关于混凝土中掺和料活性的推断探讨

关于混凝土中掺和料活性的推断探讨

摘要矿物掺和料是混凝土中的重要组成部分，但作为工业废料，对其活性的来源一直没有深入研究，本文借助玻璃的生产工艺，推理论证，分析了掺和料活性的来源，并进一步指出，砖瓦等废料同样可以发挥作用，为节能减排提供理论依据。

关键词水泥；粉煤灰；矿粉

前言

水泥加水搅拌后成浆体，能在空气中硬化或者在水中更好的硬化，并能把砂、石等材料牢固地胶结在一起。这是纯水泥发生的化学反应，但工程上还经常在水泥里掺加工业废料——粉煤灰和矿渣粉作为掺和料，作用是什么呢？

1 掺和料的作用

我们常用的掺和料是粉煤灰和矿渣粉。

粉煤灰，是从煤燃烧后的烟气中收捕下来的细灰，粉煤灰是燃煤电厂排出的主要固体废物。粉煤灰外观类似水泥，颜色在乳白色到灰黑色之间变化。粉煤灰的颜色是一项重要的质量指标，可以反映含碳量的多少和差异。在一定程度上也可以反映粉煤灰的细度，颜色越深粉煤灰粒度越细，含碳量越高。我国火电厂粉煤灰的主要氧化物组成为：SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO、TiO2、MgO、K2O、Na2O、SO3、MnO2等，此外还有P2O5等。其中氧化硅、氧化钛来自黏土、岩页；氧化铁主要来自黄铁矿；氧化镁和氧化钙来自与其相应的碳酸盐和硫酸盐。

矿渣，是高炉炼铁产生的水渣，矿渣粉是高炉水渣通过细磨后，达到相当细度且符合相当活性指数的粉体[1]。作为掺和料的粉煤灰和矿渣粉，其主要作用是火山灰效应、形态效应、微集料效应、界面效应。火山灰效应也就是二次水化反应，也就是掺和料中的SiO2、Al2O3等潜在活性物质与碱性物质或石膏反应生成水化硅酸钙和水化铝酸钙是具有水硬性的产物：

可以看出，发挥火山灰作用的是活性二氧化硅和活性三氧化二铝，而且需要氢氧化钙和水分作用才能反应。二氧化硅和三氧化二铝是都是稳定的晶体材料，而晶体材料化学性质是很稳定的，比如鹅卵石就是二氧化硅为主的材料，被认为是自然界着最稳定的材料之一，怎么又有活性了呢？

2 掺和料为什么会有活性？-由钢材冷却工艺受到的启发

在现实生产过程中，钢件本身的性能往往无法达到预期的要求。在一定范围内，钢水在冷却过程中工件内部显微组织会发生相变。冷却速度大小的控制对显

微组织的定向改变起着至关重要的作用。合理的控制冷却速度能得到所希望的组织，达到性能的要求[2]。冷却速度越大，相变所发生开始和结束的温度下降越明显，组织中铁素体的含量也就越少，晶粒会明显细化，强度和韧性方面有所改善。

实际生产中，同一铸件上，由于位置不同，冷却速度不同，铸铁的组织结构也不同壁厚处→冷速慢→ F基体的灰口铁→壁薄处→ 冷速快→ P基体的白口铁冷却是不是一个切入点呢？

粉煤灰在炉膛的燃烧尾气中处于熔融悬浮状态，大概1500度左右，瞬间排入大气中，急速冷却。矿渣在钢铁冶炼中也处于熔融状态，浮在铁水表面，定期排出时受到冷却水冲击，形成颗粒状。都是经过了一个激冷过程，是不是这个过程赋予了掺和料活性呢？

3 玻璃的启示

一次偶然的机会，我可能发现了：玻璃！对！就是玻璃。

玻璃的生产工艺也是二氧化硅等熔融后快速冷却，形成了我们常见的玻璃——要不快速冷却就会形成析晶，形成稳定晶体就不再透明了。玻璃的生产，需要快速冷却，而玻璃的主要成分，也是二氧化硅，与粉煤灰和矿粉的成分相似，也经历了相似的急速冷却过程！对玻璃的研究现在开展的比较多，这应该是我们揭开谜团的线索。

1150℃左右的玻璃液熔体，通过熔窑与锡槽相连接的流道、流槽，流入熔融的锡液面上，在自身重力、表面张力以及拉引力的作用下，玻璃液摊开成为玻璃带，在锡槽中完成抛光与拉薄，在锡槽末端的玻璃带已冷却到600℃左右，辊道的拉引把即将硬化的玻璃带引出锡槽，通过过渡辊台进入退火窑。熔体状态温度最高，空间粒子间的网格结构混乱，在快速冷却时，难以迅速归位，保留了原来的无序状和高能态结构，而缓慢冷却过程中，相关的粒子逐步稳定归位，形成晶体，结构稳定，内能最低。粉煤灰在熔融状态下排入大气，相当于最上“气相冷凝获得的無定形物质”，位能处于最高，理想晶体处于最低能态，也最稳定[3]。

4 不同结构的二氧化硅能态

无定型二氧化硅的活性分析玻璃和粉煤灰、矿粉中的二氧化硅都属于无定型二氧化硅，或是非晶态，因为快速冷却使得二氧化硅没有足够的时间进行结晶。可以看出，熔融的二氧化硅不同的冷却速度，形成不同的结构。

5 结束语

青砖、红砖和瓦片是用黏土在600～900℃的温度下烧制而成的。黏土的主要矿物成分高岭土（Al2O3·2SiO2·2H2O）经过800℃左右煅烧后，分解为无水偏高岭土（Al2O3·2SiO2），甚至部分分解为氧化铝（Al2O3）和无定形的二氧化

硅（SiO2），因而增加了黏土矿物的活性。把这种煅烧后具有活性的黏土作混合材，在水泥水化时析出的Ca（OH）2就会同活性的Al2O3和SiO2分别生成水化硅铝酸钙（3CaO·Al2O3·2SiO2·aq）和水化硅酸钙（CaO·SiO2·aq）及水化铝酸钙（mCaO·Al2O3·aq），从而产生一定的强度。正因为这样，在火山灰质混合材料中，青砖、红砖、瓦片均属于烧黏土一类的人工火山灰质混合材，只要青砖、红砖、瓦片等烧粘土质材料符合水泥生产中作为火山灰质混合材的技术条件，就可应用于水泥生产中。但对于煅烧温度低于600℃烧出的嫩火砖和超过900℃烧出的老火砖由于其化学活性很低，故不宜作活性混合材料使用。

参考文献

[1] 宋俊红.废玻璃处理以及资源化[J].黑龙江环境通报，2010，34（4）：68-70.

[2] 徐美君.国际国内废玻璃的回收和利用[J].建材发展导向，2007，（3）：55-59.

[3] 李湘洲.发达国家废玻璃回收利用借鉴与经验[J].再生资源与循环经济，2012，5（5）：41-44.