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机械球磨法对含珍珠岩粉作为辅助胶凝材料的

自密实混凝土输送性能的影响

摘要：本研究的目的是评估通过机械研磨法增加自密实混凝土中天然珍珠岩粉的比表面积对混凝土的影响。在建筑项目中使用SCC可以减少人力及设备需求，从而大大降低了人工成本和施工时间。SCC经常需要化学添加剂来达到工作性能要求。然而，在配合比中使用更大量的化学添加剂以及水泥材料会增加成本。加入廉价的天然火山灰作为水泥材料的替代品可以改善混凝土的工作性能和耐久性。此外，降低水化热和控制主要含有大量粉末材料的SCC混合物的收缩是天然火山灰的另一个好处。然而，当使用这些辅助材料时，天然火山灰的反应活性，特别是在早期，始终是一个问题。在该研究中，已经提出了几种方法来改善这些材料的反应活性。通过机械球磨法增加火山灰材料的比表面积是目前实施的最经济和有效的方法之一。该研究测量了不同水平的珍珠岩粉末（一种天然火山灰）的工作，力学和耐久性能。此外，测量和评价了增加珍珠岩粉末比表面积对混凝土性能的影响。根据该结果，由于反应活性增加，珍珠岩粉末的比表面积的增加提高了抗压强度和耐久性指数。这伴随着SCC混合物在工作性能和稳定性试验中性能的显著改善。

关键词：机械球磨法；自密实混凝土；珍珠岩粉；火山灰

1、前言

自密实或自固结混凝土（SCC）的开发使得混凝土技术在建筑行业中的应用得到了很大的发展。美国混凝土协会（ACI）第237委员会^[1]将SCC定义为高流动性和非隔离混凝土，可以通过均匀致密的钢筋进行扩散，并且可以在不使用外部机械固结的情况下均匀地填充模板。在新拌状态下，SCC可以在自身重量的作用下流动和固结，同时保持稳定，并填充复杂形状和拥挤的加固区域的模板，无需任何振动力; 此功能可显著降低噪音和振动相关的伤害^[2]。实际上，SCC新拌混凝土性能的三个主要要求是通过能力，流动能力和稳定性。与传统混凝土相比，SCC技术具有更高的生产率和效率水平，允许提高铸造速度以及减少劳动力，能源和设备成本^[3]，^[4]。

为了使SCC在施工期间达到高水平的可加工性，通常使用昂贵的化学外加剂以及大量的水泥材料或粉末材料，与传统的混凝土混合物相比，这增加了成本。^[5]，^[6]，^[7]。降低与SCC制造相关的成本的一种可能的解决方案是利用当地和廉价的辅助胶凝材料（SCM），例如天然火山灰，作为波特兰水泥的部分替代品^[8]，^[9]。含有硅质或含铝物质的SCM 在水分存在下与氢氧化钙Ca（OH）₂反应形成CSH凝胶^[10]。已经确定的是，在SCC混合物中加入一些SCM可以显著提高可加工性和耐久性^[4]，^[11] 。此外，已经观察到SCM在混凝土应用中的使用显著提高了混凝土的耐久性，特别是在易受化学侵蚀或缓解碱-骨料反应方面^[12]。

火山灰分为天然和人工两类。最广泛使用的SCM是工业副产品，例如炉渣，飞灰和硅粉。然而，这些SCM的问题在于它们在某些地区很少可用或成本高昂。据Mehta^[7]称，水泥行业占全球二氧化碳排放总量的近7％; 因此，减少水泥消耗量是实现可持续发展的必然战略。这就是为什么寻找当地可用但价格低廉的SCM（如天然火山灰）的来源对于混凝土行业的未来至关重要。天然火山灰是火山活动的产物^[13]，包括天然岩石或火山沉积物，如粘土、页岩、红土、铝土矿、高岭石、火山玻璃、浮石、流纹岩、凝灰岩、沸石、硅藻土和火山灰 ^[14]，^[15] 。某些类型的天然火山灰的资源，如珍珠岩，具有玻璃结构（结晶），由火山熔岩过程的快速冷却 ^[16]产生，大量可用，并已成功用于工业项目。

由于成本相对较低，珍珠岩在水泥和混凝土工业中具有相当大的潜力。作为水合火山产品，2-6％的较高含水量区分珍珠岩与其他含水火山玻璃，如火山浮岩和水合火山灰^[17]。Erdem等人^[18]测试了几种不同细度值（3200cm²/g和3700cm²/g）和不同量的珍珠岩（20％和30％重量的水泥）的水泥。为了生产混合水泥他们测试了相互研磨或单独的研磨技术，并观察到通过将珍珠岩和熟料相互研磨生产混合水泥所需的能量较少。此外，使用相同量的珍珠岩和布莱恩细度，通过相互研磨产生的混合水泥导致较高的抗压强度值^[18]。Kotwica等^[19]报道使用珍珠岩获得高达50％以上的强度增加。此外，珍珠岩的引入导致硬化材料的化学耐久性增加。

天然火山灰的化学组成不一定对反应性有直接影响。对天然火山灰性能有更直接影响的因素包括矿物组成，煅烧材料的加工温度，比表面积或细度^[20]。煅烧，长时间研磨，酸处理和高温固化是提高天然火山灰在混凝土产品中的反应性的各种努力。但是，有些技术太昂贵而无法使用^[21]。另外，一些方法没有显示出显著的功效，例如涉及升高的温度以加热起始材料的热活化。此外，由于煅烧导致的强度增加不足以抵消煅烧材料所需的能量增加^[14]。Ramezanianpour等^[16]在850℃的温度下将破碎的珍珠岩煅烧1小时并研磨该材料以获得与普通波特兰水泥（OPC）相同的细度; 他们证明煅烧珍珠岩粉末（CPP）可以用作可接受的SCM ^[22]。

机械方法，如长时间研磨天然火山灰，最常使用^[23]。使用研磨来减小颗粒尺寸已经实现了准备其他材料，例如SCM。固体物质的机械活化是通过机械化学方法进行的^[24]。通过使用高冲击和摩擦材料进行机械处理，可以在非常短的时间内在环境压力和温度下产生更多的活性材料^[21]。这种反应性的增加是由材料的比表面积的增加引起的。因此，增加研磨时间会增加火山灰指数^[21]。

根据Pourghahramani等人的说法^[25]，以前的研究人员已经指出“机械活化改善了压缩强度最重要的特征”^[26]，^[27]，“增强火山灰反应性”^[28]，^[29]，“加速水泥水化反应”^[30]，“促进水泥快速硬化”^[31]，“提高耐久性”^[25]，^[26]。Vizcayno等^[21]报道火山灰材料在早期阶段表现令人满意，“通过机械化学处理获得高石英含量的高岭石粘土”，他们观察到火山灰指数和通过研磨获得的机械阻力与使用热处理时相似^[32]。Pourghahremai和Azami^[25]发现，强力研磨会在岩石材料上引起结构细化和塑性变形。他们将机械活化珍珠岩确定为水泥中30％替代水平的合适添加剂。

各种研究已经通过研磨测试了增加的SCM反应性。这些研究主要使用以500转/分钟的速度工作的高能球磨机^[33]，^[34]，^[35]，^[36]，这对于工业中使用的大规模来说是不可行的^[37]。在工业中，大型旋转球磨机通常以较慢的转速水平实施^[37]，^[38]。暴露更多比表面积的天然火山灰的细度增加可以加速早期的火山灰反应。Burris和Juenger ^[30]，^[39]据报道，由于颗粒尺寸减小，研磨沸石超过4小时导致最大的反应性。有几种方法可以表明材料的细度，包括粒度分布，Blaine细度和使用Brunauer-Emmet-Teller（BET）吸收的表面积分析^[20]。许多研究报道火山灰水泥强度与火山灰的布莱恩细度之间存在极好的相关性（线性比例）^[20]。

本研究的目的是评估增加珍珠岩粉末比表面积对SCC工作和硬化性能的影响。进行坍塌流动，坍落流动随时间的流失，J形环，V-漏斗流动和U-Box测试以评估新拌SCC混合物的性质。在压缩强度和耐久性方面研究了SCC的硬化特性。在第7天，第28天和第90天评估不同百分比的珍珠岩对SCC抗压强度的影响。研究了耐久性，包括电阻率，水渗透，快速氯离子迁移试验（RCMT）和快速氯离子渗透性试验（RCPT）。珍珠岩用于代替波特兰水泥质量的10％和15％，三种不同的细度值为3100,3500和3900（cm²/g）。

2、实验方法

2.1 材料和混合物的特性

使用细度为2900 cm²/gr且比重为3.15的OPC作为混合物。。在天然火山灰，珍珠岩具有2.85的比重。珍珠岩粉末考虑了三种不同的细度值：3100,3500和3900 cm²/g。珍珠岩中Al₂O₃，SiO₂和Fe₂O₃的总量为84.7％，大于ASTM C 618中70％（天然火山灰的最低要求），如表1所示。

表1 粘合剂的化学成分。

* OPC =普通波特兰水泥

通过磨机以30rpm的速度进行研磨，其由钢球形球和总共96kg的圆柱体组成。在研磨过程中，所有材料都保持不变;此外，定期测试比重和细度。其他研究报道了这种研磨过程^[18]。

珍珠岩粉末的粒度分布如图1所示。在研磨过程之前，颗粒尺寸的初始细度为3100cm²/g。为了生产更细的颗粒，使用振动球磨机一段时间。为此目的，将珍珠岩颗粒研磨20分钟，得到3500cm²/g细度。另外，为了获得3900cm²/g的细度，将珍珠岩颗粒研磨55分钟。

图1 珍珠岩粉末的粒度分布，细度值为3100,3500和3900（cm²/g）

粗骨料的最大尺寸为19毫米。粗骨料的比重和吸水率分别为2.74和2.0％，天然河流细骨料的比重和吸水率分别为2.5和2.4％。在SCC混合物中使用超塑化剂（SP），其为比重为1.05的聚羧酸醚类型，以实现目标可加工性（初始坍落流量为650plusmn;25mm）^[40]。SCC的混合物细节如表2所示。

表2.