天然火山灰质凝灰岩掺合料物化性能及火山灰活性特征研究_蒋理.pdf

新型建筑材料202302西部地区是我国重要的水电能源基地，但水电工程建设普遍面临掺合料短缺问题1。掺合料外购不仅增加了工程投资，长距离运输也难以保障施工进度。因此，开发当地储量丰富的天然火山灰质材料作为混凝土掺合料具有广阔前景。青藏高原地区火山灰资源丰富，常见的天然火山灰质材料主要有凝灰岩、浮石、沸石和硅藻土等2，其中凝灰岩火山灰活性引起广泛关注，不少学者围绕凝灰岩的水化促凝机理、凝灰岩与粉煤灰的配伍效应、掺凝灰岩混凝土的多尺度性能开展了大量研究3-6，但研究结论稍有差异。李响等7认为，凝灰岩和粉煤灰对混凝土绝热温升、自生体积变形的影响规律相近。Peng 等8指出，凝灰岩较粉煤灰更有利于提高混凝土抗裂能力和体积稳定性。但 Zhang 等4发现，凝灰岩需水量高于粉煤灰，并且不利于改善混凝土工作性。由此可见，凝灰岩作为掺合料规模化应用，还需要进一步丰富研究成果。目前，胶材体系的多元化、复合化已成为混凝土性能提升与调控的重要途径，而掌握掺合料的物化性能与活性特征是基金项目：国家自然科学基金项目（U2040222）；中央级公益性科研院所基本科研业务费（CKSF2021456/CL）；水利部示范项目（SF-2021-02）收稿日期：2022-05-25作者简介：蒋理，男，1980 年生，硕士，高级工程师，E-mail：。通讯作者：李杨，博士，工程师，E-mail：。天然火山灰质凝灰岩掺合料物化性能及火山灰活性特征研究蒋理1，李杨2，李家正2，林育强2（1.华电西藏能源有限公司大古水电分公司，四川 成都856200；2.长江水利委员会长江科学院 材料与结构研究所，湖北 武汉430010）摘要：天然火山灰质凝灰岩可用作混凝土掺合料。借助偏光显微镜技术、XRF、XRD 和 SEM 等手段，研究了凝灰岩的矿物组成、化学成分和颗粒形貌；采用活性指数、强度增长率和抗压强度比等指标，分析了凝灰岩掺量、养护龄期和水泥类型对砂浆抗压强度的影响。结果表明：凝灰岩含有大量的低温型硅铝质材料，矿物组成和玻璃质含量对火山灰活性有较大影响，其活性指数在 28 d龄期前有增长，56 d 龄期后变化较小，并且使用中热硅酸盐水泥测得的凝灰岩活性指数低于普通硅酸盐水泥。凝灰岩对砂浆后期强度的提高能力不足，建议复配其它掺合料共同使用。关键词：凝灰岩；掺合料；火山灰活性；中热硅酸盐水泥中图分类号：TU521.2+1文献标识码：A文章编号：1001-702X（2023）02-0086-05Investigation of physical and chemical properties of tuff powder and its pozzolanic activity characteristicsJIANG Li1，LI Yang2，LI Jiazheng2，LIN Yuqiang2（1.Huadian Tibet Hydropower Development Co.Ltd.，Chengdu 856200，China；2.Yangtze River Scientific Research Institute，Material and Structure Research Department，Wuhan 430010，China）Abstract：Natural pozzolanic tuff can be used as concrete.In this paper，mineral phase composition，chemical components andparticle morphology of tuff powder are examined by petrographic identification，XRF，XRD and SEM.Moreover，the effects of tuffpowder content，curing age and cement type on compressive strength of mortars are analyzed，employing activity index，strengthgrowth rate and compressive strength ratio.Experimental results reveal that tuff powder contains a great amount of low-temperaturesilico-alumina materials，and the mineral composition and glass content possess a great influence on its pozzolanic activity.Activityindex of tuff powder obtained by moderate heat Portland（P MH）cement is a slightly lower than that of ordinary Portland（P O）cement.Whats more，tuff powder have limited ability to enhance long-term strength of mortar，and the content should be reducedand other mineral admixture should be combined when tuff powder is employed to substitute P MH cement.Key words：tuff powder，mineral admixture，pozzolanic activity，moderate heat portland cement中国科技核心期刊86NEW BUILDING MATERIALSNEW BUILDING MATERIALS（2）凝灰岩：产自西藏地区。凝灰岩块石经开采、破碎和筛选后，借助实验室小型骨料生产系统和球磨机进行加工。控制球磨机料球比为 11.8，转速为 120 r/min，球磨时间为 120 min，6 种凝灰岩的物理性能如表 3 所示。表 3凝灰岩样品的物理性能注：45 m 筛筛余。由表 3 可知，各凝灰岩样品的密度相差不大，在 2.62.8g/cm3内；但需水量比普遍在 106%109%，说明凝灰岩不具有减水能力，掺入后将增大混凝土的用水量9。（3）砂：厦门艾思欧公司产 ISO 标准砂。1.2试验方法使用德国 Leica 公司生产的 DM4500P 型偏光显微镜对各样品的母岩岩性进行鉴定，并利用 Advance D8 型 X 射线衍射仪对凝灰岩矿物组成进行分析，控制管电流为 30 mA，扫描速度为 2/min，步长为 0.01。同时，借助 AXS S4 Pioneer型 X 射线荧光光谱仪对凝灰岩主要氧化物含量进行测试，并使用美国 FEI 公司生产的 SRION TMP 型扫描电子显微镜（FE-SEM）对样品的颗粒形貌进行观察，控制电压为 20 kV。采用活性指数表征凝灰岩的火山灰活性。砂浆水胶比为0.5、胶砂比为 13、凝灰岩等质量取代 30%水泥，砂浆抗压强度试件尺寸为 40 mm40 mm160 mm。试件在标准环境下成型，带模养护 24 h 后拆模并移入养护室，分别养护至 7、14、28、56、90 d 龄期后进行抗压强度测试，计算不同龄期凝灰岩的活性指数。砂浆试验控制砂浆的水胶比为 0.5，胶砂比为 13，凝灰岩使用内掺法等质量取代水泥，掺量分别为 10%、20%、30%和40%。采用字母和数字的形式进行编号，如T1M10 表示凝灰岩样品编号为 T1，掺量为 10%，未掺凝灰岩对比组用 CM00表示。2结果与讨论2.1凝灰岩的物化性能试验选择 T1、T3 和 T6 样品进行岩相鉴定，凝灰岩矿物组成的岩相法分析结果如表 4 所示，XRD 图谱如图 1所示。前提。本文借助岩相分析、X 射线荧光分析（XRF）、X 射线衍射分析（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）等手段，研究了凝灰岩的矿物组成、化学成分和微观形貌，分析了掺量和龄期对凝灰岩活性的影响，并对凝灰岩掺合料的应用提出建议。1试验1.1原材料（1）水泥：山南市华新水泥有限公司产 P O42.5 普通硅酸盐水泥和 P MH 42.5 中热硅酸盐水泥，水泥的主要化学成分如表 1 所示，物理力学性能如表 2 所示。表 1水泥的主要化学成分%标准稠度需水量/%凝结时间/min抗折强度/MPa抗压强度/MPa初凝3 d3 d28 d终凝28 d261422415.59.828.950.1241552564.59.518.549.3细度（80 m筛筛余）/%0.40.9项目P OP MH密度/（g/cm3）3.023.22比表面积/（m2/kg）336305安定性合格合格项目CaOSiO2Al2O3Fe2O3MgOSO3R2OCl-LOIP O55.22 23.736.063.740.863.100.830.053.26P MH 60.35 22.194.474.823.211.700.390.040.73编号密度/（g/cm3）细度/%比表面积/（m2/kg）需水量比/%烧失量/%安定性火山灰活性T12.7517.36611064.7合格合格T22.6719.56421083.9合格合格T32.6918.36601063.7合格合格T42.7317.16701093.9合格合格T52.6616.36531094.2合格合格T62.7114.16721083.3合格合格编号矿物组成岩性描述岩石定名T1变余火山角砾（中性熔岩屑）5%，火山尘（已变）22%，中性熔岩屑33%，长石晶屑40%凝灰、火山角砾、绢云母、蚀变安山粗面岩屑（斜长石、钾长石），基质有已脱玻化玻璃质灰绿色蚀变晶屑凝灰岩T3变余火山碎屑78%，变质填隙物 22%火山碎屑、绢云母、斜长石、钾长石、火山尘、铁质沉淀、绿泥石、已脱玻化玻璃质灰绿色蚀变晶屑凝灰岩T6粉砂45%，泥质物体50%，碳质、粉尘状磁铁矿 5%粉砂主要成分为石英、碎石、白云母和磁铁矿。泥质物体含有黑云母、绢云母、绿泥石浅变质黑色粉砂质泥岩表 4凝灰岩矿物组成的岩相法分析结果表 2水泥的物理力学性能蒋理，等：天然火山灰质凝灰岩掺合料物化性能及火山灰活性特征研究87新型建筑材料202302从表 4 可以看出，各凝灰岩样品矿物主要由石英、云母、钾长石、磁铁矿、绿泥石、火山灰碎屑和玻璃质等矿物组成，符合火山灰材料的典型特点。木士春等10-11指出，凝灰岩主要由岩屑、晶屑、玻屑、角砾和火山灰组成，并含有少量或微量的石英、云母、长石和黏土等，同时还可伴生有沸石、蒙脱石、伊利石和高岭石等蚀变矿物。这与本次岩相鉴定的结果一致。图 1凝灰岩的 XRD 图谱由图 1 可知，凝灰岩的主要出峰相为石英、斜硅钙石、黑云母、绿泥石和氢氧钙石，这与岩相法的分析结果一致。同时，XRD 图谱中未见明显的馒头峰、弥散峰等形式的信号峰出现，表明非结晶相、无定型相或玻璃体的含量极少，这可能与长期风化作用导致玻璃质已经脱玻化有关。实际上，石英和云母是化学性质比较稳定的矿物12，在水泥基材料中参与二次水化的能力较差，这可能对凝灰岩的火山灰活性造成影响。T1T6 凝灰岩的主要化学成分如表 5 所示。表 5凝灰岩的主要化学成分%由表 5 可知，凝灰岩中含有 SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、SO3等成分，各试验组中 SiO2的含量均超过 60%，而 SiO2、Al2O3和 Fe2O3总含量均超过 70%，T5 样品三者总含量最高，为 90.20%，而 T1 样品三者总含量最低，为 77.58%。同时，凝灰岩的碱含量较高，为 3.04%4.52%，T6 样品的碱含量最高，达 4.52%，远高于水泥和粉煤灰6。但目前缺少关于凝灰岩中碱溶出性能的研究，而凝灰岩碱含量对混凝土性能的影响也鲜有报道。因此，在