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天然材料用作混凝土摻合料的對(duì)比分析

2005-09-18 00:00

摘 要 選取沸石巖、珍珠巖和硅質(zhì)頁(yè)巖三類巖石為代表,對(duì)比分析天然材料用作混凝土摻合料在巖石化學(xué)成份、礦物組成、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、成因以及工藝性能、摻合效能、火山灰效應(yīng)指數(shù)方面的共同特征,以探討其普遍規(guī)律,用于指導(dǎo)進(jìn)一步研究開(kāi)發(fā)天然巖石礦物為原料的混凝土摻合料,并與粉煤灰等工業(yè)廢料型摻合料在摻合效果、經(jīng)濟(jì)成本方面作出比較分析。

關(guān)鍵詞 摻合料 天然材料 沸石巖 珍珠巖 硅質(zhì)頁(yè)巖

  國(guó)內(nèi)外研究開(kāi)發(fā)用作混凝土摻合料的天然材料有沸石巖[1 ] 、凝灰?guī)r[1 ,2 ] 、硅質(zhì)頁(yè)巖[3 、4 ] 、珍珠巖[5 ] 、硅藻土及火山玻璃[2 ] 等。作者選取應(yīng)用效果較好且具有成因類型代表性的沸石巖、珍珠巖和硅質(zhì)頁(yè)巖三類巖石為研究對(duì)象,對(duì)比分析天然材料用作混凝土摻合料,在巖石化學(xué)成份、礦物組成、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、成因以及工藝性能、摻合效能、火山灰效應(yīng)指數(shù)方面的共同特性,以探討其普遍規(guī)律,用于指導(dǎo)進(jìn)一步研究開(kāi)發(fā)天然巖石礦物為原料的混凝土摻合料。

1  巖石特征

1.1  巖石化學(xué)成份 

     用作混凝土摻合料的沸石巖、珍珠巖和硅質(zhì)頁(yè)巖三類巖石代表之主要化學(xué)成份, 見(jiàn)表1 。上表顯示三類巖石化學(xué)成份,均為富SiO2 或富SiO2 + Al2O3.

表1

1.2  巖石礦物組成、結(jié)構(gòu)狀態(tài) 

     表1 還列出了沸石巖、珍珠巖和硅質(zhì)頁(yè)巖三類巖石的主要礦物組成及結(jié)構(gòu)狀態(tài)。三類巖石的礦物都以架狀硅鋁酸鹽族為主,結(jié)構(gòu)上雖有玻璃質(zhì)、隱晶質(zhì)和結(jié)晶質(zhì)的不同,但晶態(tài)的沸石為具有巨大表面能的特殊多孔結(jié)構(gòu),因而三類巖石都是對(duì)外表現(xiàn)出強(qiáng)烈活性的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

1.3           巖石成因 

     沸石巖的形成過(guò)程為[6 ] :酸性火山巖的玻璃物質(zhì)在堿性介質(zhì)條件下水解而形成斜發(fā)沸石,火山物質(zhì)經(jīng)晶態(tài)化并交換離子后,導(dǎo)致具有極大內(nèi)外表面能的多孔結(jié)構(gòu),屬酸性火山巖蝕變或輕變質(zhì)產(chǎn)物;硅質(zhì)頁(yè)巖可能是與海底酸性火山灰噴發(fā)活動(dòng)有關(guān)的沉積巖[7 ] ;珍珠巖是典型的酸性火山熔巖噴(溢) 出地表急速冷凝而成。綜上所述,這些巖石成因都是以酸性火山物質(zhì)為基礎(chǔ)的,或是直接冷卻成巖,或是經(jīng)沉積成巖作用而成,或是經(jīng)蝕變水解形成的產(chǎn)物。

2  巖石粉末特征

    天然沸石巖、珍珠巖和硅質(zhì)頁(yè)巖經(jīng)機(jī)械破碎磨細(xì)成粉末作摻合料使用,其粉末特征,見(jiàn)表2 。

表2

  與水泥熟料顆粒相似,只有小于325 目的摻合料顆粒,才有較高活性而參與水化反應(yīng)形成C2S2H。對(duì)于起填充作用的顆粒,要求更小的粒徑,才能密實(shí)水泥基復(fù)合材料內(nèi)部的孔隙,從而提高混凝土力學(xué)性能和耐久性。因此,摻合料細(xì)度要求325 目篩余量< 10 %。

3  摻合料對(duì)混凝土性能的影響

    沸石巖、珍珠巖和硅質(zhì)頁(yè)巖摻合料,按不同比例摻入相近配合比的高強(qiáng)混凝土中(表3) ,對(duì)混凝土的主要技術(shù)性能———塌落度和抗壓強(qiáng)度的影響,見(jiàn)表4 。

    從表中可看出三類巖石摻合料對(duì)混凝土性能影響的共同之處: ①摻合料等量替代水泥的混凝土的早期強(qiáng)度,較未含摻合料的基準(zhǔn)混凝土低; ②在所討論的替代范圍內(nèi),摻合料等量替代水泥的混凝土的晚期(28 天及91 天) 強(qiáng)度,高于基準(zhǔn)混凝土,強(qiáng)度增長(zhǎng)率大致為10 %~30 %; ③摻合料以10 %~15 %的摻量對(duì)混凝土增強(qiáng)效果最好。

4  摻合料在混凝土中的火山灰效應(yīng)指數(shù)

4.1  火山灰效應(yīng)量化指標(biāo) 

    混凝土中摻入活性摻合料導(dǎo)致的火山灰效應(yīng),量化分析方法很多。蒲心誠(chéng)認(rèn)為[8 ] :在無(wú)摻合料的混凝土中,其強(qiáng)度來(lái)源完全基于水泥的水化反應(yīng);在摻合活性礦物摻合料的混凝土中,強(qiáng)度由水泥的水化反應(yīng)和火山灰效應(yīng)(主要為二次反應(yīng)) 共同構(gòu)成。據(jù)此,提出了火山灰效應(yīng)的數(shù)值化指標(biāo)———火山灰效應(yīng)強(qiáng)度貢獻(xiàn)率P ( %) : 表示所摻入的摻合料產(chǎn)生的火山灰效應(yīng)對(duì)混凝土強(qiáng)度的貢獻(xiàn)大小。

表3

4.2     三類摻合料的火山灰效應(yīng)強(qiáng)度貢獻(xiàn)率 

    采用上述火山灰效應(yīng)強(qiáng)度貢獻(xiàn)率,來(lái)定量分析對(duì)比三類巖石摻合料在混凝土中對(duì)構(gòu)成強(qiáng)度有效作用的火山灰效應(yīng)大小,其計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4 右二列(計(jì)算方法和過(guò)程,參閱文獻(xiàn)[8 ]) 。從中可知:巖石摻合料火山灰效應(yīng)隨著混凝土養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)而增強(qiáng),這與工業(yè)廢料類摻合料粉煤灰、硅灰、礦渣粉等的結(jié)論一致; 在摻入摻合料的混凝土后期強(qiáng)度構(gòu)成中,約20 %以上是由于巖石摻合料火山灰效應(yīng)導(dǎo)致的,其中個(gè)別高比例者可達(dá)40 %;三類摻合料相同指標(biāo)對(duì)比,增強(qiáng)效果好的首推珍珠巖類。

5  與工業(yè)廢料類摻合料的對(duì)比

5.1  混凝土摻合料類型 

    摻合料可分為二大類:一類是工業(yè)廢料類,如磨細(xì)礦渣、粉煤灰、硅灰等,但可用于高強(qiáng)高性能混凝土的只有硅灰、優(yōu)質(zhì)(一級(jí)和二級(jí)) 粉煤灰以及三級(jí)以上磨細(xì)礦渣;另一類是天然礦物巖石,國(guó)內(nèi)采用沸石粉等,國(guó)外普遍采用火山玻璃、火山凝灰?guī)r、粘土頁(yè)巖、硅藻土等,經(jīng)加工用作高強(qiáng)高性能混凝土的摻合料[2 ] 。

表4

5.2           粉煤灰與沸石摻和性能對(duì)比[9 ]  

    摻入沸石的混凝土的28 天和91 天抗壓強(qiáng)度,均高于無(wú)摻合料的基準(zhǔn)混凝土或摻入一級(jí)粉煤灰的混凝土,見(jiàn)表5 。

表5

5.3           摻合料的市場(chǎng)情況 

    在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上,工業(yè)廢料類摻合料中硅灰價(jià)格高于2000 元/ t ,磨細(xì)礦渣因研磨加工成本高而較少應(yīng)用,供需較大的是一級(jí)、二級(jí)粉煤灰,其售價(jià)分別高于200 元/ t 、120 元/ t ,這類優(yōu)質(zhì)粉煤灰多分布在北方地區(qū);我國(guó)南方沿海地區(qū)常年從東南亞一帶大量進(jìn)口摻合料以滿足土木建筑工程所需,其到岸價(jià)約35 美元/ t ;而用作摻合料的珍珠巖粉售價(jià)約100 元/ t ,沸石粉售價(jià)低于200 元/ t 。

6  結(jié)論

    研究表明:用作混凝土摻合料的天然材料,在巖石化學(xué)成份上均為富SiO2 或富SiO2 + Al2O3 ;礦物以架狀硅鋁酸鹽族為主;結(jié)構(gòu)上有玻璃質(zhì)、隱晶質(zhì)和結(jié)晶質(zhì),但須是對(duì)外表現(xiàn)出強(qiáng)烈活性的結(jié)構(gòu)狀態(tài);巖石成因都是以酸性火山物質(zhì)為基礎(chǔ)的直接成巖或經(jīng)輕微改造的產(chǎn)物; 摻合料加工工藝方面,細(xì)度要求325 目篩余量小于10 %;巖石摻合料對(duì)混凝土性能的影響,表現(xiàn)在早期強(qiáng)度較基準(zhǔn)的低,而晚期(28 天及91 天) 強(qiáng)度高于基準(zhǔn)混凝土,強(qiáng)度增長(zhǎng)率大致為10 %~30 % ,摻合料以10 %~15 %的摻量對(duì)混凝土的增強(qiáng)效應(yīng)最大;摻合料混凝土后期強(qiáng)度構(gòu)成中,約20 %以上是由巖石摻合料火山灰效應(yīng)導(dǎo)致的;三類摻合料對(duì)比反映,珍珠巖類增強(qiáng)效果最突出;與粉煤灰為代表的工業(yè)廢料型摻合料在對(duì)混凝土性能的摻合效果、經(jīng)濟(jì)成本作比較后,天然材料型摻合料具有技術(shù)性能和經(jīng)濟(jì)效益的優(yōu)勢(shì)。

參考文獻(xiàn)

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

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4  陳宗嚴(yán)1 混凝土硅質(zhì)摻合料的效能分析[J ]1 混凝土,1996 (1) : 43~46

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7  曾允孚等主編1 沉積巖石學(xué)[M]1 北京:地質(zhì)出版社,1986

8  閻培渝、姚燕主編1 水泥基復(fù)合材料科學(xué)與技術(shù)[M]1 北京:中國(guó)建材出版社,1999

9  朱清江1 高強(qiáng)高性能混凝土研制及應(yīng)用[M]1 北京:中國(guó)建材工業(yè)出版社,1999

 

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