碱激发凝灰岩石粉-水泥复合胶凝材料性能研究.pdf

612023年5月试验与研究江西建材碱激发凝灰岩石粉-水泥复合胶凝材料性能研究唐智，宋云龙”，姜美玲*1.长沙市财政评审中心，湖南长沙410205;2.山东建筑大学设计集团有限公司，山东济南250013;3.中南大学土木工程学院，湖南长沙410004摘要：文中采用凝灰岩石粉替代部分水泥，向其中掺入不同掺量和种类的碱激发剂（脱硫石膏、NaOH、Na,Si O 3）激发凝灰岩石粉的活性，借助对试件的力学性能测试，比较不同激发剂的效果。此外，利用X射线衍射（XRD）和扫描电镜（SEM）等技术研究试样的成分和微观形貌。结果表明，随着凝灰岩石粉掺量增加，试件强度降低；凝灰岩石粉含量较高时，碱激发剂的掺入能够提高试件抗压强度；凝灰岩石粉含量较低时，碱激发剂的掺入会使试件的抗压强度降低。三种激发剂中，脱硫石膏效果最好，主要表现为对试件反应产物的影响最小，试件的微观结构也最紧密。关键词：凝灰岩石粉；碱激发；力学性能；微观结构中图分类号：TQ172文献标识码：A文章编号：10 0 6-2 8 90（2 0 2 3）0 5-0 0 6 1-0 6Study on Properties of Alkali-Activated Tuff Powder-CementComposite Cementitious MaterialsTang Zhil,Song Yunlong,Jiang Meiling3*1.Changsha Financial Evaluation Center,Changsha,Hunan 410205;2.Shandong Jianzhu University Design Group Co.Ltd.,Jinan,Shandong 250013;3.School of Civil Engineering,Central South University,Changsha,Hunan 410004Abstract:In this paper,tuff powder was used to replace part of cement,and it is proposed to stimulate the activity of tuff powder by addingdifferent amounts and types of alkali activators(desulfurization gypsum,NaOH,Na,SiO,)to it.The mechanical properties of the preparedsamples were tested to investigate the effects of different alkali activators.In addition,X-ray diffraction(XRD)and scanning electronmicroscopy(SEM)were used to study the composition and microscopic morphology of the samples.The results show that as the content oftuff rock powder increased,the strength of the specimen decreased.Also,when the content of tuff powder was high,the addition of alkaliactivator could improve the compressive strength of the specimen,but when the content of tuff rock powder is low,the strength of alkaliactivator Incorporation will reduce the compressive strength of the specimen.Among the three activators,the effect of desulfurized gypsumas activator was the best.This is reflected by that when desulfurized gypsum is used as activator,the influence on the reaction product of thespecimen was the least,and the microstructure of the specimen was also the most compact.Key words:Tuff rock powder;Alkali excitation;Mechanical properties;Microstructure0引言水泥是工程建设中的重要材料，水泥的生产过程往往伴随大量石灰石等材料和燃料能源的消耗，除此之外，还会产生大量有害气体，污染环境，长此以往会加剧温室效应，导致生态环境恶化1-2 。因此，寻找一种能替代水泥的绿色工程材料，具有非常重大的现实意义。凝灰岩是近些年来被发现的矿产资源，它是由火山爆发时抛入空中的火山物质经过大量的物理、化学作用固结形成的一种火山灰碎屑岩，在我国分布广泛3。凝灰岩含有SiO、A 1,0、K0和NazO等主要成分，且具有类似火山灰质材料、粉煤灰等作者简介：唐智（196 5-），男，湖南长沙人，本科，工程师，主要研究方向为工程审计及工程材料。通信作者：姜美玲（2 0 0 1-），女，山东聊城人，本科，硕士在读，主要研究方向为混凝土材料。的化学活性4-8 ,因此凝灰岩有望作为一种辅助性胶凝材料。尽管如此，既有研究表明，凝灰岩粉与粉煤灰相比具有较低的活性，但目前对其活性的激发仍缺少系统研究，在一定程度上限制了其在矿物掺合料方面的推广和应用。例如，尹武晓等9 在水泥中掺入不同量的凝灰岩石粉进行试验，对水泥砂浆的性能进行测试。结果表明，早期凝灰岩石粉不会发生水化反应，但由于降低了水泥在胶凝材料中的比例，可以降低水泥的收缩。除此之外，凝灰岩石粉还能填充材料中一些较大的孔隙，使水泥浆体中孔径50 nm以下的孔比例提高。鉴于此，本文以凝灰岩石粉为主要研究对象，向其中加入不同种类和掺量的碱激发剂（脱硫石膏、NaOH和Na2SiO，），对碱激发条件下凝灰岩石粉一水泥复合胶凝材料的性能进行试验研究，探究碱激发剂对凝灰岩石粉活性的影响规律和最优激发方案，从而推动凝灰岩石粉的应用推广。?62质量化学%1.06标准12实1%指标：2023年5月试验与研究江西建材1试验原料及方案1.1试验原材料（1）水泥：采用甘肃祁连山水泥集团股份有限公司的P042.5普通硅酸盐水泥，性能指标和化学组成如表1、表2 所示。（2）凝灰岩石粉：采用甘肃建投绿色建材产业发展集团有限公司生产的细凝灰岩石粉，粒径分布如图1所示。（3）砂：采用厦门艾思欧标准砂有限公司生产的中国ISO标准砂。（4）激发剂：采用三种激发剂，分别为NaOH、脱硫石膏和Na,SiO3。表1水泥基本性能名称比表面积/(mkgl)初凝时间/min 终凝时间/min安定性SO./%Mg0/%LOI/%CI值348145220合格2.42.01.60.0要求30045600合格3.55.05.00表2水泥化学组成成分Sio2Al,03Fe,03CaoNa20MgOK,0SO分数22.647.353.7859.610.6481.450.8463.0凝灰岩石粉3%/00.010.1110100100010000粒径分布/m图1凝灰岩石粉粒径分布图1.2配合比设计参照GB/T176712021水泥胶砂强度检验方法（ISO法）进行试验配合比设计，水胶比为0.5，胶砂比为1:3，同时设置了三种凝灰岩石粉掺量（8 0%、6 0%和40%）、三种碱激发剂（NaOH、脱硫石膏和Na2SiO，）及三种碱激发剂掺量。配合比设计如表3所示。表3砂浆试件配合比砂浆配合比参数配合比/(kgm）试件编号碱激发剂凝灰岩石粉水胶比胶砂比激发剂种类凝灰岩石粉水泥自来水砂激发剂用量掺量/%掺量/%T80-Ca223609022513507.2T80-Ca4436090225135014.4T60-Ca2脱硫227018022513505.40.51.3T60-Ca4石膏4270180225135010.8T40-Ca2218027022513502.6T40-Ca4418027022513507.2T80-Na05536090225135018T80-Na101036090225135036T60-Na055270180225135013.50.51.3NaOHT60-Na1010270180225135027T40-Na05518027022513509T40-Na1010180270225135018T80-Si6636090225135021.6T80-Si8836090225135028.8T60-Si66270180225135016.20.51.3Na,Si3T60-Si88270180225135021.6T40-Si66180270225135010.8T40-Si88180270225135014.5T8003609022513500T600.51.3027018022513500T4001802702251350063江西建材2023年5月试验与研究1.3试件制备和方法激发剂制备：以Na0H为例，当凝灰岩石粉掺量为8 0%、激发剂掺量为5%时，将18 g的Na0H缓慢加人18 0 ml的蒸馏水中，一边加人一边均匀搅拌，然后用保鲜膜密封放置，防止吸收空气中的水分以及CO2，待其冷却后可使用。Na,SiO溶液的制备除了无需用保鲜膜密封外，其余步骤同理。脱硫石膏由于不溶于水，可直接掺人胶凝材料中搅拌均匀即可。试件制作及脱模养护：将配制好的激发剂溶液、称量好的水、凝灰岩石粉、标准砂和水泥装入JJ-5型水泥胶砂搅拌机中，充分搅拌使其混合均匀后装模。装模时，需要分两层装填，每次装填完成后，都在振动台上振捣密实，最后，在浇筑面覆盖一层保鲜膜，并于2 4h后，进行拆模，放置标准养护室中养护3d和28d，再进行后续测试。1.4测试方法（1）流动度：依据GB/T24192005水泥胶砂流动度测定方法进行测定。（2）力学性能：按照GB/T17671一2 0 2 1水泥胶砂强度检验方法（ISO法）测试试件3d、2 8 d 的抗折和抗压强度。（3）XR D 测试：力学性能测试结束后，将试件压碎，放入电热恒温干燥箱中6 0 烘干，然后捣碎筛出粒径小于0.0 7 5mm的粉末，装入载玻片中压实抹平，放人X射线衍射仪中进行XRD测试。（4）扫描电镜观测：采用型号为ZEISSGeminiSEM500的场发射扫描电子显微镜进行测试。取试件残片置于无水乙醇溶液中密封保存，试验前，将材料用导电胶黏在载物圆台上，然后利用喷金仪在真空中进行喷金处理，喷金后进行试件的微观形貌观测。2试验结果与分析2.1流动度不同凝灰岩粉和碱激发剂掺量下，试件的流动度如图2所示。200111-1118218011176-111u/1160-一111114711401401134113011261120-11-100-T80T80-Ca4T80-Na05T80-Na10T80-Si6（a）8 0%凝灰岩粉200180一176160157144144140140140140一1120一100T60T60-Na05T60-Na05T60-Na10（b）6 0%凝灰岩粉200-180一169uu/316216015813914014013613212011-100T40T40-Ca2T40-Ca4T40-Si6T40-Si8T40-Na05T40-Na10（c）40%凝灰岩粉图2不同凝灰岩粉掺量下浆体的流动度在不加激发剂的情况下，凝灰岩石粉的掺量对流动度影响较小。加人碱激发剂后，流动度随碱激发剂的种类和掺量的改变而发生变化。具体而言，当凝灰岩石粉掺量为8 0%时，水泥胶砂流动度随激发剂掺量的提高而增大；当凝灰岩石粉掺量为40%和6 0%时，碱激发剂的掺入使流动度增加，但继续增加碱激发剂的掺量会使流动度降低。此外，在凝灰岩粉掺量一定的情况下,Na,SiO，溶液作为碱激发剂时，水泥胶砂的流动性较好。2.2抗压和抗折强度试件的抗压和抗折强度如图3、图4所示。303d28d111112511111201一11111111151111111110！1一4.84.95一4.13.43.73.713.411.41.91.72.12.01211.110T80T80-Ca2T80-Ca4T80-Si6T80-Si8T80-Na05T80-Na10（a）8 0%凝灰岩粉?64：2023年5月试验与研究江西建材3013d28d11111251一1111111201111111151！1511110.9110.11019.18.27.98.216.35.95.254.032.70T60T60-Ca4T60-Si6T60-Na05（b）6 0%凝灰岩粉30一一A3d28d26.826.625.412511-112011！117.41-14.614.814.81511112.01110.810.9911017.06.45.65.250T40T40-Ca2T40-Ca4T40-Si6T40-Si8T40-Na05T40-Na10（c）40%凝灰岩粉图3不同凝灰岩粉掺量下试件抗压强度由图3可知，随着凝灰岩粉掺量的降低，试件的抗压强度逐渐提高。当凝灰岩粉含量为8 0%时，碱激发剂的掺人可以在一定程度上提高试件的抗压强度；三种碱激发剂中，2%脱硫石膏、5%NaOH和8%NazSiO，的效果较好，其中8%Na2SiO，的效果最佳。当凝灰岩粉含量为6 0%和40%时，碱激发剂的掺人会导致试件的抗压强度降低，并且随着碱激发剂掺量的增加，抗压强度降低越明显；此外，三种碱激发剂中，NaOH的降低幅度最大，Na2SiO，其次，脱硫石膏的降低幅度最低。6一3d28d111111154.84.9一1111111！11411111！3111111！11112.1211.72.01一11.3一1.111.211.11110.9一0.70.6一1-0.4一0.30T80T80-Ca4T80-Si6T80-Si8（a）8 0%凝灰岩粉6113d2801151111114.14113.73.1113/1312.82.02.121.91.77.750T60T60-Ca2T60-Ca4T60-Si6T60-Si8T60-Na05T60-Na10(b）6 0%凝灰岩粉6113d28d5.415.35.25！11-14.3143.93.4111132.81.8-22.62.1.7112.021.71.310.80T40T40-Ca4T40-Si6T40-Si8T40-Na05T40-Na10（c）40%凝灰岩粉图4不同凝灰岩粉掺量下试件抗折强度由图4可知，无碱激发剂和掺人脱硫石膏激发剂的试件，其抗折强度会随着凝灰岩粉掺量的降低而提高，但掺入NaOH和Na2SiO3激发剂的试件会呈现出相反的规律，即抗折强度会随着凝灰岩粉掺量的增加而提高。此外，当凝灰岩粉含量为80%和6 0%时，碱激发剂的掺人都能提高试件的抗折强度，其中NazSiO，的提升效果最佳。而当凝灰岩粉含量为40%时，脱硫石膏的掺人能提高试件的抗折强度，但NazSiO,和NaOH的掺人会导致试件的抗压强度降低。2.3XRD分析图5为不同凝灰岩粉掺量下龄期为2 8 d的样品XRD谱图。根据衍射峰的强度分析，主要的晶体包括石英（SiO2）、钠长石（Na（A ISi g O：）、Ca（O H）2 和CaCO3。当凝灰岩粉掺量较大时（8 0%凝灰岩粉），Ca（O H）2 的衍射峰强度最低，随着凝灰岩粉掺量的降低，Ca（O H）2 的衍射峰强度逐渐增加，这主要是由于加入过量的凝灰岩粉会因稀释作用导致水化程度降低，同时由于浆体水泥总量减少，也会使水化生成的Ca（O H）2 生成量降低10 。此外，通过对比掺人不同激发剂浆体的XRD谱图可发现，当NaOH和Na,SiO，作激发剂时，试件中Ca（O H）2、SiO,和CaCO，等成分含量均会受到较大影响，Ca（O H）2 的含量随着凝灰岩石粉掺量的增加而降低。而当脱硫石膏用作激发剂时，试件中的Ca（O H）2、Si O，等成分不会产生太大的变化。.65.（c）40%凝灰岩粉20/060705040302010T40T40-Ca2T40-Ca4T40-Na05T40-Na10T40-Si6T40-Si8231-SiO22-Na(AISi,Og)3-CaCO3 4-Ca(OH)2（D）0 U 7 0 灰石初试验与研究江西建材2023年5月1-SiO,2-Na(AISi,O,)3-CaCO31T80-Si8T80-Si6T80-Na10T80-Na05T80-Ca4T80-Ca2T801020304050607020/（a）8 0%凝灰岩粉1-SiO,2-Na(AISi,O,)3-CaCO,4-Ca(OH)21411234T60-Si8T60-Si6T60-Na10T60-Na05T60-Ca4T60-Ca2T601020304050607020/山图5不同凝灰岩粉含量下样品的XRD图（2 8 d）2.4扫描电镜测试结果分析本文选取了力学性能较好的三组试件（T40-Ca2、T 40-Si6和T60-Ca2）进行扫描电镜测试，测试结果图6 所示。EHT50OAVWD-74mmNag10.00KXSignelA-SE2(a)T40-Ca2(3d)EHT-5.00KVWD-Z7mmNiag=.10.00KxSigaA-SE2(b)T40-Ca2（2 8 d)EHT45001VWo-8.4mmMag-10.00K,XSigrelASE2c)T40-Si6（3 d)EHT500AVWo.46.8mmMag1000KXSigo!A-SE2(d)T40-Si6(28d):66上接第6 0 页2023年5月试验与研究江西建材EHT=5004VWO.a66mmMag10.00K2SignetA=SH2(e)T60-Ca2(3d)EHT5.00KVWD=7.4emMag=10:00KX:SignalASE2(f)T60-Ca2(28d)图6试件的SEM形貌图由图6 可知，试件内产生的C-S-H凝胶逐步发育完好，主要表现为纤维状，并存在少量颗粒状和蜂窝状凝胶，同时试件内存在许多条状水化硅酸钙晶体及少量针状水化硫铝酸钙。此外可以观察到，2 8 d龄期试件比3d龄期试件的结构更加紧密，因此随着龄期的增加，试件的强度提高。由图6（a-c）可知，当激发剂为2%脱硫石膏时，试件微结构相较于6%Na2Si03作为激发剂时更加致密，因此试件的强度也越高（如图3和图4所示）。此外，由图6（a-b）和图6（e-f）比较可知，当脱硫石膏掺量为2%时，随着凝灰岩石粉掺量的增加，Ca（O H）2、水化硫铝酸钙等产物减少，试件中的小颗粒增多，整体结构更加松散，因此，强度更低（如图3和图4所示）。3结论与骨料粒径呈负相关。在本文测试条件下，粉煤灰混凝土的力学性能受到粉煤灰来源、粒径大小、水灰比等多种因素的影响，后续将开展粉煤灰混凝土力学性能更多影响因素的分析，为高性能粉煤灰混凝土的研究提供一定的参考。参考文献【1中国物质再生学会.中国再生资源回收行业发展报告【J.资源再生，2 0 18（6）：42-51.（1）不掺任何激发剂的情况下，试样的流动度随着凝灰岩石粉掺量的增加变化不大。掺人碱激发剂后，Na2SiO3会增加试样的流动度，而NaOH和脱硫石膏的影响较小。（2）随着凝灰岩石粉掺量的增加，试件抗压强度降低。凝灰岩石粉含量较高时，碱激发剂的掺人能够提高试件的抗压强度；但凝灰岩石粉较低时，碱激发剂的掺人会使试件的抗压强度降低。（3）当凝灰岩粉含量为8 0%和6 0%时，碱激发剂的掺人都能提高试件的抗折强度，其中Na2SiO3的提升效果最佳。而当凝灰岩粉含量为40%时，只有脱硫石膏的掺入能提高试件的抗折强度。（4）根据XRD谱图可知，脱硫石膏对试件的组成影响最小，并且从SEM图可知，脱硫石膏作激发剂时，结构相对更为致密，从而使材料具有较好的力学性能。参考文献【1】席鸿定.水泥行业污染控制及低碳环保发展分析J】.资源节约与环保，2 0 2 3（2）：12 4-12 7.2 罗雷，郭旸旸，李寅明，等.碳中和下水泥行业低碳发展技术路径及预测研究J.环境科学研究，2 0 2 2，35（6）：152 7-1537.3汪良，李杨，陈亮，等。凝灰岩粉掺和料的助磨剂类型和掺量优选研究J】.水力发电，2 0 2 3，49（2）：10 5-111，117.4张恒春，季锡贤，唐方宇，等.凝灰岩石粉作为混凝土掺合料可行性试验研究J】.施工技术，2 0 17（S1）：2 8 2-2 8 5.【5于本田，刘晓林，王彦鹏，等.凝灰岩石粉对水泥基材料性能影响的研究进展J/OL.硅酸盐学报，2 0 2 3（8）：1-8.6 汤炀，李昂，乐科迪，等宁波地区凝灰岩机制砂石粉的活性激发研究J.宁波工程学院学报，2 0 18，30（2）：34-38.7】李响，李正平，胡贤，等。水泥凝灰岩粉煤灰复合胶凝材料硬化浆体微观结构特征【J.长江科学院院报，2 0 18，35（5）：115-119.【8 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