人工砂中黑色粉末状物质组成的研究

张 斌， 唐 云 宏

(中国水利水电第七工程局有限公司，四川 成都 610081)

人工砂中黑色粉末状物质组成的研究

张 斌， 唐 云 宏

(中国水利水电第七工程局有限公司，四川 成都 610081)

通过对人工砂中黑色物质采用化学分析、进行XRF、SEM、XRD、TG-DTG等微观测试试验研究，查明了其物质组成成份以及对混凝土性能的影响。

人工砂；黑色物质；组成；研究；下白滩砂石加工系统

1 概 述

由中国水电七局承建的下白滩砂石加工系统主要承担乌东德水电站导流工程、水垫塘、二道坝、地下电站、泄洪洞、下游护岸、渗控及金坪子滑坡治理等分项工程450.4万m3混凝土及其所需粗、细骨料的生产任务，共需生产成品骨料约1 015万t，其中粗骨料约660万t、细骨料约355万t。

下白滩砂石加工系统的有用料堆场位于下白滩小沟和猪拱地，料源来自于导流工程、地下电站、泄洪洞等地下洞室开挖的灰岩、大理岩、大理岩化白云岩洞渣。

在人工砂生产过程及混凝土拌制过程中发现人工砂经水洗后出现了少量黑色物质，为查明该物质成分以及其对混凝土性能的影响，项目部联合三峡大学开展了相关研究。笔者介绍了此次研究的过程及取得的成果。

2 人工砂中黑色粉末状物质组成的研究

2.1 黑色粉末状物质的制样

在该项目生产过程中发现，使用人工砂的生产过程、拌制砂浆、混凝土时会有较多的黑色粉末状物质浮于砂浆、混凝土拌和物浆体表面。为探究该黑色粉末状物质的组成，即化学成分和矿物组成，技术人员取约20 kg人工砂倒入盛有足量自来水的塑料盒中，经搅拌、沉淀后，用表面皿等小心收集漂浮在水面的粉末状物质、烘干后进行了该粉末状物质的化学成分和矿物成分分析。

2.2 黑色粉末状物质的化学成分与矿物组成分析

取适量烘干后的黑色粉末状物质，经研钵研磨并通过直径0.08 mm方孔筛进行XRF、SEM、XRD、TG-DTG等微观测试，并通过盐酸滴定试验测定了其碳酸盐含量。

2.2.1 化学成分分析

采用X射线荧光分析法(XRF)分析了黑色粉末状物质的化学成分，分析测试结果见表1。作为对比，笔者将人工砂中石粉的化学成分亦列于表1中。

表1 黑色粉末状物质及人工砂中石粉的化学成分表

由表1中所示的结果可知：人工砂中黑色粉末状物质的主要氧化物及其含量为：CaO为29.63%、SiO2为9.31%、MgO为6.16%，其化学成分与石粉十分类似，同时均含有少量的Al2O3、Fe2O3等氧化物，但黑色粉末中CaO、MgO的含量略低于石粉，其烧失量高于石粉。

2.2.2 黑色粉末状物质的颗粒形貌(SEM)

采用扫描电子显微镜(SEM)进行了黑色粉末状物质的微观形貌分析，其颗粒的SEM图谱见图1。石粉颗粒的SEM图谱见图2。

由图1、2可知：从微观形貌上看，黑色粉末与石粉较类似，均有大量不规则颗粒，外观较粗糙，其粒径很小(放大倍数为5 000、10 000)，且黑色粉末中粒径较小的颗粒量比石粉中更多。

图1 黑色粉末颗粒SEM图

图2 石粉颗粒SEM图

2.2.3 矿物成分分析

采用X射线衍射分析(XRD)进行黑色粉末状物质的矿物成分分析，其XRD图谱见图3。为便于对比，图3中同时给出了石粉的XRD图谱。

由图3可知：人工砂中黑色粉末状物质的主要矿物有方解石，同时含有少量的白云石和石英晶体等，其矿物成分与石粉矿物成分相同。

2.2.4 综合热分析(TG-DTG-DSC)

黑色粉末状物质的综合热分析曲线(TG-DTG-DSC曲线)见图4，图5给出了石粉的综合热分析曲线。

结合黑色粉末状物质的XRF、XRD研究结果分析认为：图4中320 ℃～335 ℃左右的放热失重峰可能为黑色粉末中所含有的、较少量的、由β型烧石膏脱水转化成的β型可溶石膏并伴随放热；600 ℃左右放热失重峰则对应于黑色粉末中可能存在的石墨在热重测试过程中(加热过程中)被氧化、生成二氧化碳所致。由图4可知：其在黑色粉末中的含量约为11.9%；750 ℃左右的吸热失重峰为碳酸盐吸热分解产生出二氧化碳，生成气体产生的质量损失约为25%。由图5可知：温度为800 ℃左右的放热失重峰对应于石粉中碳酸盐分解产生的吸热失重峰，其质量损失约为36.4%，表明石粉中碳酸盐的含量较高。

图3 人工砂中黑色粉末物(HeiMo)与石粉(ShiFen)的XRD图谱

图4 黑色粉末状物质的综合热分析曲线图

结合前述的XRF分析结果后认为：黑色粉末物、石粉中均含有较高比例的碳酸钙及碳酸镁。

2.2.5 碳酸盐及其含量

使用三峡大学自行研制的微型数显碳化测量装置进行了黑色粉末状物质中碳酸盐含量的测试。该装置可以精确测量碳酸盐与稀盐酸反应生成二氧化碳导致的气压值变化，以此计算碳酸盐含量。根据黑色粉末状物质的化学成分分析结果(XRF)中Ca与Mg的比例，视其即为碳酸钙与碳酸镁的比例，以此分别计算黑色粉末状物质中碳酸钙及碳酸镁的含量。

碳酸钙及碳酸镁与稀盐酸反应的化学方程式见式(1)、(2)，样品中的碳酸钙、碳酸镁含量按式(3)计算：

(1)

图5 石粉的综合热分析曲线图

(2)

(3)

式中P为气体变化带来的压强差，Pa；V为CO2反应瓶的体积，L；R为气体常数，R=8.254J·K-1·mol-1;T为反应瓶中的实际温度，K；M为CaCO3或MgCO3的摩尔质量，100 g/mol或84 g/mol；M为称量的粉样质量，g。

根据表1中的XRF研究结果可知：黑色粉末状物质中碳酸钙与碳酸镁的质量比例为5.4，石粉中碳酸钙与碳酸镁的质量比例为4.8，据此可分别计算黑色粉末状物质和石粉中碳酸钙与碳酸镁的含量，其结果见表2。

表2 黑色粉末状物质和石粉中碳酸钙及碳酸镁含量表

由表2可知：黑色粉末状物质和石粉中的碳酸盐含量较为接近，黑色粉末中的碳酸钙含量为46%，碳酸镁含量为7.1%；石粉中碳酸钙含量为44.7%，碳酸镁含量为7.8%。

3 结 语

由以上微观分析结果可知：从微观形貌上看，黑色粉末与石粉类似，均为大量不规则细小颗粒，外观较粗糙，且黑色粉末中粒径较小的颗粒量比石粉中更多；在化学成分上，黑色粉末状物质主要以CaO、SiO2、MgO为主，同时含有少量的Al2O3、Fe2O3等氧化物，其化学成分与石粉很近似，但黑色粉末中CaO、MgO的含量略低于石粉，而C元素含量比石粉高；在矿物成分上，黑色粉末状物质的主要矿物为方解石，其中，碳酸钙含量约为46%，碳酸镁含量约为7.1%。此外，黑色粉末状物质中还含有少量的白云石和石英晶体等。

综合以上试验研究结果可知：人工砂中黑色粉末状物质的矿物组成主要为方解石以及较少量的白云石和石英等矿物。此外，还含有一定量的石墨成分(约11.9%)。由于这部分石墨成分密度较小、比表面积大，其吸附能力较好，因而很可能会对混凝土的性能、尤其是拌和物性能(流动性、含气量等)产生一定影响，因而，在混凝土制备与施工过程中对其应引起重视。

目前，水电七局乌东德项目部已生产混凝土近280万m3，从混凝土上万组检测成果看，混凝土性能各项指标满足设计指标，说明该物质对混凝土性能的影响有限，通过调整含气量即可予以解决。

TV7;TV42

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1001-2184(2017)06-0016-04

2017-10-24

张 斌(1973-)，男，重庆江津人，高级工程师，从事水利水电工程施工技术与管理工作；

唐云宏(1971-)，男，四川乐山人，项目副经理，工程师，交通部注册检测工程师，从事项目质量管理工作.

李燕辉)