火山渣的活性研究

董刚，任雪红，张文生，叶家元

（1.中国建筑材料科学研究总院有限公司水泥科学与新型建筑材料研究院，北京 100024；2.绿色建筑材料国家重点实验室，北京 100024）

0 引言

火山渣是在火山爆发时出的岩浆由于气体作用发生膨胀后形成的玻璃质火成多孔岩石，一般为黑色、深灰色、红色和棕色等，自然状态以粗粒状堆积在火山口周围。火山渣在我国分布广泛，主要产地为内蒙古、云南、黑龙江、吉林、辽宁等地区，且储量丰富。火山渣的粒径一般在20～40 mm，其状类似普通炉渣，干密度约为600～800 kg/m3，是一种良好的轻质建筑材料。近年来不少学者开展了火山渣在水泥混凝土及墙体材料中的研究工作[1-9]。由于火山渣具有密度较小、孔隙率高、导热系数小等特性，可以作为优质轻骨料在混凝土及墙体材料中得到了应用。张磊蕾等[1-3]开展了利用火山渣发泡混凝土制备复合自保温砌块的研究，成功制备出A09级、A10级火山渣发泡混凝土及500级、600级、700级和800级复合自保温砌块。黎蔚诗等[4]研究了天然火山渣轻骨料混凝土骨料体系对混凝土性能的影响，结果表明，当火山渣粗骨料与火山砂细骨料体积比为7∶6时，火山渣轻骨料混凝土具有最佳工作性能与力学性能。肖力光等[5]研究了火山渣全轻混凝土的性能及其改性方法，结果表明，玄武岩纤维、粉煤灰、引气剂可减小火山渣全轻混凝土的分层和泌水，改善其工作性能。在火山渣对水泥混凝土性能的影响方面，张立霞等[6]研究了火山渣对混凝土力学性能的影响，结果表明，火山渣的掺量越大，混凝土的力学越差，火山渣混凝土的保温性能随着火山渣掺量的增加而提高。笔者对火山渣的火山灰反应效益以及火山渣对水泥放热的影响进行了研究[7-9]，结果表明，3 d时火山渣对水泥砂浆体系的强度没有贡献，28 d、90 d、180 d时对强度有贡献，但贡献小于硅酸盐水泥；火山渣水泥的水化放热明显低于硅酸盐水泥，当火山渣掺量从20%增加到30%以及从40%增加到50%时，火山渣水泥的3 d累积放热下降较快。

将磨细火山渣作为活性混合材掺入水泥中，将会显著降低水泥基材料的环境负荷，对促进水泥工业的节能减排具有重要作用。目前关于火山渣活性及其影响因素的研究较少，本文主要研究了火山渣这种火山灰质材料的活性、火山渣活性的影响因素、火山渣活性提高的方法。

1 试 验

1.1 原材料

水泥：山东鲁城水泥有限公司生产的42.5级基准水泥，密度3.15 g/cm3，比表面积344 m2/kg。火山渣：2种火山渣均来自于吉林省辉南县，颜色介于黄灰色与灰褐色之间，火山渣1的颜色略深于火山灰渣2，密度均为2.87 g/cm3。水泥及火山渣的化学组成如表1所示，可以看出，2种火山渣是由40%～50%SiO2，约15%Fe2O3，10%～15%Al2O3，约15%CaO+MgO，以及少量的Na2O、K2O等组成。

表1 水泥和火山渣的化学成分%

砂：厦门艾思欧标准砂有限公司生产的ISO标准砂。

激发剂：CaCl2、Ca（OH）2、CaO及CaSO4，均为国药集团化学试剂有限公司生产，分析纯。

1.2 试验方法

1.2.1 活化火山渣的制备

将火山渣1分别在试验小磨中粉磨30、60、90、120 min，将火山渣2分别在试验小磨中粉磨30、60 min，制得不同比表面积的火山渣粉，结果如表2所示。

表2 磨细火山渣的比表面积

1.2.2 水泥胶砂强度测试

水泥胶砂强度参照GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》进行测试，按照设定配比进行成型，硅酸盐水泥胶砂配比为：450 g基准水泥，水胶比为0.5，砂胶比为3，火山渣等质量取代基准水泥，测试不同龄期时掺火山渣的水泥胶砂强度与硅酸盐水泥胶砂的抗压强度。

1.2.3 火山渣的活性评价

分别采用火山灰活性图法、抗压强度比法对火山渣的胶凝活性进行评价。

火山渣的火山灰质试验按照GB/T 2847—2005《用于水泥中的火山灰质混合材料》进行。火山灰活性是在（40±1）℃条件下，通过与水化水泥共存的液相中呈现的Ca（OH）2量和在同样碱性介质中达到饱和的Ca（OH）2量相比较而评定的。因此，应先画出在（40±1）℃时，Ca（OH）2在游离碱度（OH-）约为0～100 mmol/L溶液中的溶解度曲线。曲线上方的Ca（OH）2浓度是过饱和的，曲线下方的Ca（OH）2浓度是不饱和的。凡是具有火山灰性的材料，因其组成中含有活性SiO2和Al2O3，能与水泥水化时产生的Ca（OH）2作用，所以与火山灰水泥共存的溶液的Ca（OH）2浓度往往是不饱和的，处于图中Ca（OH）2溶解度曲线的下方。因此，根据试验结果的位置，可判明材料是否具有火山灰性。如果试验点落在饱和浓度曲线上或非常接近饱和浓度曲线，则需在相同条件下重做试验，但试验持续时间应延长至15 d。所得结果如在饱和浓度曲线下方，仍认为该材料具有火山灰性，只是活性发展较慢。试验时应控制恒温（40±1）℃，如温度过低，则火山灰性不易发挥，易将活性材料检验为非活性材料；如温度高于41 ℃，使检验结果失去对比性。

抗压强度比法以掺30%火山渣的水泥胶砂28 d抗压强度与硅酸盐水泥胶砂28 d抗压强度之比来表征火山渣的活性指数。如果该比值大于0.62，则认为火山渣具有火山灰胶凝活性，因为非活性磨细石英粉的抗压强度比为0.62。

2 结果与讨论

2.1 火山渣的活性评价

2.1.1 火山灰活性图法评价火山渣的胶凝活性

2种火山渣的火山灰活性图法测试结果如图1所示。

从图1可以看出，2种火山渣的试验结果均落在曲线下方，表明2种火山渣均具有火山灰胶凝活性。

2.1.2 抗压强度比法评价火山渣的胶凝活性

使用不同的火山渣替代30%基准水泥，进行水泥胶砂强度测试，计算28 d抗压强度比，结果如表3所示。

表3 2种火山渣的28 d抗压强度比

由表3可以看出，粉磨不同时间的2种火山渣28 d抗压强度比均大于0.62，表明经粉磨后2种火山渣均具有火山灰胶凝活性。

2.2 火山渣的活性影响因素

2.2.1 火山渣的细度对胶凝活性的影响

使用不同细度的火山渣1替代30%基准水泥进行胶砂强度试验，28 d抗压强度比如表4所示。

表4 不同细度火山渣的28 d抗压强度比

由表4可以看出，随着火山渣比表面积的增大，火山渣的28 d抗压强度比逐渐提高。与比表面积为520 m2/kg的火山渣1-1相比，比表面积为1022 m2/kg的火山渣1-4的28 d抗压强度比提高了12.2%。

2.2.2 火山渣掺量对胶凝活性的影响

使用不同掺量的火山渣1-1替代基准水泥进行胶砂强度试验，28 d抗压强度比如表5所示。

表5 不同掺量火山渣的28 d抗压强度比

由表5可以看出，随着火山渣掺量的增加，火山渣1-1的28 d抗压强度比呈降低趋势。当火山渣的掺量从10%增加到50%时，火山渣1-1的28 d抗压强度比降低了46.7%。

2.3 火山渣的活性提高方法

2.3.1 超细粉磨提高火山渣的活性

使用不同细度的火山渣1替代30%基准水泥进行胶砂强度试验，3 d及28 d抗压强度比如表6所示。

表6 不同细度火山渣的抗压强度比

由表6可以看出，随着火山渣比表面积的增大，火山渣的3 d、28 d抗压强度比均有明显提高。与比表面积为520 m2/kg的火山渣1-1相比，比表面积为1022 m2/kg的火山渣1-4的3 d、28 d抗压强度比分别提高了16.7%、12.2%。

2.3.2 化学激发提高火山渣的活性

空白组胶砂配比为：315 g基准水泥、135 g火山渣1-2、水胶比为0.5、砂胶比为3，研究不同化学激发剂种类和掺量对火山渣活性的提高效果，以抗压强度为指标进行评价，试验结果如表7所示。

表7 激发剂种类及掺量对火山渣活性的提高效果

由表7可见：

（1）采用CaCl2作为激发剂，当CaCl2掺量为1%时，胶砂的3 d、28 d抗压强度较空白组分别提高了15.6%、5.8%；但当CaCl2掺量增加至5%时，胶砂的3 d、28 d抗压强度较空白组分别降低了28.3%、38.0%。

（2）采用Ca（OH）2作为激发剂，随激发剂Ca（OH）2掺量从1%增加到5%，胶砂的3 d抗压强度逐渐提高，28 d抗压强度先提高后降低。Ca（OH）2掺量为5%时，胶砂的3 d抗压强度最高，较空白组提高了6.1%；Ca（OH）2掺量为3%时，胶砂的28 d抗压强度最高，较空白组提高了6.4%。

（3）采用CaO作为激发剂，CaO掺量为5%时，胶砂的3 d抗压强度最高，较空白组提高了3.0%；CaO掺量为1%时，胶砂的28 d抗压强度最高，较空白组提高了5.0%。

（4）采用CaSO4作为激发剂，随CaSO4掺量从0增加到5%，胶砂的3 d抗压强度逐渐降低，28 d抗压强度先提高后降低。CaSO4掺量为1%时，胶砂的28 d抗压强度最高，较空白组提高了7.4%。

3 结论

（1）火山灰活性图法及抗压强度比法的结果表明火山渣具有火山灰胶凝活性。

（2）随着火山渣比表面积的增大，火山渣的28 d抗压强度比均呈提高趋势。随着火山渣掺量的增加，火山渣的28 d抗压强度比呈下降趋势。

（3）超细粉磨可以提高火山渣的活性。与比表面积为520 m2/kg的火山渣相比，比表面积为1022 m2/kg的火山渣的3 d抗压强度比提高了16.7%，28 d抗压强度比提高了12.2%。

（4）化学激发也可以提高火山渣的活性。掺加适量CaCl2、CaO及Ca（OH）2可提高火山渣水泥胶砂的3 d抗压强度；随着CaCl2、Ca（OH）2、CaO及CaSO4掺量的增加，火山渣水泥胶砂的28 d抗压强度呈先提高后降低趋势。