火山灰质材料是指本身几乎没有胶凝性,但在常温下加水能与氢氧化钙发生化学反应而生成水硬性产物的含硅或含铝的一类材料,包括天然火山灰质材料和人工火山灰质材料两大类。火山灰质材料广泛用作水泥和混凝土的混合材料,其活性来源于活性SiO2和Al2O3对石灰的吸收,通过火山灰质材料中的活性组分与硅酸盐水泥水化产物Ca(OH)2反应生成水化硅酸钙、水化铝酸钙或水化硅铝酸钙,从而改善水泥的应用性能。使用火山灰质混合材料能够减少整个水泥行业的碳排放,降低水泥生产对环境的影响,同时也可使水泥或混凝土的性能得到不同程度的改善。因此,通过对尾矿等矿物粉体材料火山灰性能的活化,对拓宽火山灰质材料的来源具有重要意义。长期以来,一般认为火山灰只是一些具有玻璃体结构的物质。因此,具有玻璃体结构的各种冶金渣的火山灰性能首先得到了广泛的研究。而结晶质矿物一般认为是火山灰惰性材料,对其火山灰性能的研究报道较少。然而,由于晶质矿物原料来源更广,成本更低,近年来关于晶质矿物的火山灰性能的研究引起了一些研究者的兴趣。Salim Guettala 和BouzidiMezghiche研究指出,天然晶质风集沙在磨细至4000cm2/g的比表面积后,则可表现出较好的火山灰性能,与石灰按照1∶1混合后,生成了C-S-H凝胶产物,在保证相同强度的前提下,可取代水泥20%左右。Benezet和Benhassaini指出,微细晶质石英粉体在常温养护下能够与氢氧化钙反应生成稳定的水化物,粉磨至1~10μm后能在20℃下28~90d完全水化,并提出水化反应主要源于超细石英颗粒表面的无定型化效应。Lawrence等研究表明,含有石英水泥砂浆的与对比砂浆相比具有更好的水化程度。此外,有研究表明,一定细度的石灰石天然矿物粉体能够在水泥砂浆中产生水化反应。可见,某些矿物粉体经过超细粉磨后,其火山灰反应性能能够得到活化,从而使一些晶质矿物粉体表现出火山灰反应特性。
超细粉磨产生的机械活化作用对增进各类水泥的水化作用和力学性能具有显著作用,采用振动球磨机对各种水泥和不同火山灰材料(高炉矿渣、粉煤灰、凝灰岩)添加量的机械活化研究表明,机械活化对所有样品的水化均具有显著的促进作用,机械活化水泥不仅具有更高的强度,而且水化速度快、凝结时间短。当有碱金属盐类化学活化剂的作用下,能够进一步促进石灰-火山灰的水化反应。粒化高炉矿渣是炼铁过程中产生的一种具有玻璃体结构的火山灰质矿渣,然而,粒化高炉矿渣的火山灰特性也是潜在的,必须达到一定的研磨细度后才能表现出来。史永林等研究了物理活化方法对钢渣、矿渣及粉煤灰活性的影响,随着粉磨时间的延长,钢渣、矿渣及粉煤灰活性在前2h的增加幅度较大,矿渣、粉煤灰活性较好,不锈钢渣和碳钢渣的活性很低,在不锈钢渣中复掺矿渣和粉煤灰可改善活性。研究表明,高能球磨能够使矿渣粉体迅速细化,明显提高矿渣的水化活性和水化强度;矿渣本身的抗压强度很低,掺入Ca(OH)2后强度显著提高,最高可达65MPa,说明超细机械活化和Ca(OH)2是促进矿渣水化的关键因素。在机械粉磨过程中,矿渣玻璃体结构在各种机械力的作用下发生解聚,化学键发生断裂,在颗粒表面和内部产生微裂纹,表面能增加,极性分子或离子更容易进入玻璃体结构的内部空穴,促进矿渣的分散和溶解,这也是通过机械活化矿渣活性提高的重要原因。Juhasz提出,机械活化过程可分为一级反应和二级反应两个步骤,第一步活化过程能够增加矿物表面能和表面积,降低固体结合能,通常可增加矿物的反应活性;第二步反应在活化体系中自发进行,可以在研磨过程中出现或者研磨过程之后,主要包括聚合、吸附、再结晶等。
郑永超等以北京密云铁矿尾矿为原料,采用机械力化学方法对其进行活化,并采用粒度分析、X射线衍射、扫描电子显微镜及红外光谱分析机械力化学效应对尾矿活性的影响,以铁尾矿为主要原料制备出抗压强度达到89MPa、尾矿总体掺量达到70%的尾矿高强结构材料。以上研究表明,火山灰质材料在水泥混合材料中具有良好的应用性能和广阔的应用前景,超细粉磨是增强矿物反应活性的有效手段,一些过去被认为是火山灰惰性物质的晶质矿物,在超细粉磨机械活化作用下能够表现出一定的火山灰活性。