第六章 火山灰质混合材料与火山灰水泥

1、第一节 火山灰质混合材火山灰质混合材由天然的或人工的以SiO2、Al2O3为主要成分的矿物质材料，本身磨细与水拌和并不硬化，但与石灰加水混合后，不但可以在空气中硬化，也可以在水中硬化一、火山灰质材料的种类（一）根据来源（二）根据与石灰结合的性质1、含水硅酸质混合材以无定型的SiO2为主要活性成分，并含有结和水，形成SiO2nH2O的非晶矿物，与石灰反应能力强，但需水量大，干缩大。2. 铝硅玻璃质混合材以氧化硅为主要成分，还含有一定量的氧化铝和少量碱性氧化物。由高温熔体经过不同程度的冷却而成，其活性决定于冷却速率、玻璃体含量主要有火山灰、凝灰岩、浮石、粉煤灰等3. 烧粘土质混合材以脱水粘土矿物为

2、主，其化学组成以氧化硅和氧化铝为主，其中氧化铝的含量与活性大小有明显的关系二、粉煤灰从火电厂的分煤炉排烟道中收集的粉末，以SiO2和Al2O3为主要成分，含有少量的CaO，具有火山灰活性每发1亿千瓦时电，将产生1万吨粉煤灰煤粉经过1100-1700煅烧后，所含的粘土质矿物熔融，经急冷后形成了铝硅玻璃相，一般含量在5060，其含量越高，火山灰活性越高1. 我国粉煤灰的化学组成SiO2在40-60；Al2O3在1540；Fe2O3在420；CaO在27；烧失量在3-102. 主要矿物组成铝硅玻璃体和少量的SiO2及莫来石等3. 粉煤灰的颗粒形状和大小5-45m的颗粒越多，活性越高，80m的颗粒越多

3、，活性越低球形颗粒为硅铝玻璃体，表面光滑，空心的颗粒如漂珠，绝热电绝缘性好实心球形颗粒如富钙、富铁微珠，含量越高，粉煤灰活性越高，需水量少不规则多孔颗粒主要是多孔碳粒，活性极低，需水量大3. 粉煤灰的活性指数 需水量计算 三、煤矸石 煤矸石是夹杂在可燃物质的岩石及粘土矿物，其煤含量一般不超过10-20，是采煤或洗煤时排除的废石 我国的煤矸石中主要的粘土矿物有高岭石、钾云母、伊利石和绿泥石，其中以高岭石，钾云母最具有代表性 高岭石Al2(Si4O10)(OH)8具有单网层结构，即由一层水铝石和一层硅氧层组合而成，单网以氢键连接 钾云母KAl2(AlSi3O10)(OH)2具有复网层结构，即两个硅

4、氧层通过Al 3+连接并形成Al-(O,OH)八面体，其中四分之一Si被Al取代，K进入平衡电荷伊利石与钾云母结构相似，K1-1.5Al4Si7-6.5Al1-1.5O20(OH)4，主要差别是四面体中Si部分被铝取代，层间K离子数目减小，层间结合力较弱 绿泥石结构为Y6Z8O20(OH)4+Y6(OH)12,Y为Mg、Al、Fe，Z为Si、Al，相当于云母的二层结构与一个孤立的单层氢氧镁石相间排列而成，层间以氢键连接上述粘土矿物在加热时，结构会发生变化，只有脱水相处于某一个状态时，其活性最高，因此控制煅烧温度非常重要.但是不同矿物，煅烧的最佳温度不同高岭石的外层OH-在470-540脱去，内

5、层OH-在540以上脱去，将引起结构较大变化，同时有无定型的偏高岭石形成，并一直到880，到920-880，结构再次发生重大变化，继续升温，莫来石晶体形成 煅烧温度低时，高岭石的结构没有解体，溶出的SiO2Al2O3量少，活性低，当温度过高，转化为致密的结晶相，活性降低，只有在脱水相处于无定型时，活性较高煤矸石活性大小可按下列原则判别 （1）煤矸石中粘土矿物含量高，则灰渣的活性高 （2）粘土矿物中脱水相的活性顺序为 高岭土钾云母伊利石绿泥石 （3）原始结构破坏越厉害，结构越不稳定，溶解度越大，活性越高 三、沸石岩 沸石岩是含有碱或碱土金属的架状结构的含水铝硅酸盐矿物，其化学式Mx/nAlxSi

6、yO2(x+y)wH2O，M是Na、Ca、K及Mg、Sr、Ba等阳离子，n为电价，y:x在1-5 沸石由SiO44-和AlO45-中的Al、Si分别连成直线构成的次生结构单元组成的多面体结构。这些多面体是沸石的笼，笼之间彼此连通，形成不同的通道 沸石中的水介于结晶水与吸附水之间，加热时可以连续脱出，但对结构影响不大，有水时可以重新吸水 沸石具有许多开放性的通道和庞大的比表面积以及较高的水化活性 第二节 火山灰质混合材活性评定一、石灰吸收法通过测定火山灰质混合材从氢氧化钙中吸收石灰的速率，用以评价活性高低由于石灰吸收值包括化学和物理吸附，而物理吸附主要决定于材料的内表面积，并不能反映混合材的活性

7、，因此并不充分体现在水泥中的使用价值，此法效果较差 二、火山灰质试验在402，通过与水泥共存的液相呈现的Ca(OH)2和在同样碱性介质中达到同样饱和的Ca(OH)2量比较，先画出在40时Ca(OH)2在游离碱度(OH)-从0100mol/L的溶液的溶解度曲线，曲线下方是Ca(OH)2浓度是不饱和的。根据试验点的位置，判定是否具有火山灰活性。若结果点落在溶解度曲线附近，需重做，若在14d时，结果在等溶线下方，说明具有火山灰活性，只是活性发展慢火山灰中的活性成分会消耗Ca(OH)2，使其浓度不饱和，造成结果落在溶解线下方此法可以判断是否具有活性，但无法对活性大小进行判定三、强度法使用含30的混合材

8、的火山灰胶砂与对比用硅酸盐水泥胶砂28d强度比，一般不得低于62对比样的加水量固定为238ml，而火山灰质胶砂按跳桌流动度125135mm时的水灰比确定第三节 火山灰质硅酸盐水泥由硅酸盐水泥熟料和20-40火山灰质混合材、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为火山灰质水泥，简称PP一、火山灰水泥配制的原则火山灰质混合材的掺量应根据水泥熟料的质量、混合材的活性以及生产水泥的标号等因素，尤其是依据强度决定若仅考虑标号，活性高的不活性低可以多掺些。总体而言，在条件允许时，最好根据不同掺量的配合比（包括长期强度等）的试验结果，结合工程要求，综合选定混合材的掺量二、火山灰水泥的水化硬化首先是水泥熟料的水

9、化，然后利用生成的氢氧化钙与混合材的活性组分发生反应，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙。基本反应如下OnHxSiOOHnSiOOHxCa22222) 1()(aqSiOCaOSiOaqSiOCaO222)5 . 18 . 0()0 . 25 . 1 (OnHOAlyCaOOmHSiOxCaOOmHSiOOHOAlCaO232222223263OnHOAlxCaOOmHOAlOHxCa2322322)(OnHSiOOAlCaOSiOOAlOHCa2232232223)(3x3x2，y3火山灰水泥水化最终产物主要I型C-S-H为主的水化硅酸钙凝胶，其次是水化铝酸钙及其水化铁铝酸钙的固溶体，而Ca(OH)

10、2数量相对较少三、火山灰水泥的性质和用途火山灰水泥水化热小，早期强度较低，但后期强度可以赶上甚至超过硅酸盐水泥火山灰水泥在湿热环境下强度发展快，若处于干燥环境，不但强度停止发展，还会干裂火山灰水泥的干缩率随混合材掺量增加而减小其用途同矿渣水泥第四节 石灰-火山灰质水泥 将火山灰质混合材与石灰按适当比例混合磨细而成水硬性胶凝材料石灰火山灰质水泥的配合比取决于混合材的活性及水泥性能要求，活性高或制品抗大气稳定型要求高的，石灰掺量可以高些，一般在20-30。石膏的掺量在5以下。石灰可采用生石灰或消石灰，但采用生石灰时，凝结快，强度高。同时，石灰中CaO含量应大于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铝在水存在时，与氢氧化钙作用，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙。在常温下，形成的I型C-S-H，当石灰掺量高时，可形成II型的C-S-H二、火山灰水泥的水化硬化此外，还会形成水化铝硅酸钙，温度高时，形成水化石榴石石灰火山灰质水泥凝结硬化慢，不宜冬季施工，抗大气稳定性差，易干缩开裂和碳化，需要湿热处理可用于强度要求不高的低层建筑的基础、垫层，砂浆等第五节 粉煤灰水泥由硅酸盐水泥熟料、20-40粉煤灰及适量石膏磨细而成的水硬性胶凝材料，称为粉煤灰水泥，简称PF粉煤灰玻璃体结构比较稳定，早期水化活性很低，随粉煤灰掺量增加，强度降低，当超过30时，强度明显下降粉煤灰水泥的水化与

12、火山灰水泥相似，其后期强度可以赶上甚至超过硅酸盐水泥掺30粉煤灰的水泥水化过程中结合水含量和Ca(OH)2变化早期结合水减少，后期显著增加，而Ca(OH)2含量后期逐渐减小，即参与火山灰反应粉煤灰水泥需水量较低，干缩小，抗裂性型好，水化热低，抗蚀性好可用于一般建筑，尤其是大体积水工混凝土以及地下和海港工程第六节 沸腾炉渣水泥沸腾炉渣（废渣）系煤矸石或劣质煤在沸腾锅炉内，经850-950充分燃烧后排除的残渣。 其成分视煤矸石类别而变，波动范围较大煤矸石主要含两类粘土矿物，即以高岭石为主硅酸盐粘土矿物和以钾云母为主的铝硅酸盐粘土矿物。高岭土的最佳脱水温度为700-980，而云母类粘土矿物的最佳脱水温度为9001100一般而言，废渣的活性比天然火山灰和粉煤灰高，可用作火山灰质混合材生产水泥，也可配制石灰废渣水泥或石膏废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，水泥强度较低石膏废渣水泥由废渣、矿渣、