教你沸石粉的计算方法

摘要

磨细天然沸石，由天然沸石 (主要为斜发沸石和丝光沸石)磨细而成。沸石是含有微孔的含水铝硅酸盐矿物，SiO₂含量为60%～70%，Al₂O₃含量为8%～12%，比表面积很大。因此，磨细沸石具有较高的活性。

一

沸石的结构和特性

1.天然沸石的成份和结构

    沸石粉是天然的沸石岩磨细而成，颜色为白色。沸石是火山熔岩形成的一种架状结构的铝硅酸盐矿物，主要由SiO₂ 、Al₂O₃ 、H₂O 和碱金属、碱土金属离子四部分组成，其中硅氧四面体和铝氧四面体构成了沸石的三维空间架状结构，碱金属、碱土金属和水分子结合的松散、易置换，使得沸石具有特殊的应用性能— 吸附作用，离子交换作用等。

2.离子交换特性

    沸石的离子交换特性是其重要性能之一，它可以调节晶体结构内的电场、表面酸性，从而可改变沸石的性质，调节沸石的吸附特性等。
    沸石与某种金属盐的水溶液相接触时，溶液中的金属阳离子可以进入沸石中，而沸石中的阳离子可被交换下来进入溶液中。
    沸石中的阳离子都以相对固定的位置分布于沸石结构中，在不同位置上的阳离子势能不同，在离子交换过程中，其反应速度受扩散速度控制。在应用研究中，需要了解离子交换平衡关系，离子交换平衡常数的计算，离子交换等温线的测定和热力学函数的计算等有关基础数据。

3.离子交换选择性

    天然沸石在离子交换时，有些阳离子容易交换到沸石上，而另外一些阳离子则不容易交换到沸石上，或者某些阳离子交换到沸石上后，很容易被其他阳离子替代，说明沸石的离子交换过程有选择性。它和沸石的晶体结构有关，也和阳离子的有关特性(电荷数、离子半径、水合度等) 以及交换条件有关。

4.吸附特性

    由于沸石孔穴内部的电场和极性作用，使得沸石即使在较高的温度和较低的吸附质分压下，仍有较高的吸附容量特点。在吸附过程中，沸石的孔径大小不是唯一的因素，含有极性基团或者含可极化的基团的分子等，能与沸石表面发生强烈的作用，这是因为阳离子和带负电荷的硅铝氧格架所构成的沸石，本身也是一种极性物质，其中阳离子给出一个强的局部正电荷，吸引极性分子的负极中心，或是通过静电诱导使可极化的分子极化，极性愈强的或愈易被极化的分子，也就愈易被沸石吸附。水是极性很强的分子，沸石对水有很大的亲合力，无论在较低的水分压，较高的温度、较大的线速条件下，它仍具有一定的吸水能力，且吸水效率、吸水量较高。

二

天然沸石粉在混凝土中的作用

1.提高混凝土的强度和抗渗性

    天然沸石对于混凝土的强度效应首先来源于沸石矿物组成、特殊的三维空间架状结构和较大内表面积等特点。沸石中的主要化学成份是SiO₂，约占70 %左右，另外含有A1₂O₃约占12 %左右，同时还含有较高的可溶硅铝，但天然沸石岩粉本身没有活性。天然沸石掺入混凝土后，一方面在混凝土中的碱性激发下，由于沸石晶体结构中包藏的活性硅和活性铝与水泥水化过程中提供的Ca(OH) ₂发生二次反应，生成C-S-H 凝胶及硅酸钙水化物，使混凝土更加密实，强度提高；另一方面，沸石粉加入水泥混凝土后，在搅拌初期，由于沸石粉的吸水，一部分自由水被沸石粉吸走，因而，要得到相同的坍落度和扩展度，减水剂的用量有所增加，但在混凝土硬化过程中，水泥进一步水化需水时，沸石粉排出原来吸入的水分后体积膨胀，使拌合物的黏度提高，粗骨科的裹浆量增加，因此，粗骨科与水泥的界面得到改善，拌合物比较均匀，和易性好，泌水性减少，从而增加了混凝土的抗渗性。

2.抑制混凝土碱-集料反应

    由于碱-集料反应对混凝土耐久性的极大危害，碱-集料反应的核心问题是混凝土中的碱与集料中的活性组分发生反应。
    混凝土中的碱主要由生产水泥的原料黏土、燃料煤引入及拌合水及化学外加剂中的碱。水泥中的碱一部分以硫酸盐(K₂SO₄，Na₂SO₄，3K₂SO₄·Na₂SO₄，2CaSO₄·K₂SO₄ ) 及碳酸盐( K₂CO₃，Na₂CO₃ ) 的形式存在，一部分则固溶在熟料矿物中，如KC₂₃S₁₂，NC₂₃ ·S₁₂， KC₈A₃，NC₈A₃，而拌合水及化学外加剂中的碱全部是水溶性的，均能参与碱-集料反应。
    在拌合混凝土时，水泥中以硫酸盐及碳酸盐形式的碱及拌合水、化学外加剂中的碱很快溶入水中，而固溶在熟料中的碱则随着矿物水化的进行而缓慢地溶入水中，同时溶入水中的碱又有部分被水化产物所吸收以不可溶的形式存在，可溶部分很大程度以Na₂SO₄存在。
    掺入天然沸石能抑制混凝土碱-集料反应的危害，是因为：
    （1）沸石粉替代部分水泥，使混凝土总体系中水泥量减少，降低了混凝土中含碱量。
    (2)由于天然沸石具有离子交换性和离子交换选择性，使得混凝土中的Na ⁺比较容易进入沸石中，而Ca^{2 +}则被交换出来，降低了Na ⁺浓度。
    (3)如上述的沸石晶体结构中包藏的活性硅和活性铝，可与Ca(OH) ₂反应生成C-S-H 凝胶，能吸收一定量的碱，另外沸石强大的吸附特性将混凝土中的游离钠吸附到其特有的晶体孔穴和通道中去，降低了游离钠的浓度。
    综上所述，由于混凝土中碱性浓度得到降低，有效地抑制了碱- 集料反应的危害。

3.降低混凝土的水化热

    在高强混凝土中，由于水泥用量较高，混凝土中的水化热也较为集中；在大体积混凝土中，水泥的的水化热较高。在掺入沸石粉以后，由于降低了水泥的耗用量，水泥的水化热值也相应降低。虽然水化热高峰有所提前，但水泥水化热值远低于纯水泥混凝土，并且随着沸石掺量的加大，混凝土水化热的降低也加大。以3 d时的测定结果为例。在沸石粉的掺量为l0 %时，水化热降低15 %；沸石粉掺量为20 %时，水化热降低30 %。在高强混凝土与大体积混凝土中水化热的降低有利于抑制混凝土的膨胀。

4.改善混凝土施工性能

    沸石对极性水分子有很大的亲和力，在自然状态下，沸石内部的孔穴与管道中吸附大量的水份与空气。在水泥混凝土拌合物中，原来被沸石粉所吸附的气体被排放到混凝土拌合物中，提高了混凝土拌合物的结构黏度和粗骨科的裹浆量，减少了混凝土的泌水量，和易性得到了全面的改善。
    流态混凝土是通过掺加高效减水剂或硫化剂将原坍落度为80mm～120mm的普通混凝土增加至180mm～220mm 的一种高流动性混凝上。流态混凝上通常采用泵送施工。混凝上在泵送过程中，将适量的沸石粉用于泵送混凝土中，可以补充细粉料含量的不足，避免了离析分层，使混凝土有利于泵送施工。

三

天然沸石粉的技术要求

    为指导天然沸石在混凝土中的应用，住建部颁布了建筑工业行业标准《混凝土和砂浆用天然沸石粉》（JG/T3048）和《天然沸石粉在混凝土和砂浆中应用技术规范》（JGJ/T112）。配制高强高性能混凝土选用磨细天然沸石粉，GB/T18736标准对其质量提出了更严格的技术要求。

1.细度

    细度对沸石粉的活性和混凝土的物理性能影响很大。大量试验表明，只有将沸石磨到平均粒径＜15μm（相当于比表面积50 m²/kg～700m²/kg）时，才能使掺加沸石粉的混凝土早期强度和后期强度增长较快。鉴于这种情况，GB/T18736标准规定Ⅰ级品的比表面积为700m²/kg，Ⅱ级品的比表面积为500m²/kg。几种沸石粉的粒径分布见表1。

表1 几种沸石粉的粒径分布

2.需水量

    由于沸石是一种多孔的材料，需水量比随沸石掺量的减少而明显下降，活性指数明显提高。磨细天然沸石的需水量比见表2。在生产高强度高性能混凝土时，磨细天然沸石粉的掺量一般不宜超过10%。

表2  磨细天然沸石需水量比和活性指数

产地	掺量 （%）	抗压强度比（%）			需水量比（%）
		3d	7d	28d
内蒙古	10	75	82	97	106
山东诸城	10	79	85	90	108
河北独石口	30	39	45	57	117
锦州	10	80	86	86	105

 3.沸石粉活性指数测定试验

    测定试验胶砂和对比胶砂的抗压强度，以二者抗压强度之比确定沸石粉试样的活性指数。试验胶砂和对比胶砂材料用量如表3。

表3  测定沸石粉活性指数试验中试验胶砂和对比胶砂材料用量

胶砂种类	水泥（g）	沸石粉（g）	标准砂（g）	水（ml）	28d强度
对比胶砂	450	——	1350	225	R0=50
试验胶砂	405	45	1350	225	R3=48

（1）沸石粉活性指数的国家标准计算方法：
    沸石粉28d活性指数按下式计算：

    式中：
    A₂₈——28d活性指数（%）；
   R₀——对比砂浆28d抗压强度（MPa）；
    R₄——试验砂浆28d抗压强度（MPa）。
    计算结果精确至1%。
    （2）沸石粉活性系数的准确计算方法（定义为活性系数）
    根据对比胶砂可知，450克水泥提供强度50MPa，则405克水泥提供的强度为0.9R₀=45MPa；那么，试验胶砂提供的强度包括405克水泥提供的强度（即0.9R₀=45MPa）与45克沸石粉提供的强度（即R₄-0.9R₀=30MPa）；则沸石粉的活性系数由下式求得：

    式中：
    α_FS——沸石粉的活性系数；
    R₀——对比砂浆28d抗压强度（MPa）；
    R₄——试验砂浆28d抗压强度（MPa）。
    矿渣粉的取代系数用δ_FS表示，其数值为活性系数的倒数，则代入数据可得本例中沸石粉的活性系数α_FS=6，沸石粉的取代系数δ_FS= 0.17。
    这样，本例中我们在混凝土配合比设计过程中可以用1千克沸石粉可以取代6千克与对比试验相同的水泥，或者用0.17千克沸石粉取代1千克与对比试验相同的水泥。这种设计思路在水泥和沸石粉用量的计算方面实现了适量取代，比传统观念中沸石粉5%~30%取代水泥的观念更加科学，准确合理地使用了沸石粉。

（三）吸铵值和碱含量

    吸铵值是沸石特有的物化性能，它反映了沸石含量的大小。因为沸石中的碱和碱土金属很容易被铵离子所交换，可以用铵离子净交换来检验吸铵值，测试时间较短，可以再2 h内完成、斜发沸石的吸铵值为218mmol/100g，丝光沸石的为223 mmol/100g、吸铵值越高，沸石的纯度越高，其活性指数也越高。考虑到高强高性能混凝土的需要，GB/T18736标准将磨细天然沸石分为Ⅰ级和Ⅱ级，并规定Ⅰ级吸铵值为130mmol/100g（相当于沸石含量约在60%左右），Ⅱ级为100mmol/100g（相当于沸石含量约在48%左右）。

表4  沸石的碱含量及吸铵值

    表4是几种沸石的碱含量和吸铵值的测定结果。试验结果表明，产地不同，沸石的碱含量相差较大，约为0.21%～5.96%；吸铵值相差也很大，高的近250mmol/100g，低的只有30mmol/100g，这说明，沸石的性能会有很大的差异，生产高强高性能混凝土时，应尽可能选择吸铵值高的磨细天然沸石。

四

沸石粉的质量技术指标

1.质量指标

    沸石粉质量指标应满足表5要求。

表5  沸石粉质量指标

项目	级别
	Ⅰ	Ⅱ	Ⅲ
吸铵值（meq/100g）不小于	130	100	90
细度(80μm方孔筛筛余)（%）不大于	4	10	15
需水量比（%）不大于	125	120	120
28d抗压强度比（%）不小于	75	70	62

2.试验依据

    按《天然沸石粉在混凝土与砂浆中应用技术规程》（JGJ/T112-97）进行。

五

沸石粉在混凝土中的合理使用

    磨细天然沸石作为混凝土的一种矿物外加剂，在C45以上的混凝土中取代水泥的取代率宜在10%以下。它既能改善混凝土拌合物的均匀性与和易性、降低水化热，又能提高混凝土的抗渗性与耐久性，还能抑制水泥混凝土中碱-集料反应的发生。磨细天然沸石适宜配制泵送混凝土、大体积混凝土、抗渗防水混凝土、抗硫酸盐和抗软水侵蚀混凝土，以及高强混凝土，也适用于蒸养混凝土、轻集料混凝土、地下和水下工程混凝土。

作者：朱效荣      
信息来源：混凝土第一视频网