趙　杰

（鋼城集團(tuán)涼山瑞海實(shí)業(yè)有限公司，四川 西昌 615000）

0　引言

高硅礦石，也有研究稱其為硅石，多以天然礦石或選礦尾礦形式存在[1]。雖然其SiO2含量相對較高，但仍不能滿足特種石英材料或石英砂的純度要求，因此此類天然高硅礦石多未經(jīng)開發(fā)，選礦尾礦類高硅礦石多以堆存為主。近年來，以地域性天然原料或各類工業(yè)廢渣制備綠色建筑材料越來越受到國家和相關(guān)建筑建材科研院所和企業(yè)的重視。以地域性天然原料或各類廢渣制備混凝土用礦物摻合料是重點(diǎn)關(guān)注方向之一。礦物摻合料的使用可以減少水泥熟料用量，同時(shí)提高混凝土的工作性和耐久性[2-5]。傳統(tǒng)礦物摻合料以粉煤灰、粒化高爐礦渣粉等工業(yè)廢渣為主，但工業(yè)廢渣基礦物摻合料受地域資源和工業(yè)布局限制，不僅組成、結(jié)構(gòu)和性能波動(dòng)大，而且部分地區(qū)供應(yīng)困難。（JG/T 486—2015）《混凝土用復(fù)合摻合料》明確指出，未來的混凝土用礦物摻合料將以復(fù)合摻合料為主。復(fù)合摻合料既可保持單一種類礦物摻合料的優(yōu)點(diǎn)，又可利用復(fù)合化效應(yīng)揚(yáng)長避短，促進(jìn)低品質(zhì)工業(yè)廢渣（如低等級粉煤灰、高鈦礦渣）和天然礦石材料在建材中的應(yīng)用，從而解決傳統(tǒng)單一優(yōu)質(zhì)礦物摻合料供給困難、價(jià)格偏高問題[6-10]。

結(jié)合涼山儲量豐富的高硅礦石，針對生產(chǎn)過程中排放量高、利用率偏低的低等級粉煤灰為研究對象，研究低等級粉煤灰和高硅礦石基復(fù)合摻合料的技術(shù)可行性，從而促進(jìn)低等級粉煤灰和地域性天然原料的綜合開發(fā)和利用。

1　原材料及實(shí)驗(yàn)方法

1.1　原材料

水泥為P·O42.5R普通硅酸鹽水泥，水泥物理性能見表1；低等級粉煤灰來自四川攀枝花某電廠粉煤灰（PF）和四川江油某廠粉煤灰（JF）；高硅礦石為雅安市某礦山生產(chǎn)；骨料為標(biāo)準(zhǔn)砂以及市售河砂和碎石，砂的細(xì)度模數(shù)2.43，碎石為5～25 mm連續(xù)級配；聚羧酸減水劑，質(zhì)量分?jǐn)?shù)49.3%，減水率28.7%。

表1　水泥的物理性能

高硅礦石粉、低等級粉煤灰以及復(fù)合摻合料均為利用實(shí)驗(yàn)室球磨機(jī)將原料粉磨45 min制備得到。水泥、粉煤灰、高硅礦石及所制備復(fù)合摻合料化學(xué)成分見表2。

表2　化學(xué)成分分析表　%

1.2　實(shí)驗(yàn)方法及設(shè)備

復(fù)合摻合料、粉煤灰、高硅礦石粉需水量比、活性、膠砂流動(dòng)度和流動(dòng)度比分別參照GB/T 1596－2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》和JG/T 486－2015《混凝土用復(fù)合摻合料》進(jìn)行；混凝土配合比依據(jù)JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》設(shè)計(jì)；混凝土成型及工作性能（坍落度）測試參照GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》；混凝土力學(xué)性能測試按GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，每組配合比各齡期抗壓強(qiáng)度檢測3個(gè)100 mm×100 mm×100 mm試塊，加載速率5.0 kN/s，結(jié)果取其算數(shù)平均值。采用荷蘭產(chǎn)X'Pert PRO型X射線衍射儀、德國蔡司公司ultra55掃描電子顯微鏡測試各原料的物相組成和微觀形貌。

2　結(jié)果與討論

2.1　復(fù)合摻合料物理化學(xué)性能

由表2各原料的化學(xué)成分分析可知，高硅礦石粉SO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，超出粉煤灰和復(fù)合摻合料的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求；而粉煤灰JF燒失量較高，其燒失量指標(biāo)僅能達(dá)到Ⅲ級粉煤灰標(biāo)準(zhǔn)。將高硅礦石粉分別與粉煤灰PF、JF復(fù)合，所得的復(fù)合摻合料SO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)和燒失量降低，但隨著高硅礦石粉摻量增加，SO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高；隨粉煤灰JF摻量增加，燒失量增大。按照粉煤灰或復(fù)合摻合料相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，SO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在3.0%或3.5%以下，故摻用高硅礦石粉的復(fù)合摻合料應(yīng)特別注意SO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)的調(diào)節(jié)。

對粉煤灰和高硅礦石粉的礦物組成和微觀形貌進(jìn)行了分析，如圖1所示?？梢钥闯龇勖夯襊F和JF礦物組成相似，主要礦物是莫來石和石英，但在15～35°的衍射角度范圍內(nèi)饅頭峰并不顯著，說明晶體物質(zhì)含量較多、玻璃體相對較少；而高硅礦石粉物相以石英為主，未標(biāo)注雜峰主要為鋁硅酸鹽礦物。

圖1　粉煤灰PF（左）、JF（中）和高硅礦石粉（右）XRD圖譜

圖2為粉煤灰和高硅礦石SEM圖。從圖2中可以看出：粉煤灰PF中球形顆粒較多；粉煤灰JF中球形顆粒較少，仍有較多不規(guī)則顆粒存在；高硅礦石粉主要由棱角分明的不規(guī)則顆粒組成，表面相對較為致密光滑。

圖2　粉煤灰PF（左）、JF（中）和高硅礦石粉（右）SEM圖

高硅礦石粉、低等級粉煤灰以及復(fù)合摻合料粉磨45 min制備得到摻合料的粒度分布和需水量比如表3所示。粉磨后，高硅礦石粉、低等級粉煤灰及復(fù)合摻合料45 μm的篩余量均能滿足Ⅰ級粉煤灰和混凝土用復(fù)合摻合料標(biāo)準(zhǔn)要求。單獨(dú)磨細(xì)得到的高硅礦石粉、粉煤灰PF和JF需水量比均為100%。復(fù)合粉磨后，粉煤灰PF和高硅礦石粉制備的復(fù)合摻合料需水量比有所下降，由圖2分析，粉煤灰PF中球形顆粒較多，能夠起到潤滑和減水效果；而粉煤灰JF和高硅礦石粉制備的復(fù)合摻合料需水量比隨著高硅礦石粉摻量增加而提高，這可能與兩者球形顆粒含量過少有關(guān)。

表3　粒度分布和需水量比

2.2　復(fù)合摻合料工作性及力學(xué)性能

需水量比檢測主要針對粉煤灰，而復(fù)合摻合料情況更為復(fù)雜。按照J(rèn)G/T 486—2015《混凝土用復(fù)合摻合料》中指標(biāo)設(shè)定，復(fù)合摻合料對砂漿和混凝土工作性影響主要利用流動(dòng)度和流動(dòng)比來衡量。從表4可以看到，粉煤灰PF對砂漿工作性改善明顯，而高硅礦石粉和粉煤灰JF則會降低砂漿工作性。復(fù)合摻合料工作性隨粉煤灰PF用量增大而增加，均超過單獨(dú)摻粉煤灰PF和高硅礦石粉的砂漿組；而粉煤灰JF和高硅礦石粉制備的復(fù)合摻合料工作性較差，且隨著高硅礦石粉用量增加，工作性逐漸下降，甚至低于單獨(dú)選用粉煤灰JF和高硅礦石粉的砂漿組。利用低等級粉煤灰和高硅礦石粉制備的復(fù)合摻合料活性均介于粉煤灰PF和高硅礦石粉以及粉煤灰JF和高硅礦石粉之間，表明幾者之間的協(xié)同效應(yīng)并不明顯。

表4　復(fù)合摻合料膠砂工作性及力學(xué)性能

2.3　復(fù)合摻合料制備混凝土

實(shí)驗(yàn)拌制的是C30混凝土，配合比設(shè)計(jì)見表5。其中膠凝材料總量為325 kg/m3，高硅礦石粉、低等級粉煤灰或高硅礦石粉和低等級粉煤灰復(fù)合制備的復(fù)合摻合料占膠凝材料質(zhì)量的30%，減水劑的摻量固定，實(shí)驗(yàn)中減水劑的摻量為制備15 L混凝土?xí)r的具體摻量。

表5　混凝土配合比設(shè)計(jì)

從表6中可以看到在固定減水劑摻量下，單獨(dú)摻用粉煤灰PF有利于提高混凝土的坍落度，而高硅礦石粉摻入對混凝土工作性不利；而復(fù)合摻合料所制備的混凝土整體來看工作性較差。

表6　混凝土性能

單摻高硅礦石粉，混凝土抗壓強(qiáng)度雖然大于30 MPa，但強(qiáng)度富余量明顯不足；摻復(fù)合摻合料制備的混凝土，強(qiáng)度變化規(guī)律為隨著高硅礦石粉的增加而基本呈下降趨勢，且基本介于單獨(dú)摻用粉煤灰PF和高硅礦石粉以及粉煤灰JF和高硅礦石粉制備的混凝土力學(xué)強(qiáng)度之間。

3　結(jié)論

（1）低等級粉煤灰和高硅礦石粉復(fù)合能夠調(diào)節(jié)復(fù)合摻合料的化學(xué)組成，使之滿足于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)需要。

（2）利用低等級粉煤灰和高硅礦石粉制備的復(fù)合摻合料的工作性能和力學(xué)性能未能得到顯著改善，性能和功能疊加效應(yīng)并不明顯。