吉林建筑大学材料科学与工程学院 吉林长春 130000
摘要：通过将不同粉磨时间不同掺量的火山渣取代P·O水泥，测出胶砂试块的强度。选取40min分钟火山渣水泥胶砂实验在不同温度下养护8小时，探究养护温度对火山渣活性的激发作用，并与同条件蒸养下矿渣作对比。结果表明：提高粉磨时间对火山渣在水泥胶砂中活性具有提升作用，高温养护可以提前激发出火山渣活性，促进二次火山灰反应，提前得到了一定强度的掺火山渣水泥胶砂试块。在80度蒸养8小时条件下火山渣活性没有矿渣高。
关键词：火山渣；粉磨时间；活性；胶砂强度；高温蒸养
前言
水泥作为一种使用历史上百年的水硬性无机胶凝材料，具备非常优良的特性和稳定性，生产施工技术都相当成熟，使用方便，在建筑行业具有举足轻重的地位。但是水泥工业不仅是一个集能源、资源密集型的工业，还是环境污染主要的贡献者。
为了响应我国碳中和的节能减排号召，亟待找到一些原料取代一部分水泥，以减少水泥用量。目前作为活性混合材的矿渣、粉煤灰都有已经成为资源在使用，但是对我国储量巨大的火山渣还没有足够的研究。火山渣为火山喷发时喷出的岩浆，由于气体作用发生膨胀后形成的多孔岩石，表面呈蜂窝状，玻璃体结构。
国内外研究人员针对火山渣主要应用在混凝土骨料，轻质保温材料等方面，例如：王铮等人利用火山渣作为轻骨料在混凝土自保温砌块中的作用，并经过创新设计最终得到既满足MU10.0砌块强度，又提高防火、自保温性能的砌块[1]；黎蔚诗等人研究了天然火山渣作为轻骨料在混凝土制备和性能影响的研究[2]；对于火山渣在混凝土中应用目前较多[3-5]。目前对于火山渣活性的研究也在逐渐增多，董刚等人实验证明，经过不同粉磨时间和不同化学激发处理能提高火山渣的活性[6]；杨雪松等人通过对火山渣粉磨特性和活性进行研究，表明其活性随着比表面积增大而增加[7]。
综上，对火山渣在高温下的活性研究还较少。所以本文通过利用不同粉磨时间的火山渣以不同比例替代等质量水泥，并对胶砂试块进行不同温度高温蒸养，再对同配合比，同温度条件下矿渣蒸养作对照。通过试块强度来探究火山渣高温下的活性以及在水泥中的作用。
1试验
1.1原材料
（1）火山渣：试验用火山渣取自吉林省辉南县，火山渣粒径为4mm-10mm。火山渣化学组成见表1；
（2）水泥：吉林亚泰水泥有限公司生产的P·O 42．5水泥；
（3）河砂：颗粒粒径小于4.75mm；
（4）水：实验室自来水；
（5）矿渣：S95级，化学成分见表1。
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1.2试验方法
（1）水泥胶砂实验、强度按照《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》（GB/T17671-1999）进行制备、测试；火山渣粉使用实验室用5kg标准球磨机通过3kg填料量粉磨30min、40min、50min；试件尺寸使用：40mm×40mm×160mm，标准养护条件下养护和使用混凝土加速养护箱进行高温养护。
表2 火山渣比表面积
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（2）配合比设计：基准配合比为m（河砂）：m（水泥）：m（水）=6：2：1，水泥为450g。在基准配合比上，用不同粉磨分钟数的火山渣粉等质量替代水泥的10%、20%、30%、40%。
表3 火山渣/矿渣水泥胶砂实验方案表
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1.3高温蒸养
考虑到实际生产应用，我们采取将胶砂试块24h小时后脱模立即放入混凝土加速养护箱进行8h养护，温度分别设置为40℃、60℃、80℃，蒸养后测试抗折抗压强度。以探究不同温度条件下蒸养对火山渣活性的激发作用。
1.4水泥胶砂强度测试
按照设计的配合比进行胶砂成型。参照《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》（GB/T17671-1999）标准测试方法进行测试，利用水泥全自动抗折抗压一体机测试不同龄期的水泥胶砂抗折抗压强度。
2结果与分析
2.1标准养护条件下火山渣-水泥胶砂的强度
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图1 28天抗压强度
图1为掺不同粉磨时间不同掺量火山渣的水泥胶砂试块28天抗折抗压强度。可以看出，随着火山渣掺量的增加，其抗压抗折强度均逐渐降低。图1中掺加30min、40min、50min火山渣实验组28天抗压强度均低于42.5MPa。当火山渣掺量超过20%时28天胶砂抗压强度下降趋势更快，少于20%时变化不明显。其原因在于当火山渣掺量较小时，水泥水化产生的Ca（OH）2会破坏火山渣颗粒表面结构，激发火山渣发生二次火山灰反应，并在碱性环境中与火山渣生成一定量的C-S-H凝胶，密实胶砂空隙，提高胶砂试块强度。从数据看出，当火山渣掺量超过20%时，胶砂试块强度明显下降。主要因为随着火山渣掺量的增加，水泥用量的减少，生成的Ca（OH）2量减少并且环境碱性不够不足以激发火山渣生成更多的C-S-H凝胶，不能充分密实空隙。多余的火山渣作为惰性填料在胶砂体系中，成为裂纹扩展源头，使得胶砂试块抗压抗折强度降低。
对比火山渣粉磨时间可以看出30min火山渣水泥胶砂试块强度最低，40min、50min强度明显提升。从物理效应看，因为随着粉磨时间增加，颗粒粒径变小的同时，也破坏了火山渣的玻璃体结构，导致晶体结构发生变化，表面形成更多无定型或非晶态物质，使得火山渣活性提高。同时，随着火山渣细度增加，比表面积增加，火山渣与水泥接触面积增加，反应更加充分，能更快的激发火山渣的二次火山灰效应。使得体系里面生成更多的C-S-H凝胶，提高强度。粉磨时间为30min、40min、50min的火山渣胶砂强度28天强度比为42.5级标准强度的0.54、0.73、0.79。可以看出40min、50min的火山渣对28天胶砂试块强度提升明显但是胶砂强度差别不大，30min火山渣活性对水泥胶砂强度提升明显不足。可以看出对火山渣粉磨30min不足以有效激发火山渣活性，从环保角度出发对火山渣进行50min粉磨的效益不高，所以对火山渣粉磨时间40min具有非常重要的参考价值，综上所述，随着火山渣取代量的增加对水泥胶砂强度会有所降低，但是火山渣粉磨时间对火山渣活性有提高作用。
2.2蒸养条件下火山渣-水泥胶砂的强度
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图2 抗折抗压强度
使用40min火山渣配方制作胶砂试块进行8h不同温度的蒸养，测出的强度对比42.5MPa同时对比标准养护条件下的28天胶砂试测试强度，如图2。可以看出，80℃时抗折强度超过6.5MPa，满足强度标准，并且直到掺量达到40%时仍能满足强度标准，80℃的蒸养温度相比于60℃和40℃对胶砂抗折强度提高更快。60℃和40℃的胶砂强度差别不大，说明80℃对火山渣活性激发最好。在火山渣掺量为20%时，胶砂抗折强度在40℃和60℃时最高，依次能达到28天抗折标准的75%、77%，不同粉磨时间火山渣抗压强度均在火山渣掺量20%时达到最高，说明此时水泥和火山渣反应充分，生成的C-S-H凝胶最多，随着火山渣用量增加，体系水泥生成的Ca（OH）2不足以与火山渣进行反应。
从火山渣胶砂抗压强度可以看出，随着养护温度的提升其不同热力下对试块强度提高的顺序是80℃>60℃>40℃，可见随着养护温度的提高，对胶砂强度的加速作用明显。其80℃时胶砂抗压强度明显高于其他组，当掺量高达30%时其强度仍能达到42.5水泥28天的68%。三组实验中当火山渣掺量在20%时各组抗折强度最高，其中80℃时达到42.5标准的74.2%。对比80℃时各掺量养护试块强度与同掺量标准养护条件下28天抗压强度比值为0.82、0.94、0.95、1.04，可见高温养护对火山渣水泥胶砂实验强度增加具有增速作用，并且当掺量达到40%时，高温养护8h强度可以超过标准养护强度。
2.3蒸养条件下矿渣-水泥胶砂的强度
在相同配方，相同实验方法的基础上，做了矿渣对照实验，其结果表明同火山渣组一样80℃时其抗折抗压强度增加最明显。对照80℃条件下两组实验的数值，如图3。此温度下矿渣测试强度均高于火山渣测试强度，抗折强度峰值均在30%时出现。其原因在于矿渣含有更多的钙，在碱性条件下，活性更大，矿渣分解形成的硅氧四面体，铝氧四面体比火山渣更多，生成的胶凝材料更多，使得矿渣水泥胶砂体系更加密实，强度更高。综上火山渣活性相较于矿渣更低。
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图3 80℃抗折抗压强度
3.结论
（1）对比了标准养护条件下火山取代水泥10%-40%的胶砂强度得出：胶砂抗压抗折强度随着火山渣掺量的增加而降低，火山渣粉磨时间40min最据参考价值，提高火山渣粉磨时间可以增加其活性。
（2）对40min火山渣胶砂实验进行蒸养的温度对强度促进作用依次是80℃>60℃>40℃。其中80℃对火山渣活性具有更好的激发作用，60℃和40℃对活性提高不明显。80℃蒸养8h时掺量为20%-40%的试块抗折强度均能达到28天42.5水泥标准。不同温度下火山渣掺量在20%时各组强度最高，其中80℃时达到标准的74.2%。并且达到了标准养护条件下同配方的94%。
（3）对比矿渣实验中，相同蒸养温度下火山渣抗折抗压强度均低于矿渣。说明矿渣活性较高于火山渣。
参考文献：
[1]王铮.新火山渣混凝土自保温砌块及其砌体强度研究[D].延边大学，2019.
[2]黎蔚诗.天然火山渣轻骨料混凝土的制备及性能研究[D].四川：西南交通大学，2018.
[3]张旭.火山渣混凝土复合自保温砌块的研究[D].江苏：扬州大学，2019.
[4]肖力光，李基恒，赵壮.火山渣全轻混凝土改性试验研究[J].新型建筑材料，2019，46（12）：25-27.
[5]范雪.高性能火山渣混凝土制备及研究[J].建筑技术开发，2019，46（21）：127-128.
[6]董刚，任雪红，张文生，等.火山渣的活性研究[J].新型建筑材料，2021，48（1）：54-56，63.
[7]杨雪松，庞彪，夏京亮.肯尼亚天然火山灰质材料粉磨特性和活性研究[J].路基工程，2020（6）：29-33.
基金项目：
吉林省省级大学生创新创业项目编号：201910191054