第六章火山灰質(zhì)混合材料與火山灰水泥

1、第一節(jié) 火山灰質(zhì)混合材火山灰質(zhì)混合材由天然的或人工的以SiO2、Al2O3為主要成分的礦物質(zhì)材料，本身磨細與水拌和并不硬化，但與石灰加水混合后，不但可以在空氣中硬化，也可以在水中硬化一、火山灰質(zhì)材料的種類（一）根據(jù)來源（二）根據(jù)與石灰結(jié)合的性質(zhì)1、含水硅酸質(zhì)混合材以無定型的SiO2為主要活性成分，并含有結(jié)和水，形成SiO2nH2O的非晶礦物，與石灰反應(yīng)能力強，但需水量大，干縮大。2. 鋁硅玻璃質(zhì)混合材以氧化硅為主要成分，還含有一定量的氧化鋁和少量堿性氧化物。由高溫熔體經(jīng)過不同程度的冷卻而成，其活性決定于冷卻速率、玻璃體含量主要有火山灰、凝灰?guī)r、浮石、粉煤灰等3. 燒粘土質(zhì)混合材以脫水粘土礦物為

2、主，其化學(xué)組成以氧化硅和氧化鋁為主，其中氧化鋁的含量與活性大小有明顯的關(guān)系二、粉煤灰從火電廠的分煤爐排煙道中收集的粉末，以SiO2和Al2O3為主要成分，含有少量的CaO，具有火山灰活性每發(fā)1億千瓦時電，將產(chǎn)生1萬噸粉煤灰煤粉經(jīng)過1100-1700煅燒后，所含的粘土質(zhì)礦物熔融，經(jīng)急冷后形成了鋁硅玻璃相，一般含量在5060，其含量越高，火山灰活性越高1. 我國粉煤灰的化學(xué)組成SiO2在40-60；Al2O3在1540；Fe2O3在420；CaO在27；燒失量在3-102. 主要礦物組成鋁硅玻璃體和少量的SiO2及莫來石等3. 粉煤灰的顆粒形狀和大小5-45m的顆粒越多，活性越高，80m的顆粒越多

3、，活性越低球形顆粒為硅鋁玻璃體，表面光滑，空心的顆粒如漂珠，絕熱電絕緣性好實心球形顆粒如富鈣、富鐵微珠，含量越高，粉煤灰活性越高，需水量少不規(guī)則多孔顆粒主要是多孔碳粒，活性極低，需水量大3. 粉煤灰的活性指數(shù) 需水量計算 三、煤矸石 煤矸石是夾雜在可燃物質(zhì)的巖石及粘土礦物，其煤含量一般不超過10-20，是采煤或洗煤時排除的廢石 我國的煤矸石中主要的粘土礦物有高嶺石、鉀云母、伊利石和綠泥石，其中以高嶺石，鉀云母最具有代表性 高嶺石Al2(Si4O10)(OH)8具有單網(wǎng)層結(jié)構(gòu)，即由一層水鋁石和一層硅氧層組合而成，單網(wǎng)以氫鍵連接 鉀云母KAl2(AlSi3O10)(OH)2具有復(fù)網(wǎng)層結(jié)構(gòu)，即兩個硅

4、氧層通過Al 3+連接并形成Al-(O,OH)八面體，其中四分之一Si被Al取代，K進入平衡電荷伊利石與鉀云母結(jié)構(gòu)相似，K1-1.5Al4Si7-6.5Al1-1.5O20(OH)4，主要差別是四面體中Si部分被鋁取代，層間K離子數(shù)目減小，層間結(jié)合力較弱 綠泥石結(jié)構(gòu)為Y6Z8O20(OH)4+Y6(OH)12,Y為Mg、Al、Fe，Z為Si、Al，相當(dāng)于云母的二層結(jié)構(gòu)與一個孤立的單層氫氧鎂石相間排列而成，層間以氫鍵連接上述粘土礦物在加熱時，結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，只有脫水相處于某一個狀態(tài)時，其活性最高，因此控制煅燒溫度非常重要.但是不同礦物，煅燒的最佳溫度不同高嶺石的外層OH-在470-540脫去，內(nèi)

5、層OH-在540以上脫去，將引起結(jié)構(gòu)較大變化，同時有無定型的偏高嶺石形成，并一直到880，到920-880，結(jié)構(gòu)再次發(fā)生重大變化，繼續(xù)升溫，莫來石晶體形成 煅燒溫度低時，高嶺石的結(jié)構(gòu)沒有解體，溶出的SiO2Al2O3量少，活性低，當(dāng)溫度過高，轉(zhuǎn)化為致密的結(jié)晶相，活性降低，只有在脫水相處于無定型時，活性較高煤矸石活性大小可按下列原則判別 （1）煤矸石中粘土礦物含量高，則灰渣的活性高 （2）粘土礦物中脫水相的活性順序為 高嶺土鉀云母伊利石綠泥石 （3）原始結(jié)構(gòu)破壞越厲害，結(jié)構(gòu)越不穩(wěn)定，溶解度越大，活性越高 三、沸石巖 沸石巖是含有堿或堿土金屬的架狀結(jié)構(gòu)的含水鋁硅酸鹽礦物，其化學(xué)式Mx/nAlxSi

6、yO2(x+y)wH2O，M是Na、Ca、K及Mg、Sr、Ba等陽離子，n為電價，y:x在1-5 沸石由SiO44-和AlO45-中的Al、Si分別連成直線構(gòu)成的次生結(jié)構(gòu)單元組成的多面體結(jié)構(gòu)。這些多面體是沸石的籠，籠之間彼此連通，形成不同的通道 沸石中的水介于結(jié)晶水與吸附水之間，加熱時可以連續(xù)脫出，但對結(jié)構(gòu)影響不大，有水時可以重新吸水 沸石具有許多開放性的通道和龐大的比表面積以及較高的水化活性 第二節(jié) 火山灰質(zhì)混合材活性評定一、石灰吸收法通過測定火山灰質(zhì)混合材從氫氧化鈣中吸收石灰的速率，用以評價活性高低由于石灰吸收值包括化學(xué)和物理吸附，而物理吸附主要決定于材料的內(nèi)表面積，并不能反映混合材的活性

7、，因此并不充分體現(xiàn)在水泥中的使用價值，此法效果較差 二、火山灰質(zhì)試驗在402，通過與水泥共存的液相呈現(xiàn)的Ca(OH)2和在同樣堿性介質(zhì)中達到同樣飽和的Ca(OH)2量比較，先畫出在40時Ca(OH)2在游離堿度(OH)-從0100mol/L的溶液的溶解度曲線，曲線下方是Ca(OH)2濃度是不飽和的。根據(jù)試驗點的位置，判定是否具有火山灰活性。若結(jié)果點落在溶解度曲線附近，需重做，若在14d時，結(jié)果在等溶線下方，說明具有火山灰活性，只是活性發(fā)展慢火山灰中的活性成分會消耗Ca(OH)2，使其濃度不飽和，造成結(jié)果落在溶解線下方此法可以判斷是否具有活性，但無法對活性大小進行判定三、強度法使用含30的混合材

8、的火山灰膠砂與對比用硅酸鹽水泥膠砂28d強度比，一般不得低于62對比樣的加水量固定為238ml，而火山灰質(zhì)膠砂按跳桌流動度125135mm時的水灰比確定第三節(jié) 火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥由硅酸鹽水泥熟料和20-40火山灰質(zhì)混合材、適量石膏磨細制成的水硬性膠凝材料，稱為火山灰質(zhì)水泥，簡稱PP一、火山灰水泥配制的原則火山灰質(zhì)混合材的摻量應(yīng)根據(jù)水泥熟料的質(zhì)量、混合材的活性以及生產(chǎn)水泥的標號等因素，尤其是依據(jù)強度決定若僅考慮標號，活性高的不活性低可以多摻些?？傮w而言，在條件允許時，最好根據(jù)不同摻量的配合比（包括長期強度等）的試驗結(jié)果，結(jié)合工程要求，綜合選定混合材的摻量二、火山灰水泥的水化硬化首先是水泥熟料的水

9、化，然后利用生成的氫氧化鈣與混合材的活性組分發(fā)生反應(yīng)，生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣?；痉磻?yīng)如下OnHxSiOOHnSiOOHxCa22222) 1()(aqSiOCaOSiOaqSiOCaO222)5 . 18 . 0()0 . 25 . 1 (OnHOAlyCaOOmHSiOxCaOOmHSiOOHOAlCaO232222223263OnHOAlxCaOOmHOAlOHxCa2322322)(OnHSiOOAlCaOSiOOAlOHCa2232232223)(3x3x2，y3火山灰水泥水化最終產(chǎn)物主要I型C-S-H為主的水化硅酸鈣凝膠，其次是水化鋁酸鈣及其水化鐵鋁酸鈣的固溶體，而Ca(OH)

10、2數(shù)量相對較少三、火山灰水泥的性質(zhì)和用途火山灰水泥水化熱小，早期強度較低，但后期強度可以趕上甚至超過硅酸鹽水泥火山灰水泥在濕熱環(huán)境下強度發(fā)展快，若處于干燥環(huán)境，不但強度停止發(fā)展，還會干裂火山灰水泥的干縮率隨混合材摻量增加而減小其用途同礦渣水泥第四節(jié) 石灰-火山灰質(zhì)水泥 將火山灰質(zhì)混合材與石灰按適當(dāng)比例混合磨細而成水硬性膠凝材料石灰火山灰質(zhì)水泥的配合比取決于混合材的活性及水泥性能要求，活性高或制品抗大氣穩(wěn)定型要求高的，石灰摻量可以高些，一般在20-30。石膏的摻量在5以下。石灰可采用生石灰或消石灰，但采用生石灰時，凝結(jié)快，強度高。同時，石灰中CaO含量應(yīng)大于60，MgO低于5石灰火山灰水泥的硬化

11、是由于混合材中活性氧化硅和氧化鋁在水存在時，與氫氧化鈣作用，生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣。在常溫下，形成的I型C-S-H，當(dāng)石灰摻量高時，可形成II型的C-S-H二、火山灰水泥的水化硬化此外，還會形成水化鋁硅酸鈣，溫度高時，形成水化石榴石石灰火山灰質(zhì)水泥凝結(jié)硬化慢，不宜冬季施工，抗大氣穩(wěn)定性差，易干縮開裂和碳化，需要濕熱處理可用于強度要求不高的低層建筑的基礎(chǔ)、墊層，砂漿等第五節(jié) 粉煤灰水泥由硅酸鹽水泥熟料、20-40粉煤灰及適量石膏磨細而成的水硬性膠凝材料，稱為粉煤灰水泥，簡稱PF粉煤灰玻璃體結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，早期水化活性很低，隨粉煤灰摻量增加，強度降低，當(dāng)超過30時，強度明顯下降粉煤灰水泥的水化與

12、火山灰水泥相似，其后期強度可以趕上甚至超過硅酸鹽水泥摻30粉煤灰的水泥水化過程中結(jié)合水含量和Ca(OH)2變化早期結(jié)合水減少，后期顯著增加，而Ca(OH)2含量后期逐漸減小，即參與火山灰反應(yīng)粉煤灰水泥需水量較低，干縮小，抗裂性型好，水化熱低，抗蝕性好可用于一般建筑，尤其是大體積水工混凝土以及地下和海港工程第六節(jié) 沸騰爐渣水泥沸騰爐渣（廢渣）系煤矸石或劣質(zhì)煤在沸騰鍋爐內(nèi)，經(jīng)850-950充分燃燒后排除的殘渣。 其成分視煤矸石類別而變，波動范圍較大煤矸石主要含兩類粘土礦物，即以高嶺石為主硅酸鹽粘土礦物和以鉀云母為主的鋁硅酸鹽粘土礦物。高嶺土的最佳脫水溫度為700-980，而云母類粘土礦物的最佳脫水溫度為9001100一般而言，廢渣的活性比天然火山灰和粉煤灰高，可用作火山灰質(zhì)混合材生產(chǎn)水泥，也可配制石灰廢渣水泥或石膏廢渣水泥石灰沸渣水泥中的石灰用量越10-25，石膏用量在5以下，水泥強度較低石膏廢渣水泥由廢渣、礦渣、