凝灰巖石粉的微觀結構及其對混凝土力學性能的影響分析

何樹杰 （池州市建筑管理處，安徽 池州 247100）

0 引言

工業電爐在高溫熔煉工業硅及硅鐵的過程中，逸出的煙塵經冷凝沉淀制備出硅灰。硅灰的化學成分以硅為主（SiO2含量可高達90%），顆粒細微（可達納米級），礦物組成成分以玻璃質為主。因此硅灰顯示出火山灰活性，可顯著提高混凝土及砂漿的力學性能和耐久性。喬建剛等[1]研究了硅灰對混凝土界面的影響，他指出“硅灰微粒”在混凝土中起到了“微集料”的作用，有效降低了混凝土中的有害孔數量，從而改善了水泥漿體與集料界面的“黏結性能”，提高了混凝土的抗壓強度及劈拉強度；周超等[2]指出相較于硅灰一元體系粉煤灰與硅灰二元復合體系改善了混凝土的工作性能，是因為硅灰具有較大的比表面積，增大了水泥漿體的需水量和粘聚性；孔亮[3]采用硅灰與花崗巖石粉復摻，他認為硅灰的火山灰效應和花崗巖石粉的晶核效應相互補充、相互結合，顯著提高了復合混凝土的力學性能和耐久性能。除了在混凝土中的應用，硅灰還具有耐腐蝕、穩定性高等特點，廣泛應用于涂料油漆、冶金等行業之中。而凝灰巖作為一種火山碎屑巖，形成于火山噴發過程中，火山灰經“冷凝-沉積-成巖”過程形成。凝灰巖也具有較高的硅含量（SiO2含量約為65%）[4]，礦物成分以隱晶質玻璃體為主。此外，凝灰巖在安徽省分布廣泛，主要產出于霍山、廬江、休寧、馬鞍山一帶，可作為替代硅灰的理想材料。因此，為探討凝灰巖的火山灰活性并進一步探究其替代硅灰的可行性，本文選取皖南地區某凝灰巖，通過凝灰巖石粉對混凝土強度及微觀結構的影響，進一步研究改性凝灰巖石粉的“火山灰活性”。

1 原材料

本文水泥采用某公司生產的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥。減水劑選用高性能減水劑。凝灰巖石粉由產自皖南的凝灰巖，粉磨至200 目。為了進一步提高凝灰巖石粉的活性，增強“火山灰效應”，本文采用加熱-淬冷的方式提高凝灰巖石粉中玻璃質礦物（即隱晶質玻璃體）的含量，玻璃體中不穩定的礦物相與水泥發生水化反應，填充混凝土中微細孔，改善混凝土的孔結構、具體的改性方法為將凝灰巖石粉在950℃下灼燒8h，將高溫凝灰巖石粉通過風機淬冷，獲得改性凝灰巖石粉。本文選用凝灰巖石粉的激光粒度體積分布曲線如圖1 所示，凝灰巖石粉比表面積為358m2/kg，粒徑范圍主要集中在5～75μm，其中20～75μm 顆粒占比可達40%。硅灰的激光粒度體積分布曲線如圖2 所示，比表面積為417m2/kg，粒徑范圍主要集中在5～75μm 之間，其中20～75μm 顆粒占比可達45%。為了對比凝灰巖石粉、改性凝灰巖石粉與不同工業廢渣之間的活性關系，本文選取粉煤灰、礦粉進行強度試驗，并與凝灰巖石粉、改性凝灰巖石粉的活性指數進行對比。試驗所用工業廢渣主要化學成分如表1所示。

圖1 凝灰巖石粉激光粒度體積分布曲線

圖2 硅灰激光粒度體積分布曲線

表1 試驗所用凝灰巖石粉及工業廢渣的主要化學成分（單位：wt%）

2 試驗方案

經文獻調研可知，硅灰、粉煤灰、礦粉等礦物摻合料具有一定的活性和相對穩定的化學組成成分，對混凝土強度的影響均表現出隨著摻合料摻量先增加后降低的特征，其中粉煤灰摻量為20%時抗壓強度提升效果最顯著，硅灰的摻量為6%～8%時各齡期抗壓強度均大于基準水泥[2,4,5]。而工業副產石粉（機制砂石粉）在混凝土中則呈惰性，當石粉含量超過一定的含量時，在水泥基材料中表現出一定的稀釋作用[6]，因此在《建設用砂》（GB/T 14684-2022）中，嚴格限定了機制砂中石粉的含量（當機制砂的MB 值小等于0.5 時，機制砂中石粉含量應≤15%；當機制砂中的MB 值大于0.5且小于等于1.0 時，機制砂中的石粉含量應≤10%）。

因此，本文為了更好地對不同摻合料的活性進行對比，采用固定摻量（15%）的方法，探究凝灰巖石粉、改性凝灰巖石粉、硅灰、粉煤灰、礦粉對混凝土強度的影響，本文所采用的混凝土配合比如表2 所示，其中水灰比為0.39、水泥用量為446kg/m3、砂用量為695kg/m3、石的用量為1047kg/m3、高性能減水劑的用量為11.152kg/m3。

表2 試驗混凝土配比材料用量（單位：kg/m3）

3 試驗結果及討論

混凝土標準養護28d，所測混凝土7d、28d的強度如表3所示。

表3 試驗混凝土力學性能（單位：MPa）

如表3 所示，混凝土在養護至7d、28d 時，摻入15%硅灰的混凝土試件抗壓強度均最高，分別為基準混凝土抗壓強度的102%和104%。而凝灰巖石粉的抗壓強度最低，7d、28d 抗壓強度均為基準試件的85%。而經高溫加熱、淬冷后制備的改性凝灰巖石粉混凝土，抗壓強度略有提升，7d、28d 抗壓強度分別為基準混凝土試件的89%、91%。粉煤灰7d、28d 抗壓強度分別為基準混凝土試件的76%、79%，礦粉7d、28d 抗壓強度分別為基準混凝土試件的98%、100%。

分別將養護至7d、28d 的混凝土試件，剖開破碎、去除表面雜物，浸泡于無水乙醇中終止水化3 天后，取出試塊放入40℃烘箱中烘干，用于SEM 微觀圖像的采集。如圖3 所示，凝灰巖石粉混凝土養護至7d 時，水泥石中仍有大量凝灰巖石粉未參與水化反應，只起到物理填充作用，表現為較為疏松的微觀形貌。而通過改性的凝灰巖石粉混凝土養護至28d 時，部分改性凝灰巖石粉開始參與水化反應，生成大量的C-S-H（硅酸鈣）凝膠水化產物（圖4），改善了改性凝灰巖石粉與水泥石熟料間的微觀界面粘結，從而提高了含改性凝灰巖石粉混凝土的強度。

圖3 凝灰巖石粉混凝土7d水化產物形貌

圖4 改性凝灰巖石粉混凝土28d水化產物形貌

硅灰的激光粒度體積分布曲線結果顯示（圖2），硅灰的粒徑相較于凝灰巖石粉更加微小，20～75μm 的顆粒占比達到45%，比表面積為417m2/kg。因此硅灰一方面在混凝土中起到了“微集料”的作用，填充微孔隙、降低混凝土中的有害孔，從而改善了水泥漿體與集料界面的“黏結性能”，顯著提高了混凝土7d 和28d 的抗壓強度；另一方面硅灰的主要化學成分為SiO2，可與水泥水化產生的Ca(OH)2進一步反應，生成水化C-S-H（硅酸鈣）等凝膠，對混凝土強度有一定的增強作用[7]。

凝灰巖主要礦物成分為隱晶質玻璃、長石、石英和少量絹云母。凝灰巖石粉的激光粒度體積分布曲線顯示，凝灰巖石粉的比表面積為358m2/kg，相較于更加微小的硅灰顆粒，凝灰巖石粉在水泥基材料中晶核效應顯著降低。而經過高溫灼燒和風機淬冷后的凝灰巖石粉，提升了改性凝灰巖石粉中玻璃相和無定型微晶相的含量，凝灰巖石粉的主要化學成分SiO2和Al2O3與水泥水化產生的Ca(OH)2進一步反應，生成C-S-H（硅酸鈣）或C-S-A-H（鋁硅酸鈣）等凝膠。因此，改性后的凝灰巖石粉強度顯著提高，可作為硅灰的替代產品應用于混凝土中，但其在混凝土中的微集料填充作用和潛在活性仍低于硅灰在混凝土中的表現。

4 結論

凝灰巖石粉的主要化學成分為SiO2和Al2O3，主要包括隱晶質玻璃、長石、石英等礦物成分，區別于其他惰性機制砂石粉（如石灰巖石粉、花崗巖石粉等）表現出一定的火山灰活性。通過高溫灼燒、風機淬冷的方法可提高凝灰巖石粉中玻璃相和無定型微晶相的含量，玻璃相和無定型微晶相與水泥基材料中的水化產物（Ca(OH)2）進一步反應生成了CS-H（硅酸鈣）或C-S-A-H（鋁硅酸鈣）等凝膠，填充了混凝土中的微孔隙，從而提升了凝灰巖石粉的火山灰活性，進一步改善了凝灰巖石粉混凝土的強度及工作性。