不同巖性石粉關鍵物化指標及膠砂性能

王亞萍，李進京，馬強強

(中國水利水電第三工程局有限公司，陜西 西安 710032)

0 前 言

在機制砂和骨料的生產過程會產生大量廢棄天然巖石粉，不加以利用，將造成資源浪費和環境污染，而隨著基建的快速發展，粉煤灰等礦物摻合料資源日益減少，因此研究不同巖性石粉的關鍵物化及膠砂性能具有重要的實用價值。石灰石粉在混凝土中的應用已相對成熟，并有兩部規范《石灰石粉混凝土》(GB/T 30190—2013)和《水工混凝土摻用石灰石粉技術規范》(DL/T 5304—2013)進行規范性指導[1]。其他巖性石粉，江達宣等將花崗巖石粉與礦渣粉、粉煤灰復合，惰性石粉多元復合可增強復合效應，花崗巖石粉摻量增加會減弱混凝土力學性能和耐久性能，建議石粉摻量控制在10%范圍內[2-4]。Thiago等[5]研究表明：玄武巖石粉對水泥的力學性能影響較大，玄武巖粉2.5%～5%摻量時有增強作用，摻量過大會降低抗壓強度。孫茹茹等[6]通過研究不同巖性石粉-水泥復合漿體流變，得到石粉中云母和沸石礦物含量高、顆粒棱角多均不利于漿體工作性。王振等[7]研究了不同巖性石粉對水泥膠砂流動性和力學性能的影響，并采用同步熱分析儀分析了不同巖性石粉對水泥水化程度的影響，表明，石灰巖和凝灰巖的活性大于花崗巖、玄武巖和石英巖。姚孟康[8]研究表明不同巖性石粉中吸水性強、MB值高的石粉，相應混凝土的工作性、耐久性能較差。Wang等研究表明石灰石、石英巖、片麻巖、花崗巖、大理巖、玄武巖石粉摻15%時對機制砂混凝土力學性能、耐久性和體積穩定性無明顯影響[9-10]。李顏秀等[11]通過研究不同巖性石粉復合粉煤灰、礦渣對膠砂性能的影響，得到摻入片麻巖石粉的膠砂較玄武巖、花崗巖、石灰石其流動度最小，粉煤灰可改善其流動度，粉煤灰摻量較小的情況下，玄武巖石粉對其較敏感。賈其軍等[12]在研究中表明，關于摻合料中引入的堿無相關規定和標準，致使一些地方因為天然火山灰總堿含量較高，而停止使用，故其研究了天然火山灰的有效堿含量檢測方法，并驗證其有效。

而針對不同巖性石粉的關鍵物理化學性質及膠砂性能的系統研究較少，基于此，本文選取石灰巖、紅砂巖、凝灰巖、玄武巖、花崗巖、輝綠巖六種石粉，研究不同巖性、不同細度石粉的亞甲藍(MB值)、堿含量、標稠用水量及凝結時間、流動度比、活性指數等，為不同巖性石粉的應用奠定堅實的基礎。

1 試 驗

1.1 原材料

選用青海省祁連縣黃藏寺的石灰巖、山東日照的紅砂巖、河北石家莊的凝灰巖、陜西安康的玄武巖、陜西省安康市鎮安縣花崗巖、陜西安康的輝綠巖，采用小型球磨機SM500，90%鋼球鋼段比，在室內進行粉磨，形成石粉。本文所用到的石粉比表面積見表1。

表1 不同巖石粉比表面積 單位：m2/kg

1.2 試驗測試方法

1.2.1 石粉含泥量

石粉的含泥量通常采用MB值表示，MB值測試《石灰石粉混凝土》(GB/T 30190—2013)中采用石粉與標準砂按1∶ 3比例混合進行測試，《水工混凝土摻用石灰石粉技術規范》(DL/T 5304—2013)采用純石粉測試MB值，本文對不同石粉采用兩種MB值測試方法進行對比分析。

1.2.2 堿含量

參照《水泥化學分析方法》(GB/T 176—2008)中對水泥總堿量的測定方法，將試樣經氫氟酸-硫酸蒸發處理后，用熱水浸取殘渣，加入氨水和碳酸銨并煮沸、過濾，最后以火焰光度計測定濾液中的鉀、鈉。

石粉中可溶性堿參照《水泥產品生產過程中的質量控制》(ASTM C114)對水泥可溶性堿的測定方法測試，其過程可簡述為：稱25.0 g石粉放入500 ml錐形瓶中，在室溫下搖動10 min，然后在弱真空條件下用布氏漏斗過濾，將濾液轉移到一個500 ml的容量瓶中定容。測定其濃度后，即可計算出石粉中可溶性堿含量。

參照何真等[13]提出的加速二次水化法進行石粉中有效堿含量測定。將石粉試樣在105℃～110℃下烘干后，稱取1 g，置于500 ml錐形瓶中，加入200 ml飽和石灰水溶液，用冷凝回流方法沸煮2 h后，冷卻、過濾，定容到500 ml容量瓶中，測定溶液中堿含量值即為石粉有效堿含量。

1.2.3 標準稠度用水量及凝結時間

采用不同巖性石粉，分別替代30%水泥質量，按照《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》(GB/T 1346—2011)進行不同石粉-水泥復合漿體的標準稠度用水量和凝結時間試驗。

2 試驗結果分析

2.1 不同巖性石粉MB值

選用相同細度(比表面積為400～600 m2/kg)的石灰巖(LP)、紅砂巖(RSP)、凝灰巖(TP)、玄武巖石粉(BP)、花崗巖(GP)及輝綠巖(DP)三個細度等級(A:400～600 m2/kg；B:600～800 m2/kg；C:800 m2/kg以上)石粉進行MB值測試，試驗結果見表2。

表2 不同巖性石粉的MB值

從表2中可知，按照《水工混凝土摻用石灰石粉技術規范》(DL/T 5304—2013)和《石灰石粉混凝土》(GB/T 30190—2013)中兩種檢測方法，相同石粉的MB值純石粉是石粉與標準砂按1∶ 3比例的3～4倍。石粉在應用過程中一般摻量較小，因此推薦按國標中方法檢測石粉MB值。

從表2可知，相同細度不同巖性石粉，紅砂巖石粉MB值最高，花崗巖石粉MB值最小，表明紅砂巖石粉的泥粉含量最高，花崗巖石粉中泥粉含量最小。參考《石灰石粉混凝土》(GB/T 30190—2013)中石灰石粉MB含量指標要求≤1.4，認為紅砂巖石粉亞甲藍值過高，故本文后續試驗中應重點關注其流動性、需水量等，確定其適用性。從輝綠巖石粉不同細度MB值結果可以看出，石粉隨著細度的增加，MB值會略有提高，細度對MB值的影響不大。

2.2 不同巖性石粉的有效堿含量

不同巖性石粉的總堿含量、有效堿含量、可溶性堿含量的檢測結果見表3。

表3 不同巖性石粉堿含量 %

由表3中可見有效堿含量：石灰石粉<輝綠巖<紅砂巖<花崗巖<凝灰巖<輝綠巖；可溶性堿含量：花崗巖<石灰石<玄武巖<輝綠巖<凝灰巖<紅砂巖；總堿含量：玄武巖<輝綠巖<石灰石<紅砂巖=凝灰巖<花崗巖。由此可見不同巖性石粉的總堿量、有效堿含量、可溶性堿之間無相關關系，總堿量高，可溶堿、有效堿不一定高。石粉的總堿量雖然較高，但石粉的有效堿含量占總堿量的百分比最低，可溶出的堿含量占總堿比例較小，故在考慮混凝土總堿量時，忽略石粉中堿含量對其的影響。同時計算了六種石粉的有效堿含量占總堿的百分比分別為0.814%、3.483%、3.904%、4.320%、3.517%、2.192%，可以看出石灰石粉的有效堿含量最低，玄武巖的有效堿含量最高，為這些區域的石粉在工程中應用總堿值的計算提供了參考。

2.3 不同巖性石粉的微觀分析

利用日立SU8020電鏡，分別放大1 000、10 000倍，其微觀結果見圖1。

(a)石灰石粉(×1 000倍)

(b)石灰石粉(×10 000倍)

(c)紅砂巖石粉(×1 000倍)

(d)紅砂巖石粉(×10 000倍)

(e)凝灰巖石粉(×1 000倍)

(f)凝灰巖石粉(×10 000倍)

(g)玄武巖石粉(×1 000倍)

(h)玄武巖石粉(×10 000倍)

(i)花崗巖石粉(×1 000倍)

(j)花崗巖石粉(×10 000倍)

(k)輝綠巖石粉(×1 000倍)

(m)輝綠巖石粉(×10 000倍)圖1 不同巖性石粉SEM圖像

從圖1(a)、(b)可見，石灰石粉大粒徑顆粒較多，表面呈輕微層理結構，較密實；由圖1(c)、(d)可見，紅砂巖石粉呈蜂窩狀，表面疏松多孔，其石粉細顆粒含量多；圖1(e)、(f)顯示凝灰巖表面孔隙較大，較為疏松；圖1(g)、(h)顯示，玄武巖石粉粒徑分布相對均勻，其呈塊狀結構，表面棱角性較大，致密；圖1(i)、(j)顯示，花崗巖呈層理結構，表面光滑致密，其顆粒棱角性較大；圖1(k)、(m)可見，輝綠巖呈層理結構，較密實，粉磨之后顆粒片狀較多。

2.4 標準稠度用水量和凝結時間

選用相同細度(比表面積為400～600 m2/kg)的石灰巖、紅砂巖、凝灰巖、玄武巖石粉，及輝綠巖、花崗巖三個細度等級(A:400～600 m2/kg；B:600～800 m2/kg；C:800 m2/kg以上)石粉，石粉等質量替代30%水泥的復合漿體標準稠度用水量和凝結時間試驗，見圖2～5。

圖2 不同巖性石粉標準稠度用水量

圖3 不同石粉細度標準稠度用水量

從圖2可知，相同細度條件下，摻加石灰石粉增加了漿體的標準稠度用水量，其相比基準增加了2.2%；紅砂巖石粉相較基準標稠用水量增加了3.6%；凝灰巖石粉相較基準標稠用水量增加了2.8%；玄武巖石粉相較基準標稠用水量減少了2.2%；花崗巖石粉相較基準標稠用水量增加了2.9%；輝綠巖與基準標稠用水量相同。由圖3中花崗巖石粉、輝綠巖石粉不同細度的標準稠度用水量結果可知，標稠用水量隨著比表面積的增加先增加，而后基本維持不變。標準稠度用水量取決于填充顆?？障蹲杂伤牧恳约邦w粒內孔和外孔壁上吸附水總量，因此標準稠度用水量與顆粒的緊密堆積程度和吸附作用密切相關[14]。從圖1(c)、(d)中可以看出，紅砂巖、凝灰巖較為疏松多孔吸附性強，因此其需水量大。比表面積增加，石粉的粗糙程度明顯增大，因此其標準稠度用水量會增加，但當石粉細度再增加時，大顆粒的孔隙被小顆粒填充，因此出現了其標稠用水量不再增加的現象。

從圖4～5中可見，與基準相比六種不同巖性的石粉緩凝效果均不明顯，其中凝灰巖石粉、玄武巖石粉具有輕微緩凝效果，可緩凝10 min，其余石粉對凝結時間影響不大，不同比表面其凝結時間相差不大，可認為細度對凝結時間基本無影響。

2.5 不同巖性石粉流動比、需水量比

選用六種不同巖性，每種巖石選用三個細度等級(A:400～600 m2/kg；B:600～800 m2/kg；C:800 m2/kg以上)采用標準膠砂用量，石粉等質量替代30%水泥拌制，不同巖性石粉-水泥復合的膠砂流動度比。每種巖石選用固定表面面積B等級做活性指數試驗，試驗結果見圖6～7。

圖7 不同巖性石粉活性指數

由圖6可知，六種巖石的膠砂流動度比均達到了90%以上，其中石灰石粉、玄武巖石粉的膠砂流動度比達到了95%以上。石灰石粉、紅砂巖石粉、花崗巖石粉、輝綠巖石粉流動度比隨著石粉細度的增加，基本呈下降趨勢，下降幅度較小。這主要由于顆粒比表面積增加，其需水量增加，流動度比減小。凝灰巖石粉、輝綠巖石粉的流動度在比表面積600～800 m2/kg時流動度比較大，分析原因是相同比表面積下，不同巖石的粒徑分布情況存在差異，存在此種巖性石粉在比表面積600～800 m2/kg時優化了顆粒級配，顆粒相互填充較好，其需水量減少，流動度比增大。

結合表1，對比分析石粉亞甲藍值與流動度比之間的關系，紅砂巖的MB值為其他五種巖石的8.2～22.5倍，但其流動度比較其他巖石，除明顯小于石灰石粉、玄武巖石粉外，與其他三種巖性石粉基本相同。因此MB值高不能直接反映膠砂流動性差。

由圖7可知，六種巖石的活性指數，凝灰巖石粉>石灰石粉>紅砂巖石粉>玄武巖粉>輝綠巖>花崗巖。

3 結 論

1)相同石粉的MB值純石粉是石粉與標準砂按1∶ 3比例的3～4倍，推薦按國標中方法檢測石粉MB值；細度對亞甲藍值影響不大；六種石粉中紅砂巖石粉的MB值最高，MB值高不能直接反映膠砂流動性差。

2)石粉總堿含量、有效堿、可溶堿之間無相關關系，石灰巖、紅砂巖、凝灰巖、玄武巖、花崗巖、輝綠巖石粉有效堿含量占總堿的百分比分別為0.814%、3.483%、3.904%、4.320%、3.517%、2.192%，為相同地區摻石粉混凝土堿含量提供了參考。

3)玄武巖石粉相較基準標稠用水量減少了2.2%，輝綠巖與基準標稠用水量基本相同，其余石粉的標準稠度用水量較基準均有增大，石粉的緩凝效果不明顯，其中玄武巖石粉可緩凝10 min。

4)六種巖性石粉膠砂流動度比均大于90%，六種巖石的活性指數，凝灰巖石粉>石灰石粉>紅砂巖石粉>玄武巖粉>輝綠巖>花崗巖。

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