随着我国基础设施建设加快、新型城镇化及“一带一路”战略向纵深推进,以水电为主的我国西南地区和带路沿线的东南亚国家,对水泥基矿物辅料需求量大幅增加,供需矛盾较突出。玄武岩主要应用于建筑石料和玄武岩纤维的制备,这两种应用途径皆要求对原料进行严格筛选,导致在选矿和生产过程中排放了大量的尾矿和废料,若不合理利用,既浪费资源又可能造成环境污染。当前,磨细玄武岩作为水泥混合材的研究和应用已有一些实践和个例,但对玄武岩的组成、结构、性能及相关胶凝体系完整制备工艺研究尚不完善,玄武岩的火山灰活性及其反应机理研究尚不够系统和明晰。本文围绕玄武岩-水泥胶凝体系的制备及其反应机理研究,针对玄武岩硬质难磨的问题,系统的研究了玄武岩-水泥复合粉体制备工艺,玄武岩粉磨功耗高的内在本质原因,分析推演了玄武岩粉磨细化过程,并开发了适用于玄武岩的助磨剂;研究了玄武岩-水泥胶凝体系砂浆和混凝土的拌合物性能,力学性能和部分耐久性,成功解决了该体系与外加剂适应性不稳定的问题;掌握了玄武岩-水泥胶凝体系的关键制备技术,制备了符合国标的复合硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥产品,技术成果成功在当地转化;明确了玄武岩火山灰活性的影响因素,揭示了其火山灰活性与石英粉、粉煤灰和偏高岭土存在差异的原因。取得的主要结论与成果如下:·玄武岩粉磨特性与助磨剂开发。用球磨/行星磨/搅拌磨等粉磨设备,分别采用单独粉磨/混合粉磨的方式,制备了玄武岩-水泥胶凝粉体,分析了粉磨工艺对混合粉体细度和粒度分布的影响规律;以邦德功指数为主要指标考察了热处理后的玄武岩的功耗变化,结合岩相分析,揭示了玄武岩矿物组成和微观结构与粉磨过程的相互影响机制,并分析推演了玄武岩的粉磨过程;研究了不同有机物和官能团对玄武岩的助磨效果。研究结果表明:(1)粉磨特性。采用标准实验室球磨玄武岩(进料最大粒度4.75mm) 1h,可达到“粉磨平衡”状态;混合粉磨时,玄武岩具有一定的“微级研磨体”助磨效应。(2)粉磨过程。玄武岩粉体粒径分布呈现双峰特征,左峰体现为玄武岩矿物结构中玻璃体组分的离解和细化,右峰则主要是其中包含的长石、辉石类矿物硬度较高所致。(3)助磨剂开发。多元醇和醇胺类高分子化合物对玄武岩均具有显著的助磨效果,从作用效果来看,多元醇(BS) >三乙醇胺(T) >丙二醇(BE)≈乙二醇(YE)。·玄武岩-水泥胶凝体系基本性能及工业化生产实践。研究了玄武岩粉磨方式、掺量、细度对玄武岩-水泥胶凝体系基本物理性能的影响规律;采用Marsh筒法、流动度法和自由液相量法,对比研究了不同玄武岩-水泥胶凝体系与减水剂的适应性,测试了不同细度玄武岩粉、熟料和粉煤灰的Zeta电位,明确了该体系与减水剂适应性不稳定的根本原因,并提出了适宜的解决方案。研究结果显示:(1)物理力学性能。玄武岩单掺掺量不大于15%时,可促进水泥熟料的早期水化,长期而言,玄武岩粉体具有一定的火山灰活性。(2)玄武岩-水泥胶凝体系与减水剂适应性。当玄武岩掺量在8%以内,玄武岩-水泥胶凝体系混合粉体比表面积370m2/kg左右时,玄武岩的掺入对外加剂相容性影响较小。(3)中试试验。当固定混合材掺量16% (玄武岩:矿渣=1:1)时,随比表面积增大,3d强度显著增加,对所配制的C30混凝土而言,当比表面积小于370m2/kg时,拌合物和易性较好,但比表面积超过370m2/kg后,拌合物坍落度和扩展度显著降低。(4)玄武岩-水泥胶凝体系耐久性初步分析。单掺玄武岩的普通混凝土和玄武岩机制砂混凝土,其抗硫酸盐侵蚀和抗碳化性能皆优于以粉煤灰或矿渣为掺合料的混凝土,而复掺时,玄武岩与粉煤灰或矿渣具有互补效应。·玄武岩-水泥胶凝体系微观测试及其水化过程分析。选择石英粉、粉煤灰、偏高岭土以及两种细度的玄武岩粉,采用水化热分析、X射线衍射(XRD)、热重-差热分析(TG-DSC)、扫描电子显微镜(SEM)、电感耦合等离子体光谱仪(ICP)等测试方法,对比分析了水化放热量、水化放热速率,水化产物形貌、种类及其相对含量,以及玄武岩粉体在强碱性环境中的硅铝离子溶出规律等。结合玄武岩的矿物组成特点和基质包裹微晶的微观结构,探讨了玄武岩参与水泥熟料水化的火山灰反应过程与机理。研究结果表明:玄武岩-水泥净浆力学性能与砂浆比强度法分析的结果具有较好的相关性。玄武岩矿物中活性硅铝质含量相对较低,故其28d活性指数较低。在较早龄期(7d以前),玄武岩架状结构中的微孔道和空隙中的金属阳离子与H+的交换,其交换速率在高碱性环境中被加速,其表面结构开始产生破坏和解体,与熟料的水化相互促进。在中后期(28d及以后),玄武岩粉体颗粒表面进一步被缓慢分解,少量水化产物附着在表面上,有利于混凝土长期力学性能的发展。