李曉寧 李婷 瞿海洋 朱玉雪

（1中建材中巖科技有限公司，北京 100024；2中國建筑材料科學(xué)研究總院有限公司，北京 100024）

1 引言

隨著中國建筑行業(yè)的快速發(fā)展，預(yù)拌混凝土的大量應(yīng)用導(dǎo)致砂石資源嚴(yán)重短缺，采用機(jī)制砂代替天然砂進(jìn)行砂漿混凝土的配制受到越來越多的重視[1]。但是機(jī)制砂的生產(chǎn)方式造成了其較高的石粉含量及含泥量，從而導(dǎo)致混凝土坍落度損失過快，影響施工和混凝土的性能與質(zhì)量。但是石粉在一定的應(yīng)用條件下，不但不會(huì)降低混凝土強(qiáng)度，還會(huì)填補(bǔ)混凝土骨料之間的空隙，起到一定的潤滑作用[2]，從而在一定程度上確?；炷帘Ｋ院驼尘坌訹3-5]。為了更好的將高石粉含量的機(jī)制砂應(yīng)用于混凝土中，滿足對(duì)高性能混凝土的要求，探究石粉對(duì)砂漿混凝土的影響具有重要意義。

通過相關(guān)文獻(xiàn)查閱[6，7]，影響石粉的質(zhì)量與性能的關(guān)鍵物性參數(shù)有：巖性、顆粒大小及分布、比表面積、含泥量和反應(yīng)活性。本研究通過選取不同的試驗(yàn)方法分別探究各關(guān)鍵物性參數(shù)，通過各試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，確定適宜的試驗(yàn)方法，同時(shí)為探究石粉對(duì)砂漿混凝土的影響打下基礎(chǔ)。

2 試驗(yàn)原材料與測(cè)試方法

2.1 試驗(yàn)原材料

研究共收集到6種石粉，分別為石灰石粉、花崗巖石粉、重晶石粉及3種玄武巖石粉。其中石灰石粉來自試驗(yàn)室購買的外加劑檢驗(yàn)用細(xì)集料經(jīng)破碎粉磨制得；花崗巖與重晶石粉為市售石粉；玄武巖石粉為市售細(xì)集料經(jīng)實(shí)驗(yàn)室破碎粉磨制得。

此外，石灰石粉活性指數(shù)試驗(yàn)用水泥為山東中聯(lián)水泥生產(chǎn)的P.I. 42.5級(jí)基準(zhǔn)水泥，主要性能指標(biāo)如表1所示。

2.2 試驗(yàn)測(cè)試方法

2.2.1 石粉基本巖性

不同巖性的礦物摻合料其本質(zhì)區(qū)別即具有不同的礦物成分含量，研究通過XRD和XRF測(cè)試將礦物成分進(jìn)行定性和定量分析。試驗(yàn)采用 Bruker D8-Advance X射線衍射儀對(duì)石粉礦物成分進(jìn)行測(cè)試，X射線衍射儀工作參數(shù)：Cu靶，管電壓40kV，管電流30mA，步長0.02°；采用島津XRF-1800 X射線熒光光譜分析儀對(duì)石粉的化學(xué)組成進(jìn)行測(cè)試。

2.2.2 石粉顆粒大小及分布

參照GB/T 30190-2013《石灰石粉混凝土》，采用45μm的篩余來表征；同時(shí)采用激光粒度分析儀對(duì)石粉的粒徑分布進(jìn)行測(cè)試。

2.2.3 石粉比表面積

參照GB/T 8074-2008《水泥比表面積測(cè)定方法 勃氏法》，進(jìn)行石粉比表面積的測(cè)定；采用TriStar II 3020 高速自動(dòng)比表面積及孔隙度分析儀進(jìn)行BET氮吸附法比表面積測(cè)試；根據(jù)激光粒度分析儀測(cè)定的石粉顆粒分布結(jié)果，通過計(jì)算機(jī)計(jì)算得到比表面積數(shù)值。

表1 P.I.42.5級(jí)基準(zhǔn)水泥主要性能指標(biāo)

2.2.4 石粉含泥量

研究采用MB值表征材料含泥量的高低。根據(jù)GB/T 30190-2013《石灰石粉混凝土》和GB/T 14684-2011《建設(shè)用砂》進(jìn)行亞甲基藍(lán)光暈測(cè)試，主要區(qū)別為前者需要將石粉與一定量的標(biāo)準(zhǔn)砂混合均勻而后者是直接將材料溶于水形成懸濁液進(jìn)行測(cè)試。一種新測(cè)試方法是利用分光光度計(jì)[8]，測(cè)試懸濁物質(zhì)上清液的吸光度，反推溶液中的亞甲基藍(lán)濃度，再通過公式計(jì)算出MB值。

2.2.5 反應(yīng)活性

根據(jù)GB/T 30190-2013《石灰石粉混凝土》及GB/T 18736-2017《高強(qiáng)高性能混凝土用礦物外加劑》中規(guī)定的活性指數(shù)的測(cè)試方法，采用受檢膠砂和基準(zhǔn)膠砂在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)至相同規(guī)定齡期的抗壓強(qiáng)度之比，表示其活性指數(shù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 石粉基本巖性分析

不同巖性石粉的化學(xué)組成分析如表2所示。

表2 不同巖性石粉的XRF測(cè)試結(jié)果

由表1可知，不同巖性的石粉其氧化物質(zhì)的含量各不相同；而同一巖性的石粉，如玄武巖石粉，氧化物質(zhì)的成分基本相同，只是不同氧化物質(zhì)的含量有所差別。

不同巖性石粉的XRD圖譜如圖1所示。

結(jié)果表明，石灰石粉98%的成分為CaCO3；花崗巖43%的成分為SiO2，19%的成分為Fe2O3，14%的成分為CaO，結(jié)合XRD圖譜可知，其主要成分為長石和石英；重晶石的XRD數(shù)據(jù)表明主要存在著BaSO4、CaCO3、SiO2三種礦物，結(jié)合XRF數(shù)據(jù)顯示，重晶石石粉BaO含量不高推測(cè)可能摻加了石灰石粉；三種玄武巖石粉的化學(xué)成分相近但含量不同，主要包括SiO2、Fe2O3、Al2O3、CaO等，且玄武巖的Na2O和K2O含量明顯比其他種類的石粉高，XRD圖譜表明，3種玄武巖石粉主要由以鈉長石、硅酸鎂為主要成分的橄欖石、磁鐵礦等組成。

在將石粉作為摻合料應(yīng)用于混凝土?xí)r，可根據(jù)礦物相成分與水泥水化產(chǎn)物的組成，進(jìn)一步分析石粉對(duì)混凝土性能的影響原因。

圖1 不同巖性石粉的XRD測(cè)試結(jié)果

3.2 石粉顆粒大小及分布

采用篩分法測(cè)定石粉45μm的篩余值，結(jié)果如表3所示。采用激光法測(cè)定的石粉粒度分布結(jié)果見表4。

表3 篩分法測(cè)定不同巖性石粉篩余值

表4 不同巖性石粉的激光粒度分析法測(cè)試結(jié)果

由測(cè)試結(jié)果可知，石灰石粉在0～50μm的顆粒占比達(dá)到100%，與篩分法結(jié)果較為吻合；花崗巖大于11μm的顆粒占比達(dá)99%以上，大于50μm的顆粒占比達(dá)超過64%，說明其大尺寸顆粒的分布較大，與45μm篩余結(jié)果差距較大；尾礦砂0～50μm的顆粒占比約67%，篩分法測(cè)得的0～45μm的顆粒占比約22%，二者差距較大；白云巖在0～50μm的顆粒占比達(dá)92%，篩分法測(cè)得的0～45μm的顆粒占比約48%，二者差距較大；重晶石0～50μm的顆粒占比約73%，篩分法測(cè)得的0～45μm的顆粒占比約90%，二者差距相對(duì)較??；3種玄武巖石粉采用激光法測(cè)得的0～50μm的顆粒占比為63%左右，采用篩分法測(cè)得的0～45μm的顆粒占比為81%左右，規(guī)律相似，且顆粒大小均處于石灰石和花崗巖之間。

篩分法只能測(cè)出規(guī)定目數(shù)篩子的篩余，適合制備一定目數(shù)的石粉樣品，因此用于評(píng)價(jià)樣品細(xì)度較為合適，而激光粒度分析法將一種樣品的粒徑分布和粒徑大小以數(shù)值直觀地表現(xiàn)出來，適合用來評(píng)價(jià)石粉的粒徑分布，對(duì)設(shè)計(jì)優(yōu)化顆粒級(jí)配具有指導(dǎo)意義。

3.3 石粉比表面積

分別采用BET氮吸附法、勃氏比表面積測(cè)試法及激光粒度分析計(jì)算法測(cè)定石粉的比表面積，結(jié)果見表5。

表5 利用不同測(cè)試方法測(cè)定石粉比表面積結(jié)果

由結(jié)果對(duì)比可知，三種測(cè)試方法的結(jié)果值沒有可比性。BET氮吸附法采用氣體吸附，石粉顆粒表面的細(xì)小空隙也會(huì)將氮?dú)馕剑虼藴y(cè)試結(jié)果會(huì)偏大，此外BET氮吸附法需經(jīng)高溫脫氣數(shù)小時(shí)，耗時(shí)較長且操作繁瑣；勃氏法因受到比表面積儀參數(shù)、實(shí)驗(yàn)人員壓實(shí)手法、石粉密度測(cè)定等中間過程的影響，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果會(huì)存在偏差；激光法是通過測(cè)試粒度分布形成的曲線，計(jì)算曲線積分面積從而得到比表面積，受其它條件影響較小，并且可將石粉的不同粒度分布范圍直觀地測(cè)試出來，同時(shí)得到石粉顆粒粒度分布和比表面積結(jié)果。

因此，石粉的比表面積采用激光法進(jìn)行測(cè)定。

3.4 MB值

表6 不同標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)方法測(cè)試石粉MB結(jié)果

分別采用GB/T 30190-2013《石灰石粉混凝土》、GB/T 14684-2011《建設(shè)用砂》及分光光度法測(cè)試，測(cè)試石粉的MB值，結(jié)果見表6。

由結(jié)果分析可知，分光光度法與GB/T 30190-2013測(cè)試的不同巖性石粉的MB值趨勢(shì)大體相同，但分光光度法測(cè)試步驟繁瑣，需多次稀釋溶液，產(chǎn)生誤差的環(huán)節(jié)多，準(zhǔn)確性不高；GB/T 14684-2011測(cè)試的結(jié)果波動(dòng)較大，趨勢(shì)與其余兩種測(cè)試方法差別較大，此外測(cè)試結(jié)果明顯偏高，測(cè)試結(jié)果與實(shí)際應(yīng)用的相關(guān)性不大。因此，石粉的MB值選擇采用GB/T 30190-2013《石灰石粉混凝土》中的測(cè)試方法進(jìn)行測(cè)定。

3.5 活性指數(shù)

按照GB/T 30190-2013《石灰石粉混凝土》中的試驗(yàn)方法測(cè)定石粉的活性指數(shù)，結(jié)果見表7。

表7 不同巖性石粉活性指數(shù)

結(jié)果表明，花崗巖和重晶石屬于低活性摻合料，7d活性指數(shù)為55%和65%，28d活性指數(shù)為55%和61%。玄武巖和石灰石具有相對(duì)較高的活性，7d活性指數(shù)為72%、75%、73%、70%，28d活性指數(shù)為64%、67%、62%、63%。采用GB/T 30190-2013《石灰石粉混凝土》中的試驗(yàn)方法，不僅適用于石灰石粉，也可借鑒用于反映不同巖性石粉的活性，為進(jìn)一步研究石粉在混凝土中的應(yīng)用提供了重要依據(jù)。

4 結(jié)論

針對(duì)不同巖性的石粉，采用不同測(cè)試方法測(cè)定了其巖性、細(xì)度、粒度分布、比表面積、MB值和活性指數(shù)，最終確定石粉的關(guān)鍵物性參數(shù)采用以下方法進(jìn)行量化表征和評(píng)價(jià)：

1）石粉的巖性采用XRF與XRD相結(jié)合的方法進(jìn)行定量與定性；

2）石粉的粒度分布和比表面積均采用激光粒度分析法進(jìn)行測(cè)定，石粉的細(xì)度采用篩分法測(cè)定45μm篩余用以表征；

3）石粉的MB值和活性指數(shù)按照GB/T30190-2013《石灰石粉混凝土》中相應(yīng)試驗(yàn)方法進(jìn)行不同巖性石粉的測(cè)定。