天然珍珠岩细度变化对砂浆物理力学性能的影响

《Materials》：Influence of Natural Perlite Fineness Variation on the Physico-Mechanical Properties of Mortars

　　

本研究探讨了天然珍珠岩细度对水泥砂浆物理力学性能的影响。研究人员将天然珍珠岩分别研磨2、4和6小时，获得勃氏比表面积（Blaine fineness）分别为3040、5900和8030 cm2/g的三种粉体。以珍珠岩替代水泥质量的15%和25%制备标准砂浆，通过减水剂掺量、半绝热热分析（semi-adiabatic calorimetry）以及1至180天养护龄期的抗压强度、180天水可及孔隙率（water-accessible porosity）等指标评估珍珠岩细度的影响。结果表明，珍珠岩细度影响了砂浆的新拌及硬化性能。细度增加总体上降低了达到目标稠度所需的减水剂掺量。含珍珠岩砂浆的早期水化放热量低于基准砂浆，而珍珠岩细度增加在一定程度上增强了水化放热。最细珍珠岩在两种替代水平下均改善了抗压强度发展，并在后期龄期获得最低的水可及孔隙率。上述发现表明，天然珍珠岩细度是影响砂浆物理力学性能的重要参数。

天然珍珠岩细度变化对砂浆物理力学性能影响的系统研究解读

一、研究背景与意义

全球人口持续增长带动基础设施与建设活动扩张，水泥消耗量随之不断攀升，水泥工业产生的二氧化碳排放问题日益严峻。为降低波特兰水泥（Portland cement）的环境影响，利用天然火山灰质材料（pozzolanic materials）部分替代水泥成为重要策略之一。天然珍珠岩因二氧化硅含量较高且在多个地区储量丰富而受到关注。然而，天然珍珠岩在未处理状态下反应活性相对较低，较高替代水平下可能导致力学强度下降，尤其在早期龄期表现明显。已有研究考察了珍珠岩作为辅助胶凝材料（supplementary cementitious materials, SCMs）的应用潜力，但关于细度变化与替代水平共同作用对砂浆整体性能影响的信息仍然有限，特别是珍珠岩细度与减水剂需求量、水化放热、长期强度发展及孔隙结构之间的关系尚需系统研究。因此，本研究旨在系统评估天然珍珠岩细度变化对水泥砂浆物理力学性能的影响。

二、研究内容与主要结论

研究人员选用符合阿尔及利亚标准NA 442的波特兰水泥CEM I 52.5，其密度为3.20 g/cm³，勃氏比表面积为5130 cm²/g。天然珍珠岩采自阿尔及利亚西部Hammam Boughrara地区，经破碎后分别研磨2、4和6小时，获得勃氏比表面积3040、5900和8030 cm²/g的三种粉体。砂浆按照EN 480-1标准制备，珍珠岩替代水平为15%和25%，水胶比保持0.40不变。研究设置了七个配合比，包括一个基准砂浆和六个含珍珠岩砂浆。主要结论如下：珍珠岩细度影响砂浆新拌性能，较细粉体所需减水剂掺量低于较粗粉体；含珍珠岩砂浆的水化放热低于基准砂浆，细度增加可部分增强水化放热；抗压强度随珍珠岩细度增加而提高，最细珍珠岩在后期龄期达到或超过基准砂浆强度；水可及孔隙率随珍珠岩细度增加而降低。

三、关键技术方法

本研究主要采用了以下关键技术方法：X射线衍射分析（X-ray diffraction, XRD）表征天然珍珠岩的矿物组成；半绝热热量分析法按照EN 196-9标准监测砂浆水化放热；勃氏透气法测定珍珠岩细度；激光粒度分析测定粉体粒径分布；抗压强度试验按照NF EN 196-1标准在1、3、7、28、90和180天龄期进行；水可及孔隙率按照NF P18-459标准测定。

四、研究结果

4.1 X射线衍射分析

XRD图谱显示天然珍珠岩的衍射峰叠加在18°至30° 2θ之间的宽弥散晕上，表明其同时含有结晶相和非晶相组分。但定性XRD分析无法可靠量化结晶与非晶比例，也不能确定研磨是否改变了晶相与非晶相的相对比例或结构无序度。

4.2 珍珠岩细度对减水剂需求量的影响

较细粉体PR 8030和PR 5900在两种替代水平下所需减水剂掺量均低于基准砂浆，而PR 3040在15%替代水平下所需掺量与基准相当，在25%替代水平下略高。细颗粒可填充水泥颗粒间的空隙，改善堆积结构，减少颗粒絮凝体中物理截留的水分，从而提高水的有效可用性。

4.3 水化放热

基准砂浆水化动力学最快，累积放热量最高。含珍珠岩砂浆每克胶凝材料的累积放热量低于基准砂浆。15%替代水平下PR 8030和PR 5900的累积放热量分别约为297和288 J/g，25%替代水平下约为285和281 J/g。细度增加可部分增强水化放热，可能与细颗粒提供额外成核位点有关。

4.4 抗压强度

早期龄期所有含珍珠岩砂浆的抗压强度均低于基准砂浆，25%替代水平下强度降低更为明显。1天龄期时，15%替代水平下含珍珠岩砂浆强度为19.15至19.60 MPa，25%替代水平下为17.09至18.33 MPa，基准砂浆为21.04 MPa。随着养护龄期延长，细珍珠岩的优势逐渐显现。180天时，PR 8030在15%和25%替代水平下的平均抗压强度分别达到93.54 MPa和91.00 MPa，高于基准砂浆的87.84 MPa；而PR 3040对应强度仅为82.29 MPa和80.69 MPa。强度活性指数（activity index）显示，PR 8030在90天时达到105.8%和102.8%，180天时达到106.5%和103.6%。

4.5 水可及孔隙率

180天时基准砂浆的水可及孔隙率为7.44%，PR 8030砂浆为7.18%，表明最细珍珠岩略微降低了水可及孔隙率。孔隙率随珍珠岩细度增加而降低，可能与颗粒堆积和物理化学效应的综合作用有关。

五、讨论与结论

本研究表明，天然珍珠岩细度是影响砂浆物理力学性能的重要参数。研磨将珍珠岩勃氏细度从3040 cm²/g提高至5900和8030 cm²/g，细度变化与砂浆新拌和硬化性能的变化相关联。较细粉体通常需要较低减水剂掺量；含珍珠岩砂浆的累积水化放热低于基准砂浆，细度增加可部分增强水化放热；抗压强度随细度增加而提高，最细珍珠岩在后期龄期达到或超过基准砂浆强度；水可及孔隙率随细度增加而降低。然而，由于研究未包含直接火山灰活性测试或惰性粉体对照，研究结果不能确定火山灰反应的程度，也无法定量区分物理填充效应与化学贡献。此外，各配合比间减水剂掺量的差异构成潜在混杂因素，其对砂浆性能差异的贡献无法与珍珠岩细度效应分离。