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鄭州中天建筑節(jié)能有限公司
火山灰水泥
天然或人工含有以活性氧化硅、活性氧化鋁為主的礦物質(zhì)材料，經(jīng)磨成細(xì)粉后與石灰加水混合，不但能在空氣中硬化、而且能在水中繼續(xù)硬化者，都稱為火山灰質(zhì)混合材料，具有玻璃相和微晶相的兩重性質(zhì)。最初火山灰是指火山爆發(fā)噴出地面的巖漿，因地面溫度低、壓力小而聚冷生成的玻璃質(zhì)物質(zhì)，后人們發(fā)現(xiàn)在石灰中摻入火山爆發(fā)時噴出的“火山灰”后，不但能在空氣中硬化，而且也能在水中硬化，獲得與一般水泥相似的水硬性質(zhì)。這說明火山灰質(zhì)混合材料是一種活性混合材，它可以作為硅酸鹽水泥的混合材料，制成火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥和粉煤灰硅酸鹽水泥
中文名
火山灰水泥
主要成分
活性氧化硅、活性氧化鋁
性 質(zhì)
玻璃相和微晶相
類 型
礦物質(zhì)材料
目錄
1. 1 分類
2. 2 原理
3. 3 特性
4. 4 應(yīng)用
5. 5 鑒定
分類
混合材的化學(xué)成分及種類
真正的火山灰基本上是由少量晶質(zhì)礦物嵌入大量玻璃質(zhì)中所形成的，玻璃質(zhì)或多或少的因風(fēng)化而變質(zhì)，其多孔性有似凝膠，具有大量的內(nèi)比表面積，其中除含可溶性SiO2外，還含相當(dāng)數(shù)量的可溶性的Al2O3。
火山灰化學(xué)成分的波動范圍：45～60%SiO2；15～30%Al2O3+Fe2O3；15%左右CaO+MgO+R2O（雜質(zhì)）；10%左右燒失量。
火山灰質(zhì)混合材料的活性來源是其中的活性SiO2和活性Al2O3對石灰的吸收。所以，按其活性的大小，可分為三類：
1）含水硅酸質(zhì)混合材料：以無定形的SiO2為主要活性成分，含有結(jié)合水，形成SiO2·nH2O的非晶體質(zhì)礦物。與石灰的反應(yīng)能力強(qiáng)，活性好。但拌和成漿時的需水量大，影響硬化體性能，且干縮較大。
2）鋁硅玻璃質(zhì)混合材料：除以SiO2為主要成分外，還會有一定數(shù)量的Al2O3和少量的堿性氧化物（Na2O+K2O）,它是由高溫熔體經(jīng)過不同程序的急速冷卻而成。其活性決定于化學(xué)成分及冷卻速度，并與玻璃體含量有直接關(guān)系。
3）燒粘土質(zhì)混合材料：活性組分主要為脫水粘土礦物，如脫水高嶺土（Al2O3·2SiO2）其化學(xué)成分以SiO2和Al2O3為主，其Al2O3含量與活性大小有關(guān)。
原理
火山灰水泥
水化硬化過程及建筑性質(zhì)
在硅酸鹽水泥熟料中，按水泥成品質(zhì)量均勻地加入20～50%的火山灰質(zhì)混合材料，再按需要加入適量石膏磨成細(xì)粉，所制成的水硬性膠凝材料就稱為火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥（簡稱火山灰水泥）。按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)，火山灰水泥的強(qiáng)度等級有：32.5、32.5R；42.5、42.5R；52.5、52.5R。
火山灰水泥的水化、凝結(jié)、硬化過程主要是把熟料的水化及混合材與Ca(OH)2的反應(yīng)相聯(lián)系起來。火山灰水泥加水后，首先是硅酸鹽水泥中的熟料水化，生成Ca(OH)2，成為同火山灰質(zhì)混合材料產(chǎn)生二次水化反應(yīng)的激發(fā)劑；火山灰質(zhì)混合材中高度分散的活性氧化物吸收Ca(OH)2，進(jìn)而相互反應(yīng)而形成以水化硅酸鈣為主體的水化產(chǎn)物，即水化硅酸鈣凝膠和水化鋁酸鈣凝膠。實(shí)際上，火山灰水泥的兩次水化反應(yīng)是交替進(jìn)行的，而且彼此互為條件、互相制約，并不是簡單孤立的。如：由于產(chǎn)生了二次反應(yīng)，在一定程度上消耗了熟料水化的生成物，即，液相中的Ca(OH)2與活性的SiO2和Al2O3發(fā)生二次水化反應(yīng)，形成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，由此使其濃度降低（堿度降低），因此，反過來又促使熟料礦物繼續(xù)水化，如此反復(fù)進(jìn)行，直到反應(yīng)完全為止。
反應(yīng)式如下：
（熟）xCa(OH)2+（火）SiO2+(n-1)H2O=xCaO·SiO2·nH2O
（1.5～2.0）CaO·SiO2·aq+SiO2=（0.8～1.5）CaO·SiO2·aq
3CaO·Al2O3·6H2O+SiO2+mH2O=xCaO·SiO2·mH2O+yCaO·Al2O3·pH2O
特性
由于火山灰質(zhì)水泥的熟料相對減少，水泥的水化速度和水化熱都較低，但總的硅酸鈣凝膠數(shù)量比硅酸鹽水泥水化時還多，故后期強(qiáng)度有較大的增長。此外，普通水泥在水化過程中如遇水分不足，使Ca(OH)2長期受到CO2的作用而生成CaCO3，就會使水泥水化物分解而破壞水泥石的結(jié)構(gòu)。這種水泥石表面起霜，大氣穩(wěn)定性較差，而加入火山灰質(zhì)混合材料后，可以使水泥具有較好的抗溶出性腐蝕。
從火山灰水泥的水化硬化過程可知，它的建筑性質(zhì)在不少方面是和礦渣水泥比較接近的。
從物理性質(zhì)上比較，基本與礦渣水泥相同:如比重小、水化熱低、耐硫酸鹽侵蝕性比較好，與礦渣水泥一樣，火山灰水泥的抗凍性差，早期強(qiáng)度低，但后期強(qiáng)度增長大，需要較長時間的養(yǎng)護(hù)。但是，火山灰水泥的特殊點(diǎn)就是需水量大，這是由于混合材是多孔細(xì)顆粒物質(zhì)的原因，標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量隨混合材摻加量增加而增加。此外，干縮也比較大。所以應(yīng)用火山灰水泥時要注意用水量的問題。
應(yīng)用
火山灰水泥適用于地下、水中及潮濕環(huán)境的混凝土工程，不宜用于干燥環(huán)境，也不宜用于受凍融循環(huán)和干濕交替以及需要早期強(qiáng)度高的工程。
鑒定
用化學(xué)實(shí)驗(yàn)方法評定火山灰質(zhì)量是長期以來人們所注意的。一般采用的方法有：①石灰吸收法；②混合消石灰強(qiáng)度試驗(yàn)；③混合硅酸鹽水泥強(qiáng)度試驗(yàn)；④活性SiO2、Al2O3的測定等。但是由于火山灰本身沒有膠凝性，而只有在與石灰或水泥混合時才能發(fā)揮其作用，因此火山灰的試驗(yàn)很是復(fù)雜。有人提出火山灰的化學(xué)分析不能作為評定其活性的充分依據(jù)，也就是說化學(xué)實(shí)驗(yàn)法對于評定火山灰質(zhì)量沒有普遍價值，只能把它作為初步分級的方法。所以，后來曾又有人提出：認(rèn)為結(jié)合水量可以作為評定活性的依據(jù)；甚至還有人認(rèn)為，可以通過測定火山灰（粉煤灰）中SiO2+Al2O3+Fe2O3含量來評定活性。
關(guān)于火山灰活性以及其在酸中或堿中可溶性組分含量的相關(guān)關(guān)系，曾進(jìn)行過研究，但還沒有統(tǒng)一說法，國際會議提出需要制定一個可靠試驗(yàn)方法。
火山灰的活性
火山灰活性的大小，是決定新形成物相在硬化后可能顯示力學(xué)強(qiáng)度的一種征兆，即，是酸性硅酸鹽在堿侵蝕下與氧化鈣反應(yīng)的結(jié)果。這個反應(yīng)形成的水化物相類似于熟料和高爐礦渣反應(yīng)所形成的新物相——水化硅酸鈣和含過量氧化鈣的鋁酸鈣。所以，火山灰質(zhì)反應(yīng)性（活性）的基本點(diǎn)可以被定義為：原始系統(tǒng)與產(chǎn)物系統(tǒng)之間的自由能差異，或者是由原始系統(tǒng)到產(chǎn)物系統(tǒng)活化能的大小?；鹕交屹|(zhì)反應(yīng)性的本質(zhì)由其特性即火山灰的組成與結(jié)構(gòu)所決定。
由于火山灰具有玻璃相和微晶相兩重結(jié)構(gòu)，這就可能使它具有很多開口孔結(jié)構(gòu)，因此易受侵蝕。事實(shí)上，這些孔隙允許化學(xué)物質(zhì)滲入，通過破壞和釋放SiO2、Al2O3及堿侵蝕的晶體結(jié)構(gòu)，使SiO2和Al2O3與氧化鈣發(fā)生化合反應(yīng)。即在堿性介質(zhì)里，玻璃質(zhì)遭受了一個使硅酸鹽和鋁酸鹽離子進(jìn)入溶液的水解過程，與Ca2+和Mg2+離子形成了溶解度非常低的生成物相，如各種硅酸鹽、鋁酸鹽。它們的沉淀促進(jìn)了其它硅酸鹽和鋁酸鹽離子進(jìn)入溶液的過程，因此水解反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，較之僅僅由水作為侵蝕劑時所發(fā)生的情況有所不同。根據(jù)此最新的假設(shè)，經(jīng)過一定時間后，該系統(tǒng)即趨于平衡。
石灰－火山灰反應(yīng)機(jī)理
火山灰的最基本的性質(zhì)是它具有與石灰結(jié)合的能力，在解釋這一點(diǎn)時，曾提出兩個主要理論：堿交換與直接化合。
在很多早期文獻(xiàn)中都有這樣一種意見，認(rèn)為天然的火山灰都是一些沸石狀的化合物，并且它的許多性質(zhì)都是堿交換的結(jié)果。
后來許多學(xué)者發(fā)現(xiàn)將石灰－火山灰化合物，或?qū)⒒鹕交遗c硝酸鈣溶液一起振蕩時，會有少量堿溶出。有人將意大利火山灰和硅酸鹽水泥混合物放在40℃水中，結(jié)果8天后有占火山灰總堿量 的堿含量釋出等等。
表4-1 那不勒斯火山灰與石灰的溶液反應(yīng)
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材料
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時間（天）
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CaO含量
（克∕100克原料）
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Na+K溶入量
（克∕100克原料）
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相當(dāng)于堿溶出量的CaO量（克）
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沸石
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28
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35.5
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6.36
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7.3
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凝灰?guī)r
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29
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34.3
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2.80
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2.4
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火山灰
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29
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0.88
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根據(jù)上述數(shù)據(jù)和X-射線觀察都說明主要反應(yīng)并不是堿交換反應(yīng)，而是生成了一些新的化合物。顯然堿交換對于天然火山灰和石灰的反應(yīng)只是起很小的作用，它能否對強(qiáng)度發(fā)展起作用，值得懷疑。在堿交換時，沸石化合物的晶格沒有任何變化，是一個堿離子被另外一個離子所代換，并進(jìn)入到晶格的同一位置上。這個反應(yīng)未必能起到膠凝作用，雖然它對于從硬化水泥中去除游離氧化鈣可能有好處，但普通火山灰（沸石）確實(shí)不表現(xiàn)膠凝性質(zhì)。
火山灰與石灰相結(jié)合的過程可以采用佛洛倫丁方法來測定。這種方法系基于火山灰不能溶于5℃以下的冷鹽酸中（比重=1.2）而石灰－火山灰的反應(yīng)產(chǎn)物則能溶于該溶劑中。
在石灰－火山灰混合物中，隨著齡期的增長，溶解的SiO2和Al2O3的數(shù)量也增多，這說明火山灰中這類成分能與石灰起反應(yīng)。
粉煤灰的火山灰效應(yīng)（即活性效應(yīng)）
粉煤灰中的SiO2、 A l2O3 等硅酸鹽玻璃體, 與水泥、 石灰拌水后產(chǎn)生堿性激發(fā)劑Ca ( OH) 2 發(fā)生化學(xué)反應(yīng), 生成水化硅酸鈣等凝膠,對砂漿起到增強(qiáng)作用。粉煤灰的活性效應(yīng)就是指粉煤灰活性成分所產(chǎn)生的這種化學(xué)效應(yīng)。如將粉煤灰用作膠凝組分, 則這種效應(yīng)自然就是最重要的基本效應(yīng)。粉煤灰水化反應(yīng)的產(chǎn)物在粉煤灰玻璃微珠表層交叉連接, 對促進(jìn)砂漿或混凝土強(qiáng)度增長 ( 尤其是抗拉強(qiáng)度的增長 )起了重要的作用。
常見的混凝土摻入物，礦渣等等，都具有該效應(yīng)。
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