摘 要 選取沸石巖、珍珠巖和硅質頁巖三類巖石為代表，對比分析天然材料用作混凝土摻合料在巖石化學成份、礦物組成、結構構造、成因以及工藝性能、摻合效能、火山灰效應指數方面的共同特征，以探討其普遍規(guī)律，用于指導進一步研究開發(fā)天然巖石礦物為原料的混凝土摻合料，并與粉煤灰等工業(yè)廢料型摻合料在摻合效果、經濟成本方面作出比較分析。
關鍵詞 摻合料 天然材料 沸石巖 珍珠巖 硅質頁巖
國內外研究開發(fā)用作混凝土摻合料的天然材料有沸石巖[1 ] 、凝灰?guī)r[1 ，2 ] 、硅質頁巖[3 、4 ] 、珍珠巖[5 ] 、硅藻土及火山玻璃[2 ] 等。作者選取應用效果較好且具有成因類型代表性的沸石巖、珍珠巖和硅質頁巖三類巖石為研究對象，對比分析天然材料用作混凝土摻合料，在巖石化學成份、礦物組成、結構構造、成因以及工藝性能、摻合效能、火山灰效應指數方面的共同特性，以探討其普遍規(guī)律，用于指導進一步研究開發(fā)天然巖石礦物為原料的混凝土摻合料。
1 巖石特征
1.1 巖石化學成份
用作混凝土摻合料的沸石巖、珍珠巖和硅質頁巖三類巖石代表之主要化學成份， 見表1 。上表顯示三類巖石化學成份，均為富SiO2 或富SiO2 + Al2O3.
1.2 巖石礦物組成、結構狀態(tài)
表1 還列出了沸石巖、珍珠巖和硅質頁巖三類巖石的主要礦物組成及結構狀態(tài)。三類巖石的礦物都以架狀硅鋁酸鹽族為主，結構上雖有玻璃質、隱晶質和結晶質的不同，但晶態(tài)的沸石為具有巨大表面能的特殊多孔結構，因而三類巖石都是對外表現出強烈活性的結構狀態(tài)。
1.3 巖石成因
沸石巖的形成過程為[6 ] :酸性火山巖的玻璃物質在堿性介質條件下水解而形成斜發(fā)沸石，火山物質經晶態(tài)化并交換離子后，導致具有極大內外表面能的多孔結構，屬酸性火山巖蝕變或輕變質產物；硅質頁巖可能是與海底酸性火山灰噴發(fā)活動有關的沉積巖[7 ] ；珍珠巖是典型的酸性火山熔巖噴(溢) 出地表急速冷凝而成。綜上所述，這些巖石成因都是以酸性火山物質為基礎的，或是直接冷卻成巖，或是經沉積成巖作用而成，或是經蝕變水解形成的產物。
2 巖石粉末特征
天然沸石巖、珍珠巖和硅質頁巖經機械破碎磨細成粉末作摻合料使用，其粉末特征，見表2 。
與水泥熟料顆粒相似，只有小于325 目的摻合料顆粒，才有較高活性而參與水化反應形成C2S2H。對于起填充作用的顆粒，要求更小的粒徑，才能密實水泥基復合材料內部的孔隙，從而提高混凝土力學性能和耐久性。因此，摻合料細度要求325 目篩余量< 10 %。
3 摻合料對混凝土性能的影響
沸石巖、珍珠巖和硅質頁巖摻合料，按不同比例摻入相近配合比的高強混凝土中(表3) ，對混凝土的主要技術性能———塌落度和抗壓強度的影響，見表4 。
從表中可看出三類巖石摻合料對混凝土性能影響的共同之處: ①摻合料等量替代水泥的混凝土的早期強度，較未含摻合料的基準混凝土低； ②在所討論的替代范圍內，摻合料等量替代水泥的混凝土的晚期(28 天及91 天) 強度，高于基準混凝土，強度增長率大致為10 %～30 %； ③摻合料以10 %～15 %的摻量對混凝土增強效果最好。
4 摻合料在混凝土中的火山灰效應指數
4.1 火山灰效應量化指標
混凝土中摻入活性摻合料導致的火山灰效應，量化分析方法很多。蒲心誠認為[8 ] :在無摻合料的混凝土中，其強度來源完全基于水泥的水化反應；在摻合活性礦物摻合料的混凝土中，強度由水泥的水化反應和火山灰效應(主要為二次反應) 共同構成。據此，提出了火山灰效應的數值化指標———火山灰效應強度貢獻率P ( %) : 表示所摻入的摻合料產生的火山灰效應對混凝土強度的貢獻大小。
4.2 三類摻合料的火山灰效應強度貢獻率
采用上述火山灰效應強度貢獻率，來定量分析對比三類巖石摻合料在混凝土中對構成強度有效作用的火山灰效應大小，其計算結果見表4 右二列(計算方法和過程，參閱文獻[8 ]) 。從中可知:巖石摻合料火山灰效應隨著混凝土養(yǎng)護齡期的延長而增強，這與工業(yè)廢料類摻合料粉煤灰、硅灰、礦渣粉等的結論一致； 在摻入摻合料的混凝土后期強度構成中，約20 %以上是由于巖石摻合料火山灰效應導致的，其中個別高比例者可達40 %；三類摻合料相同指標對比，增強效果好的首推珍珠巖類。
5 與工業(yè)廢料類摻合料的對比
5.1 混凝土摻合料類型
摻合料可分為二大類:一類是工業(yè)廢料類，如磨細礦渣、粉煤灰、硅灰等，但可用于高強高性能混凝土的只有硅灰、優(yōu)質(一級和二級) 粉煤灰以及三級以上磨細礦渣；另一類是天然礦物巖石，國內采用沸石粉等，國外普遍采用火山玻璃、火山凝灰?guī)r、粘土頁巖、硅藻土等，經加工用作高強高性能混凝土的摻合料[2 ] 。
5.2 粉煤灰與沸石摻和性能對比[9 ]
摻入沸石的混凝土的28 天和91 天抗壓強度，均高于無摻合料的基準混凝土或摻入一級粉煤灰的混凝土，見表5 。
5.3 摻合料的市場情況
在國內市場上，工業(yè)廢料類摻合料中硅灰價格高于2000 元/ t ，磨細礦渣因研磨加工成本高而較少應用，供需較大的是一級、二級粉煤灰，其售價分別高于200 元/ t 、120 元/ t ，這類優(yōu)質粉煤灰多分布在北方地區(qū)；我國南方沿海地區(qū)常年從東南亞一帶大量進口摻合料以滿足土木建筑工程所需，其到岸價約35 美元/ t ；而用作摻合料的珍珠巖粉售價約100 元/ t ，沸石粉售價低于200 元/ t 。
6 結論
研究表明：用作混凝土摻合料的天然材料，在巖石化學成份上均為富SiO2 或富SiO2 + Al2O3 ；礦物以架狀硅鋁酸鹽族為主；結構上有玻璃質、隱晶質和結晶質，但須是對外表現出強烈活性的結構狀態(tài)；巖石成因都是以酸性火山物質為基礎的直接成巖或經輕微改造的產物； 摻合料加工工藝方面，細度要求325 目篩余量小于10 %；巖石摻合料對混凝土性能的影響，表現在早期強度較基準的低，而晚期(28 天及91 天) 強度高于基準混凝土，強度增長率大致為10 %～30 % ，摻合料以10 %～15 %的摻量對混凝土的增強效應最大；摻合料混凝土后期強度構成中，約20 %以上是由巖石摻合料火山灰效應導致的；三類摻合料對比反映，珍珠巖類增強效果最突出；與粉煤灰為代表的工業(yè)廢料型摻合料在對混凝土性能的摻合效果、經濟成本作比較后，天然材料型摻合料具有技術性能和經濟效益的優(yōu)勢。
參考文獻
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