by using fitting regression equation.It finds out that from the effect values of pozzolanic reaction,in most cases,replacement of cement by volcanic rocks results in reducing impacts on strength of cement-based material,and the higher the replacement volume is,the greater the strength decreases.

volcanic rock;pozzolanic reaction;cement-based material;effect

TU528

A

1005-0523（2015）06-0038-06

(責(zé)任編輯 劉棉玲)

2015－01-06

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51168015)

喻樂華(1962—)，男，教授，研究方向?yàn)榻ㄖ牧稀?/p>