凝灰岩石粉的微观结构及其对混凝土力学性能的影响分析

何树杰 （池州市建筑管理处，安徽 池州 247100）

0 引言

工业电炉在高温熔炼工业硅及硅铁的过程中，逸出的烟尘经冷凝沉淀制备出硅灰。硅灰的化学成分以硅为主（SiO2含量可高达90%），颗粒细微（可达纳米级），矿物组成成分以玻璃质为主。因此硅灰显示出火山灰活性，可显著提高混凝土及砂浆的力学性能和耐久性。乔建刚等[1]研究了硅灰对混凝土界面的影响，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数量，从而改善了水泥浆体与集料界面的“黏结性能”，提高了混凝土的抗压强度及劈拉强度；周超等[2]指出相较于硅灰一元体系粉煤灰与硅灰二元复合体系改善了混凝土的工作性能，是因为硅灰具有较大的比表面积，增大了水泥浆体的需水量和粘聚性；孔亮[3]采用硅灰与花岗岩石粉复掺，他认为硅灰的火山灰效应和花岗岩石粉的晶核效应相互补充、相互结合，显著提高了复合混凝土的力学性能和耐久性能。除了在混凝土中的应用，硅灰还具有耐腐蚀、稳定性高等特点，广泛应用于涂料油漆、冶金等行业之中。而凝灰岩作为一种火山碎屑岩，形成于火山喷发过程中，火山灰经“冷凝-沉积-成岩”过程形成。凝灰岩也具有较高的硅含量（SiO2含量约为65%）[4]，矿物成分以隐晶质玻璃体为主。此外，凝灰岩在安徽省分布广泛，主要产出于霍山、庐江、休宁、马鞍山一带，可作为替代硅灰的理想材料。因此，为探讨凝灰岩的火山灰活性并进一步探究其替代硅灰的可行性，本文选取皖南地区某凝灰岩，通过凝灰岩石粉对混凝土强度及微观结构的影响，进一步研究改性凝灰岩石粉的“火山灰活性”。

1 原材料

本文水泥采用某公司生产的P·O 42.5普通硅酸盐水泥。减水剂选用高性能减水剂。凝灰岩石粉由产自皖南的凝灰岩，粉磨至200 目。为了进一步提高凝灰岩石粉的活性，增强“火山灰效应”，本文采用加热-淬冷的方式提高凝灰岩石粉中玻璃质矿物（即隐晶质玻璃体）的含量，玻璃体中不稳定的矿物相与水泥发生水化反应，填充混凝土中微细孔，改善混凝土的孔结构、具体的改性方法为将凝灰岩石粉在950℃下灼烧8h，将高温凝灰岩石粉通过风机淬冷，获得改性凝灰岩石粉。本文选用凝灰岩石粉的激光粒度体积分布曲线如图1 所示，凝灰岩石粉比表面积为358m2/kg，粒径范围主要集中在5～75μm，其中20～75μm 颗粒占比可达40%。硅灰的激光粒度体积分布曲线如图2 所示，比表面积为417m2/kg，粒径范围主要集中在5～75μm 之间，其中20～75μm 颗粒占比可达45%。为了对比凝灰岩石粉、改性凝灰岩石粉与不同工业废渣之间的活性关系，本文选取粉煤灰、矿粉进行强度试验，并与凝灰岩石粉、改性凝灰岩石粉的活性指数进行对比。试验所用工业废渣主要化学成分如表1所示。

图1 凝灰岩石粉激光粒度体积分布曲线

图2 硅灰激光粒度体积分布曲线

表1 试验所用凝灰岩石粉及工业废渣的主要化学成分（单位：wt%）

2 试验方案

经文献调研可知，硅灰、粉煤灰、矿粉等矿物掺合料具有一定的活性和相对稳定的化学组成成分，对混凝土强度的影响均表现出随着掺合料掺量先增加后降低的特征，其中粉煤灰掺量为20%时抗压强度提升效果最显著，硅灰的掺量为6%～8%时各龄期抗压强度均大于基准水泥[2,4,5]。而工业副产石粉（机制砂石粉）在混凝土中则呈惰性，当石粉含量超过一定的含量时，在水泥基材料中表现出一定的稀释作用[6]，因此在《建设用砂》（GB/T 14684-2022）中，严格限定了机制砂中石粉的含量（当机制砂的MB 值小等于0.5 时，机制砂中石粉含量应≤15%；当机制砂中的MB 值大于0.5且小于等于1.0 时，机制砂中的石粉含量应≤10%）。

因此，本文为了更好地对不同掺合料的活性进行对比，采用固定掺量（15%）的方法，探究凝灰岩石粉、改性凝灰岩石粉、硅灰、粉煤灰、矿粉对混凝土强度的影响，本文所采用的混凝土配合比如表2 所示，其中水灰比为0.39、水泥用量为446kg/m3、砂用量为695kg/m3、石的用量为1047kg/m3、高性能减水剂的用量为11.152kg/m3。

表2 试验混凝土配比材料用量（单位：kg/m3）

3 试验结果及讨论

混凝土标准养护28d，所测混凝土7d、28d的强度如表3所示。

表3 试验混凝土力学性能（单位：MPa）

如表3 所示，混凝土在养护至7d、28d 时，掺入15%硅灰的混凝土试件抗压强度均最高，分别为基准混凝土抗压强度的102%和104%。而凝灰岩石粉的抗压强度最低，7d、28d 抗压强度均为基准试件的85%。而经高温加热、淬冷后制备的改性凝灰岩石粉混凝土，抗压强度略有提升，7d、28d 抗压强度分别为基准混凝土试件的89%、91%。粉煤灰7d、28d 抗压强度分别为基准混凝土试件的76%、79%，矿粉7d、28d 抗压强度分别为基准混凝土试件的98%、100%。

分别将养护至7d、28d 的混凝土试件，剖开破碎、去除表面杂物，浸泡于无水乙醇中终止水化3 天后，取出试块放入40℃烘箱中烘干，用于SEM 微观图像的采集。如图3 所示，凝灰岩石粉混凝土养护至7d 时，水泥石中仍有大量凝灰岩石粉未参与水化反应，只起到物理填充作用，表现为较为疏松的微观形貌。而通过改性的凝灰岩石粉混凝土养护至28d 时，部分改性凝灰岩石粉开始参与水化反应，生成大量的C-S-H（硅酸钙）凝胶水化产物（图4），改善了改性凝灰岩石粉与水泥石熟料间的微观界面粘结，从而提高了含改性凝灰岩石粉混凝土的强度。

图3 凝灰岩石粉混凝土7d水化产物形貌

图4 改性凝灰岩石粉混凝土28d水化产物形貌

硅灰的激光粒度体积分布曲线结果显示（图2），硅灰的粒径相较于凝灰岩石粉更加微小，20～75μm 的颗粒占比达到45%，比表面积为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，从而改善了水泥浆体与集料界面的“黏结性能”，显著提高了混凝土7d 和28d 的抗压强度；另一方面硅灰的主要化学成分为SiO2，可与水泥水化产生的Ca(OH)2进一步反应，生成水化C-S-H（硅酸钙）等凝胶，对混凝土强度有一定的增强作用[7]。

凝灰岩主要矿物成分为隐晶质玻璃、长石、石英和少量绢云母。凝灰岩石粉的激光粒度体积分布曲线显示，凝灰岩石粉的比表面积为358m2/kg，相较于更加微小的硅灰颗粒，凝灰岩石粉在水泥基材料中晶核效应显著降低。而经过高温灼烧和风机淬冷后的凝灰岩石粉，提升了改性凝灰岩石粉中玻璃相和无定型微晶相的含量，凝灰岩石粉的主要化学成分SiO2和Al2O3与水泥水化产生的Ca(OH)2进一步反应，生成C-S-H（硅酸钙）或C-S-A-H（铝硅酸钙）等凝胶。因此，改性后的凝灰岩石粉强度显著提高，可作为硅灰的替代产品应用于混凝土中，但其在混凝土中的微集料填充作用和潜在活性仍低于硅灰在混凝土中的表现。

4 结论

凝灰岩石粉的主要化学成分为SiO2和Al2O3，主要包括隐晶质玻璃、长石、石英等矿物成分，区别于其他惰性机制砂石粉（如石灰岩石粉、花岗岩石粉等）表现出一定的火山灰活性。通过高温灼烧、风机淬冷的方法可提高凝灰岩石粉中玻璃相和无定型微晶相的含量，玻璃相和无定型微晶相与水泥基材料中的水化产物（Ca(OH)2）进一步反应生成了CS-H（硅酸钙）或C-S-A-H（铝硅酸钙）等凝胶，填充了混凝土中的微孔隙，从而提升了凝灰岩石粉的火山灰活性，进一步改善了凝灰岩石粉混凝土的强度及工作性。