论文分享|水泥砂浆和混凝土用天然火山灰质材料

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▍发表于《施工技术》 2012年05月第365期

周永祥，王永海，何更新，王晶
( 中国建筑科学研究院，北京 100013)

［摘要］

介绍了《水泥砂浆和混凝土用天然火山灰质材料》JG / T315—2011 的编制背景和意义。对标准的主要技术条款进行了解释和说明，详细阐述了天然火山灰质材料包括的范围、术语、定义，原材料组成，主要技术指标要求等。希望本标准的制定能为天然火山灰的开发利用起到积极促进作用。
［关键词］

规范; 水泥砂浆; 混凝土; 天然火山灰; 技术指标

1 编制背景和意义

近年来随着我国大规模基础建设的展开，混凝土产量激增，导致优质掺和料日益紧缺，很多地区出现了粉煤灰、矿渣等资源紧缺的现象。因此，迫切需要开发和利用一种容易获取、优质廉价的新型掺和料替代品。

火山灰质材料是水泥混凝土中的主要矿物掺和料，可分细为人工火山灰质材料( 如粉煤灰、烧黏土、烧煤矸石等)和天然火山灰质材料，后者包括的范围较广，包括火山灰、浮石、沸石、凝灰岩、硅藻土、硅藻石以及蛋白石等。天然火山灰质材料在我国云南腾冲、江腾、吉林长白山等地蕴藏量巨大，开发利用这些天然火山灰质材料，可以就地取材，有效缓解当地对混凝土矿物掺和料的需求，节省水泥用量，提高混凝土性能，避免大宗材料外运，大大降低建设成本。实际上很多工程已经在水泥砂浆和混凝土中使用天然火山灰质材料，然而人工火山灰质材料与天然火山灰质材料在性质和使用技术上存在较大区别，之前还没有针对天然火山灰质材料在水泥砂浆和混凝土中应用的相关国家或行业标准。

目前，我国已经在粉煤灰等矿物掺和料用于混凝土或砂浆方面制定了相关标准，如《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》GB / T1596—2005、《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》 GB / T18046—2008、国标《矿物掺和料技术规范》、《混凝土用粒化电炉磷渣粉》JG / T317—2011 等。在火山灰质材料方面，目前已有的标准是《用于水泥中的火山灰质混合材料》GB / T2847—2005。此前我国没有针对天然火山灰质材料用于水泥混凝土(砂浆)的标准。《水泥砂浆和混凝土用天然火山灰质材料》JG / T315—2011的制定将对天然火山灰的开发利用起到积极促进作用。尤其对于缺乏粉煤灰、矿渣等掺和料资源而天然火山灰蕴藏量巨大的地区，意义更为重大。

、修订计划＞的通知》(建标［2009］89 号文) 的要求，中国建筑科学研究院会同有关单位编制该标准。2011年3月16日，，《水泥砂浆和混凝土用天然火山灰质材料》JG /T315—2011自2011年8月1日起实施。

2 主要技术条款说明

2. 1 范围

天然火山灰质材料包括的范围较广，包括火山灰、浮石、沸石岩、凝灰岩等。因天然火山灰质材料具有较高的活性，目前国内很多地区将天然火山灰磨细后作水泥混凝土和砂浆的矿物掺和料，本标准适用范围为天然火山灰质材料。

2. 2 术语和定义

大多数天然火山灰材料中含有无定形的SiO2和Al2O3，活性较高，但也存在一些活性较差的天然火山灰材料，如果活性差则可能满足不了作为胶凝材料的要求，因此本标准中只界定具有火山灰活性的材料。是否具有火山灰活性以“火山灰性试验”为判定依据。本标准中将天然火山灰质材料界定为可直接用于掺和料的磨细粉体材料。

2. 3 原材料

天然火山灰质材料的原材料主要包括火山灰、玄武岩、凝灰岩、沸石和浮石。硅藻土和硅藻石具有较高的火山灰活性，属于天然火山灰的一种但目前在水泥砂浆和混凝土中作掺和料的应用较少，所以暂未纳入标准。

（1）火山灰或火山渣

在爆发性的火山运动中，固体石块和熔浆被分解成细微的粒子而形成火山灰。除一部分细微火山灰驻留在空气中，或被风输送到不同地区外，大部分火山灰会沉积在火山口附近，形成疏松的沉积物。标准中定义为火山喷发的细粒碎屑的疏松沉积物。

（2）玄武岩

玄武岩在地质学的岩石分类中属于岩浆岩( 也叫火成岩) 。岩浆岩分侵入岩和喷出岩两种，喷出岩的代表岩石就是玄武岩，主要是火山爆发时，岩浆喷出地面骤冷凝结形成的硅酸盐岩石。

（3）凝灰岩

凝灰岩是一种压实固结的火山碎屑岩，岩石致密坚硬，主要成分是火山灰。

（4）沸石

瑞典的矿物学家克朗斯提( Cronstedt)发现有一类天然硅铝酸盐矿石在灼烧时会产生沸腾现象，因此命名为“沸石”，是沸石族矿物的总称。

目前，世界上已发现的沸石有 36 种，其中常见且有用的有斜发沸石、丝光沸石、菱沸石以及毛沸石等数种，我国以斜发沸石、丝光沸石居多。沸石是具有多孔架状结构的含水铝硅酸盐矿物，含有碱及碱土金属离子。

（5）浮石

浮石是由于熔融的岩浆随火山喷发冷凝而成密集气孔的玻璃质熔岩，其气孔体积占岩石体积的50%以上。因其孔隙多、质量轻、容重＜1g / cm3 ，能浮于水面而得名。

（6）安山岩

一种中性的钙碱性火山岩，常与玄武岩共生。天然火山灰质材料中的SiO2和Al2O3含量比较高，而且SiO2含量一般均高于粉煤灰，这决定了天然火山灰质材料具有较高的活性。标准编制组选择部分天然火山灰质材料进行化学成分分析，如表1所示。

2. 4 主要技术指标

天然火山灰种类较多，有的火山灰虽然活性很高，但需水量比较大; 有的火山灰活性一般，但需水量比较小，有利于砂浆、混凝土拌合物用水量的控制。因此，各类天然火山灰质材料的某些指标难以协调统一，也不易分级，因此标准中未进行分级。沸石开发利用较早，之前已经制定了标准，为避免标准之间的重复，天然沸石粉的技术要求按《混凝土和砂浆用天然沸石粉》JG / T3048—1998 执行。

（1）细度

火山灰质材料的细度、比表面积与活性指数具有相关性。在实际工程中，细度相对比表面积而言，测试快捷简便，测试方法应用较广，因此标准制定中采用了细度指标。目前实际工程中，作掺和料的天然火山灰质材料细度一般均≤20%( 45μm 筛余) 。在生产中，火山灰质材料生产企业可以通过调整粉磨工艺参数来调整细度的大小，细度≤20%在生产中较易达到。如果细度过大，火山灰活性难以充分发挥。标准编制组获得的细度试验结果中，某Ⅱ级粉煤灰细度(45μm筛余)为15.4%，磨细玄武岩细度为7.9%，磨细安山岩细度为4.4%，沸石粉细度为27.8%，浮石粉细度为8.0%，长白山火山灰1细度为3.5%。参考《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》中Ⅱ级粉煤灰的细度标准，细度指标定为≤20%。

（2）流动度比

流动度比和需水量比都是反映火山灰质材料同一性能的指标，在需水比试验中，试验胶砂流动度达到130～140mm的用水量需要多次调整才能确定，试验耗时、耗料，而且胶砂流动度达到130～140mm的用水量不是唯一值，导致试验结果的不唯一。而流动度比测定起来快捷、方便，因此本标准参照《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》 GB / T18046—2008，采用流动度比指标。

部分天然火山灰质材料的流动度比试验结果中，某Ⅱ级粉煤灰流动度比为95%，磨细玄武岩流动度比为93% ，磨细安山岩流动度比为96%，沸石粉流动度比为63%，浮石粉流动度比为67%，长白山火山灰1流动度比为93%，长白山火山灰2流动度比为102%，长白山火山灰3流动度比为96%。表明不同种类的火山灰质材料流动度比差别比较大，例如浮石粉和沸石粉的流动度比相对小很多，因此针对不同种类的天然火山灰质材料，根据试验结果规定了不同的指标值。其中，磨细火山灰流动度比应≥85%，磨细玄武岩、安山岩、凝灰岩流动度比应≥90%，浮石粉流动度比应≥85% 。

为分析流动性差异的原因，对不同种类天然火山灰质材料进行扫描电境的形貌观察( 见图1) 。由图1可见，浮石粉微观形貌主要是棒状微观多孔结构，因此流动性较差; 磨细玄武岩和安山岩的微观形貌主要是颗粒状; 有关文献表明沸石粉的微观结构为多孔架状结构。微观颗粒形貌的差别决定了不同种类天然火山灰质材料的流动度比的不同。

（3）活性指数

本标准在确定该指标时，主要考虑两个原则:①指标不能定的过高，以有利于天然火山灰的综合利用;②指标不能定的过低，以避免对混凝土的性能造成较大影响，同时由于天然火山灰需要粉磨，如果活性过低，对整个工程成本控制也不利。《用于水泥中的火山灰质混合材料》规定，火山灰质混合材料水泥胶砂28d抗压强度比≥65.0%;《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》规定，水泥活性混合材料用粉煤灰强度活性指数≥65.0% 。部分天然火山灰质材料7，28d活性指数如下: 某Ⅱ级粉煤灰为64%，83%;磨细玄武岩为61%，68%;磨细安山岩为59%，69%;沸石粉为56%，99%;浮石粉71%，73%;长白山火山灰1为69%，76%;龙陵浮石粉为58%，63%;龙陵凝灰岩为75%，82% ;凝灰质泥岩为46%，52%。大部分天然火山灰质材料均能满足要求。在参考相关标准及试验结果的基础上，本标准确定的7d活性指数≥50%，28d活性指数≥65% 。

（4）烧失量

对于人工火山灰，未燃尽炭含量的多少决定了烧失量的大小。标准编制组选择了部分有代表性的天然火山灰质材料进行烧失量试验，结果为:玄武岩火山灰烧失量为0.94%，安山岩火山灰为1.78%，瑞丽火山灰岩为0.32%，吉林浮石粉为2. 61%，腾冲火山灰为0.77%，龙陵浮石粉为6.69%，龙陵凝灰岩为1.98% 。结果表明:除浮石粉外，其他样品烧失量均较低。浮石粉烧失量高的原因可能跟其多孔疏松结构有关。《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》对拌制混凝土和砂浆用粉煤灰烧失量的规定: Ⅰ级≤5.0%，Ⅱ级≤8.0%，Ⅲ级≤15.0%;《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》对各级矿渣粉烧失量统一规定≤3.0%。《用于水泥中的火山灰质混合材料》规定:人工火山灰质混合材料烧失量≤10.0%，未对天然火山灰作出规定。本标准根据试验结果，在参照《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》Ⅱ级粉煤灰指标的基础上，规定烧失量≤8% 。

（5） SO3

几种天然火山灰质材料样品SO3含量如表1所示。结果表明，天然火山灰质材料的SO3含量均很低。本标准中参照《用于水泥中的火山灰质混合材料》规定，确定天然火山灰质材料SO3含量≤3.5% 。

（6）氯离子

含量一般天然火山灰本身不含氯离子或含量极少。通过标准编制组对几种天然火山灰化学成分分析，均未测出含有氯离子。但考虑到天然火山灰在粉磨过程中，生产厂家可能会掺入不同的助磨剂，有些种类助磨剂含有氯离子成分，从而给天然火山灰质材料产品引入氯离子，不利于混凝土结构的耐久性。因此在该标准送审稿审查会中，根据审查会专家建议，引入氯离子含量的指标，并规定氯离子含量≤0.06% 。

（7）碱含量

部分天然火山灰质材料样品的碱含量检测结果中，Na2O，K2O在各试样中的含量如表1所示。可以看出，天然火山灰质材料碱含量较高。

为验证其是否可能发生碱骨料反应，选定了几种火山灰质材料与潜在碱活性骨料进行了碱骨料反应试验，试验结果如表2所示。按《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》JGJ52—2006中的砂浆长度法进行试验。

从表2可以看出，天然火山灰质材料的碱含量虽然比较高，但并不会引起水泥砂浆或混凝土发生碱骨料反应，而且对碱骨料反应具有明显抑制作用。因此本标准对碱含量作如下规定: 按Na2O+0.658K2O计算值表示，其值由买卖双方协商确定。

3 结语

天然火山灰质材料包含种类较多，本标准中主要涵盖了火山灰或火山渣、沸石、浮石、凝灰岩、玄武岩、安山岩，其他未涵盖进来的天然火山灰质材料在目前工程应用较少，待技术条件成熟后，可在以后的修订中逐步列入。不同种类的天然火山灰质材料个别性能指标存在较大差异，因此标准中针对个别指标，按不同种类分别作了规定。希望本标准的制定能为天然火山灰的开发利用起到积极促进作用。随着技术的发展和进步，标准也将与时俱进，有关技术要求也会得到不断补充和完善。

参考文献

［1］冯乃谦．天然沸石混凝土应用技术［M］．北京:中国铁道出版社，1996.
［2］中国建筑材料科学研究院，长江科学院．GB / T1596—2005用于水泥和混凝土中的粉煤灰［S］．北京:中国标准出版社，2005.
［3］中国建筑材料科学研究总院． GB / T18046—2008用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉［S］．北京:中国标准出版社，2008.
［4］中国建筑材料科学研究院． GB / T2847—2005用于水泥中的火山灰质混合材料［S］．北京: 中国标准出版社，2006.

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