片麻巖石粉用于混凝土的技術(shù)指標(biāo)研究

謝小元，萬(wàn)永旺，李顏秀，夏京亮

(1.中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013;2.中交第四航務(wù)工程局有限公司，廣州 510290)

隨著國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)量的激增，混凝土優(yōu)質(zhì)原材料緊缺現(xiàn)象突出，特別是傳統(tǒng)礦物摻合料粉煤灰和礦渣粉，多地出現(xiàn)摻假造假現(xiàn)象，屢禁不止。為此，研究開(kāi)發(fā)補(bǔ)充的輔助膠凝材料成為目前混凝土工程和技術(shù)面臨的重大挑戰(zhàn)。劉數(shù)華、史才軍等人研究了石灰石粉作為礦物摻合料在混凝土中的影響，石灰石粉在混凝土中主要作用包括填充作用、減水作用、晶核作用以及微弱的化學(xué)作用[1-4]。王強(qiáng)等人研究了鋼渣在混凝土中應(yīng)用，結(jié)果表明，鋼渣在膠凝材料硬化過(guò)程中所起的作用小于傳統(tǒng)礦物摻合料礦渣，隨著鋼渣摻量的增大，膠凝材料的早期和后期性能都在降低[5-7]。夏京亮等人研究了非洲肯尼亞的兩種天然火山灰質(zhì)材料對(duì)于混凝土性能的影響，結(jié)果表明，天然火山灰質(zhì)材料可以作為粉煤灰的替代品，摻量范圍在10%～30%之間，天然火山灰質(zhì)材料對(duì)于混凝土工作性能影響較小，一定程度上降低了混凝土強(qiáng)度和耐久性，但是通過(guò)混凝土配合比調(diào)整和優(yōu)化，可以配制出滿足鐵路標(biāo)準(zhǔn)要求的混凝土[7-12]。然而對(duì)于國(guó)內(nèi)應(yīng)用較廣的片麻巖加工機(jī)制砂產(chǎn)生的片麻巖石粉研究尚較少，特別是片麻巖石粉含有云母的特點(diǎn)，對(duì)于混凝土性能的影響規(guī)律還不清晰，為此，該文主要采用流動(dòng)度比和活性指數(shù)兩個(gè)技術(shù)指標(biāo)，從片麻巖石粉細(xì)度、摻量和云母含量的角度出發(fā)，研究了片麻巖石粉作為礦物摻合料用于混凝土的技術(shù)指標(biāo)，促進(jìn)片麻巖石粉在混凝土的工程應(yīng)用。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

片麻巖石粉：化學(xué)成分見(jiàn)表1，主要化學(xué)成分為SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3，同時(shí)含有一定量的K2O和Na2O；微觀形貌見(jiàn)圖1，可以看出片麻巖石粉微觀形貌上表面有層狀、片狀結(jié)構(gòu)和孔隙腔體結(jié)構(gòu)，另外其表面較為粗糙。

表1 片麻巖石粉化學(xué)成分 w/%

1.2 方法

片麻巖石粉細(xì)度采用FSY-150型水泥細(xì)度負(fù)壓篩析儀，參考標(biāo)準(zhǔn)《水泥細(xì)度檢驗(yàn)方法 篩析法》GB/T 1345—2005的負(fù)壓篩析法進(jìn)行測(cè)試。

比表面積采用FBT-9型全自動(dòng)比表面積測(cè)定儀，參照標(biāo)準(zhǔn)《水泥比表面積測(cè)定方法 勃氏法》GB/T 8074—2008的透氣法進(jìn)行測(cè)試。

片麻巖石粉與水泥比例為3∶7，流動(dòng)度采用JJ-5水泥膠砂攪拌機(jī)和NLD-3型水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定儀，按照標(biāo)準(zhǔn)《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法》GB/T 2419—2005進(jìn)行測(cè)試。

抗壓強(qiáng)度按照標(biāo)準(zhǔn)《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)》GB/T 17671—1999成型尺寸為40 mm×40 mm×160 mm的棱柱體基準(zhǔn)試件和試驗(yàn)試件，脫模后在(20±1)℃的水中養(yǎng)護(hù)7 d、28 d后進(jìn)行測(cè)試。

活性指數(shù)，在測(cè)試抗壓強(qiáng)度的基礎(chǔ)上按照《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》GB/T 1596活性指數(shù)試驗(yàn)方法進(jìn)行計(jì)算。

2 結(jié)果與分析

2.1 片麻巖石粉細(xì)度的影響

采用實(shí)驗(yàn)室的小型球磨機(jī)，每次加入到球磨機(jī)中的片麻巖石粉質(zhì)量均為3 kg，設(shè)置粉磨加工時(shí)間為10 min、20 min和30 min，測(cè)試不同粉磨時(shí)間下得到的片麻巖石粉細(xì)度，研究其加工性能，同時(shí)試驗(yàn)研究不同細(xì)度的片麻巖石粉技術(shù)制備情況，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 細(xì)度對(duì)片麻巖石粉性能的影響

由表2中試驗(yàn)結(jié)果可知，在粉磨時(shí)間20 min之前，隨著粉磨時(shí)間的延長(zhǎng)，片麻巖石粉細(xì)度變細(xì)，比表面積增大，相比于未粉磨的原狀片麻巖石粉，粉磨10 min、20 min和30 min的片麻巖石粉細(xì)度分別降低了55.7%、67.1%、59.3%，可以看出，在粉磨10 min時(shí)，片麻巖石粉細(xì)度迅速變細(xì)，進(jìn)一步粉磨到20 min，雖然片麻巖石粉細(xì)度變細(xì)，但是變細(xì)的幅度很小，直到粉磨30 min時(shí)，篩余反而變大了。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因主要是，當(dāng)粉體細(xì)度達(dá)到一定程度時(shí)，由于粉體顆粒表面電荷增多，出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，此時(shí)如果不采用相應(yīng)的技術(shù)措施，如摻加表面活性劑，進(jìn)一步粉磨，對(duì)于粉體細(xì)度已經(jīng)沒(méi)有作用。

不同粉磨時(shí)間的片麻巖石粉流動(dòng)度比試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。可以看出，粉磨時(shí)間10 min的片麻巖石粉相比于未粉磨的原狀石粉流動(dòng)度比顯著提高，隨著進(jìn)一步粉磨，片麻巖石粉的流動(dòng)度比提高較小。片麻巖石粉在漿體中呈現(xiàn)填充作用，細(xì)度較細(xì)的片麻巖石粉顆?？梢蕴畛浯罅降乃囝w粒之間的孔隙，從而釋放出水泥顆粒之間孔隙水，起到一定的減水作用，由于片麻巖石粉的團(tuán)聚效應(yīng)，隨著粉磨時(shí)間的延長(zhǎng)，片麻巖石粉顆粒粒徑并沒(méi)有進(jìn)一步減小，因此，其填充減水作用隨著粉磨時(shí)間的延長(zhǎng)沒(méi)有較為顯著的提高。從片麻巖石粉流動(dòng)度比的角度而言，片麻巖石粉在混凝土中應(yīng)用可以適當(dāng)粉磨，但是粉磨時(shí)間需要科學(xué)試驗(yàn)確定，不宜過(guò)長(zhǎng)，較長(zhǎng)時(shí)間的粉磨能耗較高，技術(shù)效果提高不明顯。

不同粉磨時(shí)間的片麻巖石粉活性指數(shù)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3?？梢钥闯?，粉磨時(shí)間10 min的片麻巖石粉相比于未粉磨的原狀石粉，比表面積從177 m2/kg增加到350 m2/kg，片麻巖石粉7 d活性指數(shù)增加了13%，28 d活性指數(shù)增加了10%。而粉磨時(shí)間由10 min增加到20 min、30 min，片麻巖石粉比表面積從350 m2/kg增加到482 m2/kg、471 m2/kg，活性指數(shù)基本上保持不變，且7 d活性指數(shù)和28 d活性指數(shù)基本相近。片麻巖石粉為惰性的輔助膠凝材料，主要作為是填充作用，但是將其粉磨至一定的細(xì)度，較細(xì)的顆?？梢院芎玫姆稚⒂谒囝w粒之間，起到晶核作用，從而加速水泥早期的水化，提高水泥-片麻巖石粉體系早期強(qiáng)度。隨著粉磨時(shí)間的延長(zhǎng)，由于片麻巖石粉顆粒的團(tuán)聚作用，石粉顆粒粒徑并沒(méi)有進(jìn)一步降低，因此其填充作用和晶核作用均未提高，因此粉磨時(shí)間延長(zhǎng)并不能提高片麻巖石粉活性指數(shù)?？紤]到粉磨加工，增加了應(yīng)用工序，并增加能耗，從而提高了應(yīng)用成本，因此在片麻巖石粉應(yīng)用過(guò)程中，盡量采用原狀石粉，如確需粉磨加工，需要試驗(yàn)確定粉磨時(shí)間。

2.2 片麻巖石粉摻量的影響

為研究片麻巖石粉在混凝土中應(yīng)用，試驗(yàn)了片麻巖石粉摻量對(duì)于水泥-片麻巖石粉體系性能的影響，片麻巖石粉摻量設(shè)置為0、10%、20%、30%四個(gè)變量。片麻巖石粉摻量對(duì)于片麻巖石粉-水泥膠砂流動(dòng)性的影響見(jiàn)圖4?？梢钥闯觯S著片麻巖石粉摻量的增加，摻片麻巖石粉水泥膠砂的流動(dòng)度顯著下降，膠砂工作性能劣化，相比于未摻片麻巖石粉的基準(zhǔn)組，片麻巖石粉摻量10%、20%、30%的三組膠砂流動(dòng)度分別降低了5%、8%和12%。主要原因?yàn)?，片麻巖石粉為惰性輔助膠凝材料，在膠砂體系中主要呈現(xiàn)填充作用，雖然片麻巖石粉可以填充水泥顆粒，釋放一定數(shù)量的水泥顆?？紫端?，對(duì)于膠砂流動(dòng)性具有一定的正效應(yīng)；然而，片麻巖石粉顆粒表面有層狀、片狀結(jié)構(gòu)和孔隙腔體結(jié)構(gòu)，另外其表面較為粗糙，一定程度上增加了膠砂流動(dòng)的阻力，對(duì)于膠砂流動(dòng)性具有顯著的負(fù)效應(yīng)。隨著片麻巖石粉摻量的增加，其對(duì)于膠砂流動(dòng)性的負(fù)效應(yīng)愈加明顯，成為主要影響，因此降低了膠砂流動(dòng)度比。在片麻巖石粉摻量為20%時(shí)，摻片麻巖石粉水泥膠砂的流動(dòng)度為92%，此時(shí)流動(dòng)性雖有降低，膠砂流動(dòng)性相對(duì)較好，對(duì)于此時(shí)的混凝土施工尚可以保證，為此在實(shí)際工程應(yīng)用中，從工作性的角度出發(fā)，建議片麻巖石粉摻量控制在20%以內(nèi)。

片麻巖石粉摻量對(duì)于摻片麻巖石粉水泥膠砂的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的影響分別見(jiàn)圖5和圖6，可以看出，片麻巖石粉摻量對(duì)膠砂抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律相近。隨著片麻巖石粉摻量的增加，膠砂抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均有所降低，相對(duì)比未摻片麻巖石粉的基準(zhǔn)試驗(yàn)組，片麻巖石粉摻量10%、20%、30%的三組膠砂7 d抗折強(qiáng)度分別降低了10.4%、13.2%、36.3%；28 d抗折強(qiáng)度分別降低了12.7%、17.0%、26.4%；7 d抗壓強(qiáng)度分別降低了31.9%、27.9%、42.3%；28 d抗壓強(qiáng)度分別降低了23.1%、29.9%、43.1%。主要原因?yàn)槠閹r石粉為惰性輔助膠凝材料，在水泥-片麻巖石粉體系中僅僅起到填充作用和一定的晶核作用，在一定程度上對(duì)于膠砂強(qiáng)度具有一定的正效應(yīng)；但是由于片麻巖石粉基本不參與水泥水化，片麻巖石粉的摻入，減少了水泥用量，稀釋了體系中水泥的密度，同時(shí)提高了水灰比，對(duì)于膠砂強(qiáng)度具有顯著的負(fù)效應(yīng)，因此隨著片麻巖石粉摻量的增加，其負(fù)效應(yīng)占到主要地位，降低了體系膠砂的強(qiáng)度。片麻巖石粉摻量從10%增至20%，體系膠砂強(qiáng)度降低幅度相對(duì)較小，摻量從20%增至30%，體系膠砂強(qiáng)度顯著降低，因此從強(qiáng)度角度考慮，工程中同樣建議片麻巖石粉摻量不宜過(guò)高，需要控制在20%以內(nèi)。

2.3 云母含量的影響

云母是含鉀、鋁、鎂、鐵等化學(xué)成分的鋁硅酸鹽，呈現(xiàn)層狀結(jié)構(gòu)，為單斜晶系，化學(xué)式為KAl2(AlSi3O10)(OH)2。由于云母的層狀結(jié)構(gòu)，其對(duì)于混凝土性能具有一定的負(fù)面影響，為此在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建設(shè)用砂》GB/T 14684—2011中規(guī)定了云母的含量限值，對(duì)于Ⅰ類砂要求含量<1%；對(duì)于Ⅱ、Ⅲ類砂要求含量<2%。通常片麻巖含有一定量的云母，通過(guò)粉磨加工，可能會(huì)形成一定量的游離云母顆粒，進(jìn)而影響其在混凝土中的應(yīng)用。為研究云母含量對(duì)于片麻巖石粉用于混凝土中的影響，試驗(yàn)了云母含量對(duì)片麻巖石粉技術(shù)指標(biāo)的影響，通過(guò)外摻云母，試驗(yàn)設(shè)置了0、2%、4%、6%四個(gè)云母含量變量，測(cè)試其對(duì)于水泥-片麻巖石粉體系性能的影響。

圖7為片麻巖石粉中云母含量對(duì)于水泥-片麻巖石粉體系流動(dòng)性的影響，圖8為試驗(yàn)過(guò)程照片。從圖中可以看出，隨著片麻巖石粉中云母含量的增加，體系膠砂流動(dòng)度比逐漸降低，充分表明片麻巖石粉中云母含量增加了其需水量，對(duì)于體系流動(dòng)性具有顯著的負(fù)面影響，主要原因?yàn)樵颇甘菍訝罱Y(jié)構(gòu)，層狀結(jié)構(gòu)的云母顆粒在體系中增加了漿體流動(dòng)的阻力，降低了水泥-片麻巖石粉體系膠砂流動(dòng)性，因此，在片麻巖石粉應(yīng)用過(guò)程中，應(yīng)注意云母含量的控制。

片麻巖石粉云母含量對(duì)于摻片麻巖石粉水泥膠砂的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的影響分別見(jiàn)圖9和圖10，可以看出，片麻巖石粉云母含量對(duì)膠砂抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律相近。隨著云母含量的增加，膠砂抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均有所降低，相對(duì)比沒(méi)有外摻云母的基準(zhǔn)試驗(yàn)組，片麻巖石粉云母含量2%、4%、6%的三組膠砂28 d抗折強(qiáng)度分別降低了25.3%、28.6%、34.5%；28 d抗壓強(qiáng)度分別降低了37.6%、42.4%、48.7%。主要原因是：一方面，云母為層狀結(jié)構(gòu)，片麻巖石粉中的云母顆粒一般呈現(xiàn)薄片狀，其自身顆粒容易遭到破環(huán)，較為薄弱的云母顆粒與水泥水化產(chǎn)物粘結(jié)力弱，容易形成薄弱環(huán)節(jié)，從而使得體系膠砂因云母顆粒的破壞而擴(kuò)展破壞；另一方面，云母顆粒表面較為光滑，與水泥漿體形成較為薄弱的界面，進(jìn)一步降低了體系的強(qiáng)度。因此，在片麻巖石粉應(yīng)用過(guò)程中，應(yīng)特別注意云母含量的控制。

3 結(jié) 論

針對(duì)機(jī)制砂生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生大量石粉，需要資源化應(yīng)用的問(wèn)題，研究了片麻巖石粉作為礦物摻合料在混凝土中應(yīng)用的技術(shù)指標(biāo)，得到如下結(jié)論：

a.隨著粉磨時(shí)間的延長(zhǎng)，片麻巖石粉細(xì)度變細(xì)，比表面積增大，但是進(jìn)一步延長(zhǎng)粉磨時(shí)間并不能使石粉變細(xì)；提高細(xì)度可以增大水泥-片麻巖石粉體系漿體的流動(dòng)性和強(qiáng)度。

b.隨著片麻巖石粉摻量的增加，摻片麻巖石粉水泥膠砂的流動(dòng)度顯著下降，膠砂抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均有所降低。

c.片麻巖石粉中云母含量增加了需水量，隨著片麻巖石粉中云母含量的增加，水泥-片麻巖石粉體系流動(dòng)度比、抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均逐漸降低。