不同岩性磨细火成岩矿物材料与减水剂相容性研究

王浩，谭盐宾，杨鲁，谢永江，李林香，葛昕，郑永杰

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；2.高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081）

0 引言

近年来，随着国内高速铁路、水电工程、房地产等快速发展以及国家对环境保护的日益重视，广泛应用于混凝土的粉煤灰随着土建工程建设量的快速增长和火力发电厂的减少，在国内多地已出现粉煤灰资源紧缺的局面，亟待开发新的替代材料。在我国西南地区，特别是在云南、四川和西藏三省，由于处于欧亚板块地震活跃带，古火山分布多，具有丰富的天然火山灰资源以及火成岩矿物资源[1-3]。有研究表明[4]，火成岩矿物具有与粉煤灰相似的化学组成，主要以SiO2、Al2O3和Fe2O3等为主，将其磨细加工至一定细度后具有较好的潜在水化活性，能有效改善混凝土拌合物性能并提高耐久性能，可作为混凝土用矿物掺合料。磨细火成岩质矿物材料已在我国西南地区多个水利项目中进行了成功应用[5]。

目前，国内外研究人员关于天然火山灰对混凝土力学性能和耐久性能的影响方面研究较多[6-14]，而对采用火成岩磨细加工而得的矿物掺合料研究则较少。火成岩由于岩性复杂，有凝灰岩、安山岩、流纹岩、玄武岩等，不同岩性火成岩矿物材料对混凝土性能的影响也各不相同。相关研究表明[15]：火成岩矿物材料由于颗粒内部多孔、表面粗糙，且棱角较多，在混凝土中应用存在减水剂需求量偏高、坍落度经时损失大等问题，火成岩矿物材料与减水剂的相容性问题影响其在混凝土中的顺利应用。本文结合川藏地区地缘性矿物材料分布特点和性能特点，选取4种岩性火成岩矿物磨细制得矿物掺合料，研究其与铁路混凝土常用聚羧酸系减水剂的相容性，以期为川藏地区铁路工程建设提供参考。

1 试验

1.1 原材料

（1）水泥：北京金隅集团有限责任公司生产，P·O42.5级，安定性合格，物理力学性能见表1，主要化学成分见表2。

表1 水泥的物理力学性能

表2 水泥的主要化学成分 %

（2）粉煤灰（FA）：唐山市浩冉商贸有限公司，Ⅰ级。

（3）磨细火成岩质矿物掺合料：磨细安山岩（AS）、磨细流纹岩（LW）、磨细玄武岩（XW）和磨细凝灰岩（NH）。4种磨细火成岩质矿物掺合料和粉煤灰的主要技术性能见表3，主要化学成分见表4。

表3 磨细火成岩和粉煤灰的主要技术性能

表4 磨细火成岩和粉煤灰的主要化学成分 %

（4）标准型聚羧酸减水剂（PC）和保坍型聚羧酸减水剂（BT）：河北三楷深发科技股份有限公司生产，固含量均为20%，折固掺量为0.15%时减水率分别为25%、15%。

1.2 试验配合比

磨细火成岩与减水剂相容性试验配合比见表5。其中，粉煤灰掺量为30%，磨细火成岩掺量分别为10%、20%、30%，火成岩种类包括安山岩、流纹岩、玄武岩和凝灰岩。

表5 外加剂相容性试验配比 g

1.3 试验方法

（1）颗粒形貌分析：采用德国蔡司公司生产的Merlin型场发射扫描电子显微镜测试粉煤灰与磨细火成岩颗粒的微观形貌。

（2）相容性测试：按照JC/T 1083—2008《水泥与减水剂相容性试验方法》进行，对比粉煤灰和不同岩性磨细火成岩在不同掺量下对水泥浆体初始流动度、经时损失和聚羧酸系减水剂饱和掺量的影响。

2 结果与讨论

2.1 不同矿物掺合料的颗粒形貌

粉煤灰和不同岩性磨细火成岩的SEM照片见图1。

由图1可见，磨细火成岩粉与粉煤灰的颗粒形貌明显不同，经过电收尘得到的粉煤灰颗粒基本为光滑球体，而采用粉磨加工工艺制得的磨细火成岩粉颗粒外观均呈粗糙不规则形状，多棱角。

图1 粉煤灰与不同岩性磨细火成岩的SEM照片

2.2 不同矿物掺合料对水泥-火成岩浆体流动度的影响

采用表5配合比，聚羧酸减水剂掺量（总掺量，下同）固定为0.6%，对比研究了不同岩性磨细火成岩及其掺量对水泥-火成岩浆体流动度的影响，结果如表6所示。

表6 不同掺量及岩性磨细火成岩粉-水泥的浆体流动度

由表6可知，对于各岩性磨细火成岩矿物材料，随着其掺量增加，浆体流动度均呈逐渐减小的趋势。对比同掺量不同岩性磨细火成岩粉-水泥浆体流动度变化规律可知：掺加磨细安山岩和流纹岩的水泥浆体流动度最大，掺加磨细玄武岩的次之，掺加磨细凝灰岩的水泥浆体流动度最小，说明磨细安山岩粉和磨细流纹岩粉对浆体流动度影响较小，与减水剂相容性较好，而磨细玄武岩粉和磨细凝灰岩粉则对浆体流动度有明显不利影响，与减水剂相容性较差。

2.3 不同矿物掺合料对水泥-火成岩粉浆体流动度经时损失的影响

试验以掺量30%的水泥-粉煤灰浆体为基准，保坍型减水剂掺量（总掺量，下同）固定为0.6%，调整标准型减水剂掺量以保证浆体初始流动度为（270±10）mm，试验结果见表7。

表7 不同矿物掺合料及其掺量对水泥浆体流动度的影响

由表7可知，掺加磨细安山岩和磨细流纹岩的浆体减水剂掺量随磨细火成岩掺量的增加而减少，说明这2种磨细火成岩具有一定程度减水作用，掺加磨细玄武岩的浆体减水剂用量随其掺量无明显变化，而掺加磨细凝灰岩的浆体的减水剂用量随其掺量的增加而增加。当矿物掺合料掺量为30%时，浆体达到相同初始流动度，对减水剂的需求量由大到小顺序为：磨细凝灰岩＞粉煤灰＞磨细玄武岩＞磨细流纹岩＞磨细安山岩。此外，30%掺量时掺粉煤灰水泥浆体经时损失较小，2 h水泥浆体流动度经时损失率仅为1.37%，而掺磨细火成岩的水泥浆体流动度经时损失均明显高于粉煤灰水泥浆体，掺磨细流纹岩、磨细安山岩、磨细玄武岩的浆体2 h流动度经时损失率分别为34.93%、42.59%、43.40%，磨细凝灰岩浆体的2 h流动度经时损失最大，达到54.72%。

2.4 不同岩性磨细火成岩对减水剂饱和掺量的影响（见表8）

由表8可知，4种磨细火成岩均表现出随掺量增加，聚羧酸减水剂的饱和掺量随之增大的规律，除20%掺量外，在掺量10%和30%时，不同岩性磨细火成岩水泥浆体的减水剂饱和掺量由大到小为磨细凝灰岩、磨细玄武岩、磨细流纹岩和磨细安山岩，说明磨细凝灰岩对减水剂需求量最大，相容性最差，而磨细安山岩则与减水剂相容性最好。

表8 不同岩性磨细火成岩及其掺量对聚羧酸减水剂饱和掺量的影响

3 结论

（1）经磨细加工而得到的火成岩矿物材料微观形貌与粉煤灰的玻璃球体完全不同，呈粗糙不规则形状、多棱角。

（2）随着各岩性磨细火成岩矿物材料掺量增加，水泥浆体的流动度均逐渐减小。掺加磨细安山岩和流纹岩的水泥浆体流动度最大，掺加磨细玄武岩的次之，掺加磨细凝灰岩的水泥浆体流动度最小。相同水泥浆体流动度下，磨细安山岩测试组掺加的外加剂掺量最小、磨细流纹岩次之、磨细玄武岩再次，而掺加磨细凝灰岩测试组外加剂掺量最大；此外，磨细火成岩岩性对水泥浆体流动度经时损失，从小到大依次为：粉煤灰、磨细流纹岩、磨细安山岩、磨细玄武岩和磨细凝灰岩。

（3）随着磨细火成岩掺量增加，聚羧酸减水剂的饱和掺量随之增加。不同岩性磨细火成岩对聚羧酸减水剂饱和掺量测试结果从小到大依次为：磨细安山岩、磨细流纹岩、磨细玄武岩和磨细凝灰岩。

（4）磨细安山岩对外加剂适应性最好，磨细流纹岩次之，而磨细玄武岩对外加剂适应性较差，磨细凝灰岩对外加剂适应性最差。