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        不同巖性石粉關(guān)鍵物化指標及膠砂性能

        2022-10-28 08:26:46王亞萍李進京馬強強
        四川建材 2022年10期

        王亞萍,李進京,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)進行規(guī)范性指導(dǎo)[1]。其他巖性石粉,江達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)定和標準,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、不同細度石粉的亞甲藍(MB值)、堿含量、標稠用水量及凝結(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)中采用石粉與標準砂按1∶ 3比例混合進行測試,《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 標準稠度用水量及凝結(jié)時間

        采用不同巖性石粉,分別替代30%水泥質(zhì)量,按照《水泥標準稠度用水量、凝結(jié)時間、安定性檢驗方法》(GB/T 1346—2011)進行不同石粉-水泥復(fù)合漿體的標準稠度用水量和凝結(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)三個細度等級(A:400~600 m2/kg;B:600~800 m2/kg;C:800 m2/kg以上)石粉進行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準砂按1∶ 3比例的3~4倍。石粉在應(yīng)用過程中一般摻量較小,因此推薦按國標中方法檢測石粉MB值。

        從表2可知,相同細度不同巖性石粉,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含量指標要求≤1.4,認為紅砂巖石粉亞甲藍值過高,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度MB值結(jié)果可以看出,石粉隨著細度的增加,MB值會略有提高,細度對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 標準稠度用水量和凝結(jié)時間

        選用相同細度(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)合漿體標準稠度用水量和凝結(jié)時間試驗,見圖2~5。

        圖2 不同巖性石粉標準稠度用水量

        圖3 不同石粉細度標準稠度用水量

        從圖2可知,相同細度條件下,摻加石灰石粉增加了漿體的標準稠度用水量,其相比基準增加了2.2%;紅砂巖石粉相較基準標稠用水量增加了3.6%;凝灰?guī)r石粉相較基準標稠用水量增加了2.8%;玄武巖石粉相較基準標稠用水量減少了2.2%;花崗巖石粉相較基準標稠用水量增加了2.9%;輝綠巖與基準標稠用水量相同。由圖3中花崗巖石粉、輝綠巖石粉不同細度的標準稠度用水量結(jié)果可知,標稠用水量隨著比表面積的增加先增加,而后基本維持不變。標準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,因此標準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,因此其標準稠度用水量會增加,但當石粉細度再增加時,大顆粒的孔隙被小顆粒填充,因此出現(xiàn)了其標稠用水量不再增加的現(xiàn)象。

        從圖4~5中可見,與基準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,可認為細度對凝結(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度等級(A:400~600 m2/kg;B:600~800 m2/kg;C:800 m2/kg以上)采用標準膠砂用量,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到了90%以上,其中石灰石粉、玄武巖石粉的膠砂流動度比達到了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準砂按1∶ 3比例的3~4倍,推薦按國標中方法檢測石粉MB值;細度對亞甲藍值影響不大;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標稠用水量減少了2.2%,輝綠巖與基準標稠用水量基本相同,其余石粉的標準稠度用水量較基準均有增大,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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