關于混凝土中摻和料活性的推斷探討

王烜

蘭州瑞原混凝土有限公司 甘肅 蘭州 730050

前言

水泥加水攪拌后成漿體，能在空氣中硬化或者在水中更好的硬化，并能把砂、石等材料牢固地膠結在一起。這是純水泥發生的化學反應，但工程上還經常在水泥里摻加工業廢料——粉煤灰和礦渣粉作為摻和料，作用是什么呢？

1 摻和料的作用

我們常用的摻和料是粉煤灰和礦渣粉。

粉煤灰，是從煤燃燒后的煙氣中收捕下來的細灰，粉煤灰是燃煤電廠排出的主要固體廢物。粉煤灰外觀類似水泥，顏色在乳白色到灰黑色之間變化。粉煤灰的顏色是一項重要的質量指標，可以反映含碳量的多少和差異。在一定程度上也可以反映粉煤灰的細度，顏色越深粉煤灰粒度越細，含碳量越高。我國火電廠粉煤灰的主要氧化物組成為：SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO、TiO2、MgO、K2O、Na2O、SO3、MnO2等，此外還有P2O5等。其中氧化硅、氧化鈦來自黏土、巖頁；氧化鐵主要來自黃鐵礦；氧化鎂和氧化鈣來自與其相應的碳酸鹽和硫酸鹽。

礦渣，是高爐煉鐵產生的水渣，礦渣粉是高爐水渣通過細磨后，達到相當細度且符合相當活性指數的粉體[1]。作為摻和料的粉煤灰和礦渣粉，其主要作用是火山灰效應、形態效應、微集料效應、界面效應。火山灰效應也就是二次水化反應，也就是摻和料中的SiO2、Al2O3等潛在活性物質與堿性物質或石膏反應生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣是具有水硬性的產物：

可以看出，發揮火山灰作用的是活性二氧化硅和活性三氧化二鋁，而且需要氫氧化鈣和水分作用才能反應。二氧化硅和三氧化二鋁是都是穩定的晶體材料，而晶體材料化學性質是很穩定的，比如鵝卵石就是二氧化硅為主的材料，被認為是自然界著最穩定的材料之一，怎么又有活性了呢？

2 摻和料為什么會有活性？-由鋼材冷卻工藝受到的啟發

在現實生產過程中，鋼件本身的性能往往無法達到預期的要求。在一定范圍內，鋼水在冷卻過程中工件內部顯微組織會發生相變。冷卻速度大小的控制對顯微組織的定向改變起著至關重要的作用。合理的控制冷卻速度能得到所希望的組織，達到性能的要求[2]。冷卻速度越大，相變所發生開始和結束的溫度下降越明顯，組織中鐵素體的含量也就越少，晶粒會明顯細化，強度和韌性方面有所改善。

實際生產中，同一鑄件上，由于位置不同，冷卻速度不同，鑄鐵的組織結構也不同壁厚處→冷速慢→ F基體的灰口鐵→壁薄處→ 冷速快→ P基體的白口鐵冷卻是不是一個切入點呢？

粉煤灰在爐膛的燃燒尾氣中處于熔融懸浮狀態，大概1500度左右，瞬間排入大氣中，急速冷卻。礦渣在鋼鐵冶煉中也處于熔融狀態，浮在鐵水表面，定期排出時受到冷卻水沖擊，形成顆粒狀。都是經過了一個激冷過程，是不是這個過程賦予了摻和料活性呢？

圖1 鐵碳合金雙重相圖

3 玻璃的啟示

一次偶然的機會，我可能發現了：玻璃！對!就是玻璃。

玻璃的生產工藝也是二氧化硅等熔融后快速冷卻，形成了我們常見的玻璃——要不快速冷卻就會形成析晶，形成穩定晶體就不再透明了。玻璃的生產，需要快速冷卻，而玻璃的主要成分，也是二氧化硅，與粉煤灰和礦粉的成分相似，也經歷了相似的急速冷卻過程！對玻璃的研究現在開展的比較多，這應該是我們揭開謎團的線索。

圖2 玻璃成型過程

1150℃左右的玻璃液熔體，通過熔窯與錫槽相連接的流道、流槽，流入熔融的錫液面上，在自身重力、表面張力以及拉引力的作用下，玻璃液攤開成為玻璃帶，在錫槽中完成拋光與拉薄，在錫槽末端的玻璃帶已冷卻到600℃左右，輥道的拉引把即將硬化的玻璃帶引出錫槽，通過過渡輥臺進入退火窯。熔體狀態溫度最高，空間粒子間的網格結構混亂，在快速冷卻時，難以迅速歸位，保留了原來的無序狀和高能態結構，而緩慢冷卻過程中，相關的粒子逐步穩定歸位，形成晶體，結構穩定，內能最低。粉煤灰在熔融狀態下排入大氣，相當于最上“氣相冷凝獲得的無定形物質”，位能處于最高，理想晶體處于最低能態，也最穩定[3]。

4 不同結構的二氧化硅能態

無定型二氧化硅的活性分析玻璃和粉煤灰、礦粉中的二氧化硅都屬于無定型二氧化硅，或是非晶態，因為快速冷卻使得二氧化硅沒有足夠的時間進行結晶。可以看出，熔融的二氧化硅不同的冷卻速度，形成不同的結構。

5 結束語

青磚、紅磚和瓦片是用黏土在600～900℃的溫度下燒制而成的。黏土的主要礦物成分高嶺土（Al2O3·2SiO2·2H2O）經過800℃左右煅燒后，分解為無水偏高嶺土（Al2O3·2SiO2），甚至部分分解為氧化鋁（Al2O3）和無定形的二氧化硅（SiO2），因而增加了黏土礦物的活性。把這種煅燒后具有活性的黏土作混合材，在水泥水化時析出的Ca(OH)2就會同活性的Al2O3和SiO2分別生成水化硅鋁酸鈣（3CaO·Al2O3·2SiO2·aq）和水化硅酸鈣

（CaO·SiO2·aq）及水化鋁酸鈣（mCaO·Al2O3·aq），從而產生一定的強度。正因為這樣，在火山灰質混合材料中，青磚、紅磚、瓦片均屬于燒黏土一類的人工火山灰質混合材，只要青磚、紅磚、瓦片等燒粘土質材料符合水泥生產中作為火山灰質混合材的技術條件，就可應用于水泥生產中。但對于煅燒溫度低于600℃燒出的嫩火磚和超過900℃燒出的老火磚由于其化學活性很低，故不宜作活性混合材料使用。

參考文獻

[1] 宋俊紅.廢玻璃處理以及資源化[J].黑龍江環境通報,2010,34(4):68-70.

[2] 徐美君.國際國內廢玻璃的回收和利用[J].建材發展導向,2007,(3):55-59.

[3] 李湘洲.發達國家廢玻璃回收利用借鑒與經驗[J].再生資源與循環經濟,2012,5(5):41-44.