摘 要： 介绍了开发的天然珍珠岩的一种新的工业用途———高性能混凝土掺合料，并用实例阐述了珍珠岩制成高性能混凝土掺合料的工艺方法和在高性能混凝土中应用的良好效果，即这种掺合料有助于混凝土工作度、后期强度和耐久性等技术性能提高，同时能降低混凝土成本，取得明显的经济效益，并适于可持续发展的“绿色”建材方向。
关键词： 珍珠岩 高性能混凝土 掺合料 应用
天然珍珠岩属流纹岩类，是一种火山喷出的酸性玻璃质熔岩，因广泛具有珍珠裂隙构造而得名。目前工业上利用的是膨胀珍珠岩[1 ] ，是由天然珍珠岩经热处理膨胀而制成的一种轻质高效能保温绝缘材料，主要用于建筑工业作灰泥砂浆、混凝土的集料，也可用于其它方面的填充料或配料组份。因此， 工业上对珍珠岩矿石的质量评价最主要的指标，是其膨胀性能。
我国分布有众多的珍珠岩资源，但其膨胀性能大多数较差，因而工业上作为轻质保温绝缘材料的应用价值不大。作者选取江西省金溪县浒湾镇的天然珍珠岩，研究其磨细粉用于高性能混凝土中作掺合料的应用，实验结果表明:珍珠岩磨细粉是高性能混凝土的优质掺合料，它具有较高的火山灰活性，可在高性能混凝土中适量替代高标号水泥，并使混凝土最主要的性能———工作度、后期抗压强度和耐久性有所提高。这为天然珍珠岩(特别是膨胀性较差的珍珠岩) 在工业应用上，开辟了新的领域，同时也为当前日益发展的高性能混凝土提供了一种物美价廉的必备原料组份———掺合料。其经济意义在于掺合料替代部分水泥，降低了混凝土生产成本，并且有着促进“绿色”建材发展的社会效益[2 ] 。
1 珍珠岩特征
产于江西金溪的天然珍珠岩，呈红色，玻璃光泽，断口呈参差状或锯齿状，偶见贝壳状；其密度较小，手感较轻，这与其含气孔有关，气孔多为微孔状或细孔状。珍珠岩以玻璃质结构为主，还有雏晶结构、玻基斑状结构，其中斑晶含量5 %～20 %不等， 基质部分具有流纹构造。岩石为块状构造，产于早白垩( K1) 酸性火山岩地层中。
珍珠岩化学成份全分析结果(wt %)： SiO2 ， 6189 ； Al2O3 ， 10151 ； Fe2O3 ， 2148 ； MnO ， 0104 ； Na2O ， 0180 ； K2O ， 8125 ； TiO2 ， 0107 ； CaO ， 0112 ； MgO ，0106 ；P2O5 ，0103 ；H2O ，0131 ；Loss ，0164 。
2 珍珠岩掺合料制作加工
珍珠岩加工制成高性能混凝土掺合料的工艺方法较简单，主要有以下二个过程。
2.1 珍珠岩破碎研磨成细粉
天然珍珠岩用机械逐级破碎成细粒(粒径< 5mm) 后，进入干式研磨。研磨工艺可采用水泥生料或熟料研磨工艺设备，即筒式球磨机，也可选用振动磨、搅拌磨、雷蒙磨、对辊磨、气流磨或离心磨等。珍珠岩含一定量微细气孔， 有益于研磨成细粉体。无论何种研磨工艺，珍珠岩粉体技术指标均以细度表示，即按水泥细度检测法检验：80μm 方孔水筛余量< 5 % ，相当于45μm 方孔筛余量< 12 % ，还要求颗粒级配连续、合理。
2.2 添加、混匀激发剂
珍珠岩混凝土掺合料，由珍珠岩磨细粉添加少量无机化工产品作激发剂(钙型碱和硫酸盐配比混合物) 混合而成。激发剂的功效作用，是进一步促进珍珠岩粉中尽可能多的活性SiO2 参与二次水化反应，以形成更多的C2S2H 凝胶，提高混凝土强度和耐久性。激发剂可在珍珠岩磨成细粉后添加混匀，也可在混凝土配料、搅拌过程中与水泥、珍珠岩粉一起共同加入混匀。
3 珍珠岩掺合料对混凝土性能的影响
3.1 高性能混凝土原材料
水泥：江西水泥厂产万年青牌P.O.525 # R 型水泥；
砂：中粗河砂，μf = 2.61 ；
石：石灰岩碎石，最大粒径25mm ，压碎指标值σ= 714 ；
高效减水剂：湛江外加剂厂产FDN 粉剂；
掺合料：珍珠岩粉掺合料，细度为80μm 方孔水筛筛余量2.2 %。
3.2 高性能混凝土配合比
按表1 所列，配制强度等级为C50～C80 的高性能混凝土。
3.3 珍珠岩掺合料对高性能混凝土性能的影响
表1 中各配合比混凝土最主要性能指标———工作度和抗压强度测定值，见表2 。从中可知珍珠岩掺合料的作用: ①可在C50～C80 高性能混凝土中，等量替代高标号水泥10 %～40 %； ②适量替代水泥，可使混凝土工作性能不同程度地提高； ③适量替代水泥会使混凝土早期(3 天) 强度稍降低，大体上是随着掺量增大而降幅变大；但会使混凝土晚期(28 天) 和后期(91 天) 强度提高，其中掺入15 %时的混凝土强度增幅最大，分别可达26 %和34 %。
综上所述，珍珠岩掺合料具有较高的火山灰活性[3 ] ，其上述指标与国内优质天然资源掺合料——— 沸石粉相近[4 ] ，足以显示珍珠岩用作高性能混凝土优质掺合料的可行性和优越性。
4 掺合料在混凝土中的作用
4.1 掺合料提高混凝土性能的机理
掺合料(也称矿物外加剂) 在高强、高性能混凝土中，主要有四方面作用。首先是滚球润滑作用：由于其颗粒比水泥细，增加了水分子与水泥颗粒之间的过渡粒级，在混凝土拌合物中有滚球润滑作用，改善了混凝土拌合物的工作性；其次是微集料作用：高强混凝土中胶凝材料用量大，其中相当部分不能完全水化而起微集料作用；再次是填充作用：掺合料普遍很细，能填充混凝土中更细小孔隙的空间使混凝土更密实，因而提高了其强度、抗渗性、抗冻性和抗腐蚀性，降低了干缩和徐变；最后是最重要的火山灰反应：掺合料是潜在的水硬性胶凝材料，在水泥水化产物Ca (OH) 2 或(和) CaSO4 作诱发剂环境中发生火山灰反应，将Ca (OH) 2 晶体大量置换为C2S2H 凝胶，改善了水化物的组成，强化了骨料与水泥基体界面过渡区的微结构[5 ] ，提高了混凝土强度和耐久性。另外，掺合料使混凝土凝硬过程中水化放热低，也有利于制备高性能混凝土。
4.2 开发应用掺合料的社会经济效益
在混凝土中使用掺合料，最初目的是为了处理工业废料和利用天然资源，并节约水泥、降低成本。随着对掺合料在混凝土中作用机理的深入研究，人们逐渐认识到掺合料也是配制优质混凝土不可缺少的原材料。掺合料可等量替代部分水泥形成的复合胶凝效应，能显著提高混凝土强度和耐久性，除硅灰以外其它掺合料的生产成本均低于水泥，所以配制混凝土用掺合料在技术性能和经济效益上有明显优势，这也是当今国际上混凝土技术发展趋势之一。我国建筑技术的迅猛发展，对高强、高性能混凝土的需求正在日益增长，掺合料的研究开发方兴未艾，其市场需求也随之不断扩大。国内沿海地区常年从东南亚等地进口大量掺合料，以满足建筑土木工程所需，其到岸价约35 美元/ t 。
作为混凝土主要原料的水泥，是一种不可持续发展的产品。生产水泥的企业排放大量粉尘、有害气体和主要温室效应气体CO2 ，导致地球生态环境受极大危害。随着人类对生存环境的日益重视，水泥工业的发展必将受限制，高强、高性能混凝土用大量掺合料代替水泥熟料，将是一条解决混凝土发展与环境保护矛盾的出路。吴中伟提出“绿色”高性能混凝土中磨细矿物掺合料，而不是熟料水泥，将成为最大的胶凝组份。
5 开发掺合料的技术要领
无论是开发工业废料，还是天然岩石矿物资源用作高强、高性能混凝土掺合料，都应解决以下方面的技术问题，其中最后一项是可供选择的。
5.1 选择原料
首要考虑其火山灰活性强弱大小， 优先选用活性强者； 其次，原料质量稳定和数量较多，是保证掺合料普及推广应用的前提。若用天然岩石矿物为原料，应尽量选择储量大、玻璃质比例高且具多孔结构、化学成份SiO2 + Al2O3 含量高的火山岩，如沸石岩、珍珠岩等。
5.2 研磨粉体
除硅灰外，其它各类原料粉煤灰、矿渣、沸石岩、珍珠岩等都须经过加工研磨成超细粉体，才能充分地发挥其火山灰活性而成为优质掺合料。从理论上讲，颗粒越细其活性越强，对混凝土增强效果越大。但从工业生产经济效益考虑，研磨过细，能耗大、成本高，因此，较合理的研磨粉体粒径宜绝大部分小于45μm ， 即粉体用45μm 筛余量< 10 %或用80μm 筛余量< 5 %作为检验合格标准。
5.3 研究开发掺合料之激发剂
掺合料必须在一定激发剂环境中，方可发挥其潜在的水硬性胶凝性能。在掺合料掺量较少时，尚可借助于水泥水化产物Ca (OH) 2 和石膏作为激发剂发挥火山灰效益；但在大量掺入掺合料的情况下，则上述水泥内部的激发剂在数量和效果方面都显得不足。因此，研究开发更高效的激发剂是应用掺合料的关键。
5.4 热处理养护
在有条件的混凝土预制构件或制品厂，采用高温湿热养护方法可使掺合料混凝土性能进一步提高，湿热环境可促使掺合料二次水化反应加速、充分地进行，更好地发挥其潜在的水硬性胶凝性能。
6 结论
珍珠岩研磨成细粉，添加少量无机化工产品作激发剂组成高性能混凝土掺合料，其理论依据充分， 技术性能优越，生产工艺较简单，应用前景广阔，经济、社会效益明显。
参考文献
1 田煦等主编1 非金属矿产地质学1 武汉:武汉工业大学出版社， 1991
2 吴中伟1 绿色高性能混凝土———混凝土的发展方向1 混凝土与水泥制品，1998 (3) :3～6
3 阎培渝、姚燕主编1 水泥基复合材料科学与技术1 北京:建材工业出版社，1999
4 冯乃谦编著1 高性能混凝土1 北京:建筑工业出版社，1996
5 喻乐华1 混凝土集料界面与强度关系的界面理论分析1 华东交通大学学报，1999 (4) :14～19
