摘 要

珍珠岩是一种火山喷发的酸性熔岩，经急剧冷却形成的玻璃质岩石，其内部结构处于无定形状态，具有一定的化学反应活性，但这些珍珠岩大多没有被利用，造成了极大的资源浪费。与此同时，随着我国基础建设规模不断扩大，对于高性能建筑材料的需求日益增加。然而，由于地区资源分配不均、偏远地区交通运输困难等客观原因，优质矿物掺合料相对稀缺。因此，以废弃珍珠岩粉做混凝土掺合料，既能实现废弃资源再利用，又能推进混凝土产业绿色可持续发展，具有相当重要的经济、社会及环保效益。

本文以废弃珍珠岩粉作为矿物掺合料取代部分水泥深入研究其在水泥基材料中的应用，并探究不同掺量及养护方式对珍珠岩-水泥胶凝体系水化进程、工作性能及物理力学性能的影响，并通过XRD、SEM等微观测试分析揭示珍珠岩粉在水泥基材料中作用机理。本文取得的主要研究成果如下：

（1）标准养护下，随珍珠岩粉掺量的增加，水泥浆体的标稠需水量增加，凝结时间较空白组缩短。相较于纯水泥浆体，珍珠岩粉掺量为5%、10%、20%、30%时，水泥浆体标稠需水量分别增加了4.9%、10.6%、17.3%、29.7%；初凝时间分别减少了11.3%、8.8%、5.0%、1.3%，终凝时间分别减少了9.0%、8.0%、6.6%、5.7%。

（2）标准养护下，随珍珠岩粉掺量的增加，水泥砂浆的流动度和抗压强度降低。相较于纯水泥砂浆，珍珠岩粉掺量为5%、10%、20%、30%时，砂浆流动度分别降低了2.5%、9.9%、22.2%、31.5%；28d的砂浆抗压强度分别降低了4.8%、12.4%、24.7%、25.8%。

（3）相较于标准养护，在温度为60℃、湿度为90%的养护条件下，砂浆的抗压强度有所提高，火山灰活性指数显著提高。珍珠岩粉掺量为10%、20%、30%时，28d的砂浆抗压强度分别提高了4.6%、30.6%、16.5%；28d的火山灰活性指数分别提高了18.6%、48.1%、32.1%。

（4）XRD、SEM等测试表明，珍珠岩粉的掺加，会使胶凝体系中水泥熟料含量减少，从而导致硬化水泥石中水泥水化产物较少，整体结构疏松，水泥石强度显著下降。60℃养护能让珍珠岩粉的火山灰效应充分发挥作用，促进水泥体系的早期水化，提高其早期强度。

关键词：珍珠岩粉；水泥基材料；养护条件；工作性能；物理力学性能

Abstract

Perlite is a volcanic eruption of acidic lava. The vitreous rock formed by rapid cooling has an internal structure in an amorphous state and has certain chemical reactivity. However, most of these perlites have not been utilized, resulting in great resources. waste. At the same time, as the scale of China's infrastructure continues to expand, the demand for high-performance building materials is increasing. However, due to the uneven distribution of regional resources and the difficulty of transportation in remote areas, high-quality mineral admixtures are relatively scarce. Therefore, the use of waste perlite powder as a concrete admixture can not only achieve the reuse of waste resources, but also promote the green sustainable development of the concrete industry, with considerable economic, social and environmental benefits.

In this paper, the use of waste perlite powder as a mineral admixture to replace part of the cement is studied in the application of cement-based materials, and the hydration process, working performance and physical mechanics of perlite-cement gelling system with different dosages and curing methods are explored. The influence of properties and the microscopic test analysis by XRD and SEM reveal the mechanism of action of perlite powder in cement-based materials. The main research results obtained in this paper are as follows：

(1) Under the standard curing, with the increase of the amount of perlite powder, the water requirement of the standard thickening of the cement slurry increased, and the setting time was shorter than that of the blank group. Compared with pure cement slurry, when the amount of perlite powder is 5%, 10%, 20%, 30%, the water requirement of cement paste increases by 4.9%, 10.6%, 17.3%, 29.7%, respectively. The initial setting time was reduced by 11.3%, 8.8%, 5.0%, and 1.3%, respectively, and the final setting time was reduced by 9.0%, 8.0%, 6.6%, and 5.7%, respectively.

(2) Under standard curing, the fluidity and compressive strength of cement mortar decrease with the increase of perlite powder content. Compared with pure cement mortar, when the amount of perlite powder is 5%, 10%, 20%, 30%, the mortar fluidity is reduced by 2.5%, 9.9%, 22.2%, 31.5%; 28d mortar compressive strength They were reduced by 4.8%, 12.4%, 24.7%, and 25.8%, respectively.

(3) Compared with the standard curing, under the curing conditions of 60 ℃ and 90% humidity, the compressive strength of the mortar is improved, and the activity index of the volcanic ash is significantly improved. When the perlite powder content was 10%, 20%, 30%, the compressive strength of the 28d mortar increased by 4.6%, 30.6%, and 16.5%, respectively; the 28d volcanic ash activity index increased by 18.6%, 48.1%, and 32.1%, respectively. .

(4) XRD, SEM and other tests have shown that the addition of perlite powder will reduce the cement clinker content in the cementation system, resulting in less cement hydration products in the hardened cement stone, loose overall structure and significant decrease in cement stone strength. 60 °C curing can make the volcanic ash effect of perlite powder fully play, promote early hydration of cement system and improve its early strength.

Key Words：perlite powder；cement-based materials；maintenance condition；work performance；physical and mechanical properties

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景 1

1.2 课题研究目的及意义 2

1.3 国内外研究现状 3

1.3.1 国外研究现状 3

1.3.2 国内研究现状 3

1.4 本文主要工作 4

1.5 研究方法及技术路线 4

1.5.1 研究方法 4

1.5.2 技术路线 5

第2章 珍珠岩-水泥体系原材料及试验方法 6

2.1 原材料及性质 6

2.2.1珍珠岩粉 6

2.2.2水泥 8

2.2.3砂子 10

2.2.4拌合用水 10

2.2 试验方法 10

2.2.1 材料的制备 10

2.2.2 浆体性能测试 10

2.2.3 流动性测试 10

2.2.4 力学性能测试 10

2.2.5 微观性能测试 11

2.2.6 火山灰效应的量化指标 11

第3章 珍珠岩粉对水泥体系的影响 13

3.1 珍珠岩粉对水泥浆体性能影响 13

3.1.1 珍珠岩粉对水泥浆体需水量的影响 13

3.3.2 珍珠岩粉对水泥浆体凝结时间的影响 14

3.2 珍珠岩粉对水泥胶砂性能的影响 14

3.2.1 珍珠岩粉对水泥砂浆工作性能的影响 15

3.2.2 珍珠岩粉对水泥砂浆力学性能的影响 15

3.2.3 珍珠岩粉火山灰效应的量化分析 16

3.3 珍珠岩粉-水泥复合胶凝体系水化产物及微观结构分析 18

3.3.1 水化产物分析(XRD) 18

3.3.2 水化产物形貌分析(SEM) 20

第4章 养护条件对珍珠岩粉-水泥体系的影响 23

4.1 养护条件对水泥胶砂性能的影响 23

4.1.1 养护条件对水泥胶砂力学性能影响 23

4.1.2 珍珠岩粉火山灰效应的量化分析 24

4.2 养护条件对珍珠岩粉-水泥体系水化产物及微观结构分析 25

4.2.1 水化产物分析(XRD) 25

4.2.2 水化产物形貌分析(SEM) 26

第5章 结论与展望 28

5.1 结论 28

5.2 展望 28

致谢 29

参考文献 30

附录A 32

附录B 33

第1章 绪论

1.1 课题研究背景

混凝土是建筑工程领域中用途最广泛、用量最大宗的建筑材料之一，其原材料储量丰富，生产工艺简单，价格低廉^[1]；同时，混凝土可塑性能好，强度高，耐久性能好，服役地域分布广泛，不仅在土木工程中占据着越来越重要的地位，同时也广泛应用于工业、国防、交通、水利等许多重要国家支柱产业。随着我国基础设施、地铁管线工程、高铁建设等大型工程项目的推进，对混凝土的需求量逐步增加。2010年至今，我国混凝土产量增长速度较高，并在近几年逐渐稳定，其中，2018年全年我国商品混凝土产量达到了16.3亿立方，因而对混凝土原材料的需求量非常大。水泥是混凝土中最重要的原材料之一，在混凝土中有着无可取代的作用，是最主要的胶凝材料。作为水泥生产大国，我国每年生产的水泥总量占世界总产量60%左右，其中，2017年我国的水泥产量高达23.16亿吨，占世界水泥产量58.5%。在水泥的生产过程中消耗了大量的能源和自然资源，同时排放出大量的有害气体和粉尘。据统计，每生产1t水泥熟料大约需要消耗1.5t石灰石，同时消耗大量的石油、煤炭等自然资源和电能，在此过程中，还会排放约1t CO₂以及大量的氮、硫氧化物，这些排放物是造成温室效应及酸雨现象的最大元凶，大大增加环境负荷并对自然环境及人身健康形成极大威胁^[2]。因此，及时采取有效措施控制水泥的落后产能、降低水泥工业对环境所造成的不利影响，对于国家经济的健康可持续发展、人民群众的身心健康以及人与自然环境的和谐共存有着深远的意义^[3]。

与此同时，随着混凝土行业的快速发展，每年大量的石子和砂子被用于混凝土的生产，而江、河中的天然砂由于储量有限，很难满足规模日益增大的建筑工程的需求，且直接破坏了自然环境及其景观并影响了江河的走势及河流中的水质。随着我国对环境保护事业的日渐重视，许多地方已经颁布相关法律法规，来限制在江河中挖掘砂石，在河砂储量有限的情况下，其价格也在不断快速上涨。另一方面，由于天然砂在我国的资源分布不均衡，也导致了天然砂供不应求、价格不断上涨，再加上天然砂运输困难，目前我国很多地区已经开始研究利用当地的岩石资源或者工程废弃的废石生产人工砂，取代天然砂，成为砂石的主要来源之一。但在生产碎石或人工砂时，会不可避免的产生石粉，根据国内外生产人工砂的基本情况，每吨矿石平均产生0.15~0.2吨左右的石屑，经破碎产生的人工砂石粉含量平均为10%~20%，这些石粉也会影响混凝土的性能。同时，大量的石材厂每年也会产生很多废弃石屑、石粉，如此大量的石屑、石粉大多被随意填埋或堆置，不但占用宝贵的土地资源、降低土壤质量，还会污染环境、浪费资源。另外，随着我国工业化的不断发展，各种尾矿、煤矸石、粉煤灰等工业废弃物的排放量也与日俱增。如果能将如此大量的废弃石粉用作矿物掺合料，取代水泥配制成混凝土，不仅能够减少水泥用量，降低生产成本，还能改善混凝土的工作性能、力学性能以及耐久性能，具有巨大的经济效益和环境效益^[4]。