謝小元，萬永旺，李顏秀，夏京亮

(1.中國建筑科學(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，研究開發(fā)補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)材料對于混凝土工作性能影響較小，一定程度上降低了混凝土強度和耐久性，但是通過混凝土配合比調(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]。然而對于國內(nèi)應(yīng)用較廣的片麻巖加工機制砂產(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，對于混凝土性能的影響規(guī)律還不清晰，為此，該文主要采用流動度比和活性指數(shù)兩個技術(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

1.1 原材料

片麻巖石粉：化學(xué)成分見表1，主要化學(xué)成分為SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3，同時含有一定量的K2O和Na2O；微觀形貌見圖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)度檢驗方法 篩析法》GB/T 1345—2005的負(fù)壓篩析法進(jìn)行測試。

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

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

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

活性指數(shù)，在測試抗壓強度的基礎(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)試驗方法進(jìn)行計算。

2 結(jié)果與分析

2.1 片麻巖石粉細(xì)度的影響

采用實驗室的小型球磨機，每次加入到球磨機中的片麻巖石粉質(zhì)量均為3 kg，設(shè)置粉磨加工時間為10 min、20 min和30 min，測試不同粉磨時間下得到的片麻巖石粉細(xì)度，研究其加工性能，同時試驗研究不同細(xì)度的片麻巖石粉技術(shù)制備情況，試驗數(shù)據(jù)見表2。

表2 細(xì)度對片麻巖石粉性能的影響

由表2中試驗結(jié)果可知，在粉磨時間20 min之前，隨著粉磨時間的延長，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，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，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，由于粉體顆粒表面電荷增多，出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，此時如果不采用相應(yīng)的技術(shù)措施，如摻加表面活性劑，進(jìn)一步粉磨，對于粉體細(xì)度已經(jīng)沒有作用。

不同粉磨時間的片麻巖石粉流動度比試驗結(jié)果見圖2。可以看出，粉磨時間10 min的片麻巖石粉相比于未粉磨的原狀石粉流動度比顯著提高，隨著進(jìn)一步粉磨，片麻巖石粉的流動度比提高較小。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)，隨著粉磨時間的延長，片麻巖石粉顆粒粒徑并沒有進(jìn)一步減小，因此，其填充減水作用隨著粉磨時間的延長沒有較為顯著的提高。從片麻巖石粉流動度比的角度而言，片麻巖石粉在混凝土中應(yīng)用可以適當(dāng)粉磨，但是粉磨時間需要科學(xué)試驗確定，不宜過長，較長時間的粉磨能耗較高，技術(shù)效果提高不明顯。

不同粉磨時間的片麻巖石粉活性指數(shù)試驗結(jié)果見圖3。可以看出，粉磨時間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度。隨著粉磨時間的延長，由于片麻巖石粉顆粒的團(tuán)聚作用，石粉顆粒粒徑并沒有進(jìn)一步降低，因此其填充作用和晶核作用均未提高，因此粉磨時間延長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)用過程中，盡量采用原狀石粉，如確需粉磨加工，需要試驗確定粉磨時間。

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，試驗了片麻巖石粉摻量對于水泥-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%四個變量。片麻巖石粉摻量對于片麻巖石粉-水泥膠砂流動性的影響見圖4。可以看出，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%的三組膠砂流動度分別降低了5%、8%和12%。主要原因為，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)量的水泥顆粒孔隙水，對于膠砂流動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的阻力，對于膠砂流動性具有顯著的負(fù)效應(yīng)。隨著片麻巖石粉摻量的增加，其對于膠砂流動性的負(fù)效應(yīng)愈加明顯，成為主要影響，因此降低了膠砂流動度比。在片麻巖石粉摻量為20%時，摻片麻巖石粉水泥膠砂的流動度為92%，此時流動性雖有降低，膠砂流動性相對較好，對于此時的混凝土施工尚可以保證，為此在實際工程應(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)。

片麻巖石粉摻量對于摻片麻巖石粉水泥膠砂的抗折強度和抗壓強度的影響分別見圖5和圖6，可以看出，片麻巖石粉摻量對膠砂抗折強度和抗壓強度的影響規(guī)律相近。隨著片麻巖石粉摻量的增加，膠砂抗折強度和抗壓強度均有所降低，相對比未摻片麻巖石粉的基準(zhǔn)試驗組，片麻巖石粉摻量10%、20%、30%的三組膠砂7 d抗折強度分別降低了10.4%、13.2%、36.3%；28 d抗折強度分別降低了12.7%、17.0%、26.4%；7 d抗壓強度分別降低了31.9%、27.9%、42.3%；28 d抗壓強度分別降低了23.1%、29.9%、43.1%。主要原因為片麻巖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，在一定程度上對于膠砂強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，同時提高了水灰比，對于膠砂強度具有顯著的負(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度。片麻巖石粉摻量從10%增至20%，體系膠砂強度降低幅度相對較小，摻量從20%增至30%，體系膠砂強度顯著降低，因此從強度角度考慮，工程中同樣建議片麻巖石粉摻量不宜過高，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)，其對于混凝土性能具有一定的負(fù)面影響，為此在國家標(biāo)準(zhǔn)《建設(shè)用砂》GB/T 14684—2011中規(guī)定了云母的含量限值，對于Ⅰ類砂要求含量<1%；對于Ⅱ、Ⅲ類砂要求含量<2%。通常片麻巖含有一定量的云母，通過粉磨加工，可能會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。為研究云母含量對于片麻巖石粉用于混凝土中的影響，試驗了云母含量對片麻巖石粉技術(shù)指標(biāo)的影響，通過外摻云母，試驗設(shè)置了0、2%、4%、6%四個云母含量變量，測試其對于水泥-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于水泥-片麻巖石粉體系流動性的影響，圖8為試驗過程照片。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，對于體系流動性具有顯著的負(fù)面影響，主要原因為云母是層狀結(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的阻力，降低了水泥-片麻巖石粉體系膠砂流動性，因此，在片麻巖石粉應(yīng)用過程中，應(yīng)注意云母含量的控制。

片麻巖石粉云母含量對于摻片麻巖石粉水泥膠砂的抗折強度和抗壓強度的影響分別見圖9和圖10，可以看出，片麻巖石粉云母含量對膠砂抗折強度和抗壓強度的影響規(guī)律相近。隨著云母含量的增加，膠砂抗折強度和抗壓強度均有所降低，相對比沒有外摻云母的基準(zhǔn)試驗組，片麻巖石粉云母含量2%、4%、6%的三組膠砂28 d抗折強度分別降低了25.3%、28.6%、34.5%；28 d抗壓強度分別降低了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度。因此，在片麻巖石粉應(yīng)用過程中，應(yīng)特別注意云母含量的控制。

3 結(jié) 論

針對機制砂生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量石粉，需要資源化應(yīng)用的問題，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.隨著粉磨時間的延長，片麻巖石粉細(xì)度變細(xì)，比表面積增大，但是進(jìn)一步延長粉磨時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性和強度。

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度顯著下降，膠砂抗折強度和抗壓強度均有所降低。

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度比、抗折強度和抗壓強度均逐漸降低。