不同巖性石粉關(guān)鍵物化指標(biāo)及膠砂性能

王亞萍，李進(jìn)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(chǎn)過程會產(chǎn)生大量廢棄天然巖石粉，不加以利用，將造成資源浪費和環(huán)境污染，而隨著基建的快速發(fā)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(guān)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(yīng)用已相對成熟，并有兩部規(guī)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(shù)規(guī)范》(DL/T 5304—2013)進(jìn)行規(guī)范性指導(dǎo)[1]。其他巖性石粉，江達(dá)宣等將花崗巖石粉與礦渣粉、粉煤灰復(fù)合，惰性石粉多元復(fù)合可增強復(fù)合效應(yīng)，花崗巖石粉摻量增加會減弱混凝土力學(xué)性能和耐久性能，建議石粉摻量控制在10%范圍內(nèi)[2-4]。Thiago等[5]研究表明：玄武巖石粉對水泥的力學(xué)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(fù)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(xué)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?guī)r和凝灰?guī)r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(yīng)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(xué)性能、耐久性和體積穩(wěn)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(fù)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(guān)于摻合料中引入的堿無相關(guān)規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)，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(guān)鍵物理化學(xué)性質(zhì)及膠砂性能的系統(tǒng)研究較少，基于此，本文選取石灰?guī)r、紅砂巖、凝灰?guī)r、玄武巖、花崗巖、輝綠巖六種石粉，研究不同巖性、不同細(xì)度石粉的亞甲藍(lán)(MB值)、堿含量、標(biāo)稠用水量及凝結(jié)時間、流動度比、活性指數(shù)等，為不同巖性石粉的應(yīng)用奠定堅實的基礎(chǔ)。

1 試 驗

1.1 原材料

選用青海省祁連縣黃藏寺的石灰?guī)r、山東日照的紅砂巖、河北石家莊的凝灰?guī)r、陜西安康的玄武巖、陜西省安康市鎮(zhèn)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(nèi)進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)砂按1∶ 3比例混合進(jìn)行測試，《水工混凝土摻用石灰石粉技術(shù)規(guī)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(jìn)行對比分析。

1.2.2 堿含量

參照《水泥化學(xué)分析方法》(GB/T 176—2008)中對水泥總堿量的測定方法，將試樣經(jīng)氫氟酸-硫酸蒸發(fā)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(chǎn)品生產(chǎn)過程中的質(zhì)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?lián)u動10 min，然后在弱真空條件下用布氏漏斗過濾，將濾液轉(zhuǎn)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)稠度用水量及凝結(jié)時間

采用不同巖性石粉，分別替代30%水泥質(zhì)量，按照《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時間、安定性檢驗方法》(GB/T 1346—2011)進(jìn)行不同石粉-水泥復(fù)合漿體的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量和凝結(jié)時間試驗。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 不同巖性石粉MB值

選用相同細(xì)度(比表面積為400～600 m2/kg)的石灰?guī)r(LP)、紅砂巖(RSP)、凝灰?guī)r(TP)、玄武巖石粉(BP)、花崗巖(GP)及輝綠巖(DP)三個細(xì)度等級(A:400～600 m2/kg；B:600～800 m2/kg；C:800 m2/kg以上)石粉進(jìn)行MB值測試，試驗結(jié)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(shù)規(guī)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(biāo)準(zhǔn)砂按1∶ 3比例的3～4倍。石粉在應(yīng)用過程中一般摻量較小，因此推薦按國標(biāo)中方法檢測石粉MB值。

從表2可知，相同細(xì)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(biāo)要求≤1.4，認(rèn)為紅砂巖石粉亞甲藍(lán)值過高，故本文后續(xù)試驗中應(yīng)重點關(guān)注其流動性、需水量等，確定其適用性。從輝綠巖石粉不同細(xì)度MB值結(jié)果可以看出，石粉隨著細(xì)度的增加，MB值會略有提高，細(xì)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(jié)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?guī)r<輝綠巖；可溶性堿含量：花崗巖<石灰石<玄武巖<輝綠巖<凝灰?guī)r<紅砂巖；總堿含量：玄武巖<輝綠巖<石灰石<紅砂巖=凝灰?guī)r<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(guān)關(guān)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(qū)域的石粉在工程中應(yīng)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(jié)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?guī)r石粉(×1 000倍)

(f)凝灰?guī)r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(jié)構(gòu)，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(xì)顆粒含量多；圖1(e)、(f)顯示凝灰?guī)r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(jié)構(gòu)，表面棱角性較大，致密；圖1(i)、(j)顯示，花崗巖呈層理結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)，較密實，粉磨之后顆粒片狀較多。

2.4 標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量和凝結(jié)時間

選用相同細(xì)度(比表面積為400～600 m2/kg)的石灰?guī)r、紅砂巖、凝灰?guī)r、玄武巖石粉，及輝綠巖、花崗巖三個細(xì)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(zhì)量替代30%水泥的復(fù)合漿體標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量和凝結(jié)時間試驗，見圖2～5。

圖2 不同巖性石粉標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量

圖3 不同石粉細(xì)度標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量

從圖2可知，相同細(xì)度條件下，摻加石灰石粉增加了漿體的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量，其相比基準(zhǔn)增加了2.2%；紅砂巖石粉相較基準(zhǔn)標(biāo)稠用水量增加了3.6%；凝灰?guī)r石粉相較基準(zhǔn)標(biāo)稠用水量增加了2.8%；玄武巖石粉相較基準(zhǔn)標(biāo)稠用水量減少了2.2%；花崗巖石粉相較基準(zhǔn)標(biāo)稠用水量增加了2.9%；輝綠巖與基準(zhǔn)標(biāo)稠用水量相同。由圖3中花崗巖石粉、輝綠巖石粉不同細(xì)度的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量結(jié)果可知，標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)稠度用水量取決于填充顆?？障蹲杂伤牧恳约邦w粒內(nèi)孔和外孔壁上吸附水總量，因此標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量與顆粒的緊密堆積程度和吸附作用密切相關(guān)[14]。從圖1(c)、(d)中可以看出，紅砂巖、凝灰?guī)r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(biāo)準(zhǔn)稠度用水量會增加，但當(dāng)石粉細(xì)度再增加時，大顆粒的孔隙被小顆粒填充，因此出現(xiàn)了其標(biāo)稠用水量不再增加的現(xiàn)象。

從圖4～5中可見，與基準(zhǔn)相比六種不同巖性的石粉緩凝效果均不明顯，其中凝灰?guī)r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(jié)時間影響不大，不同比表面其凝結(jié)時間相差不大，可認(rèn)為細(xì)度對凝結(jié)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(xì)度等級(A:400～600 m2/kg；B:600～800 m2/kg；C:800 m2/kg以上)采用標(biāo)準(zhǔn)膠砂用量，石粉等質(zhì)量替代30%水泥拌制，不同巖性石粉-水泥復(fù)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(shù)試驗，試驗結(jié)果見圖6～7。

圖7 不同巖性石粉活性指數(shù)

由圖6可知，六種巖石的膠砂流動度比均達(dá)到了90%以上，其中石灰石粉、玄武巖石粉的膠砂流動度比達(dá)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(xì)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?guī)r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(yōu)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(jié)合表1，對比分析石粉亞甲藍(lán)值與流動度比之間的關(guān)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(shù)，凝灰?guī)r石粉>石灰石粉>紅砂巖石粉>玄武巖粉>輝綠巖>花崗巖。

3 結(jié) 論

1)相同石粉的MB值純石粉是石粉與標(biāo)準(zhǔn)砂按1∶ 3比例的3～4倍，推薦按國標(biāo)中方法檢測石粉MB值；細(xì)度對亞甲藍(lán)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(guān)關(guān)系，石灰?guī)r、紅砂巖、凝灰?guī)r、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(qū)摻石粉混凝土堿含量提供了參考。

3)玄武巖石粉相較基準(zhǔn)標(biāo)稠用水量減少了2.2%，輝綠巖與基準(zhǔn)標(biāo)稠用水量基本相同，其余石粉的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量較基準(zhǔn)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(shù)，凝灰?guī)r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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