不同岩性石粉关键物性参数的量化表征及评价方法

李晓宁 李婷 瞿海洋 朱玉雪

（1中建材中岩科技有限公司，北京 100024；2中国建筑材料科学研究总院有限公司，北京 100024）

1 引言

随着中国建筑行业的快速发展，预拌混凝土的大量应用导致砂石资源严重短缺，采用机制砂代替天然砂进行砂浆混凝土的配制受到越来越多的重视[1]。但是机制砂的生产方式造成了其较高的石粉含量及含泥量，从而导致混凝土坍落度损失过快，影响施工和混凝土的性能与质量。但是石粉在一定的应用条件下，不但不会降低混凝土强度，还会填补混凝土骨料之间的空隙，起到一定的润滑作用[2]，从而在一定程度上确保混凝土保水性和粘聚性[3-5]。为了更好的将高石粉含量的机制砂应用于混凝土中，满足对高性能混凝土的要求，探究石粉对砂浆混凝土的影响具有重要意义。

通过相关文献查阅[6，7]，影响石粉的质量与性能的关键物性参数有：岩性、颗粒大小及分布、比表面积、含泥量和反应活性。本研究通过选取不同的试验方法分别探究各关键物性参数，通过各试验结果的对比，确定适宜的试验方法，同时为探究石粉对砂浆混凝土的影响打下基础。

2 试验原材料与测试方法

2.1 试验原材料

研究共收集到6种石粉，分别为石灰石粉、花岗岩石粉、重晶石粉及3种玄武岩石粉。其中石灰石粉来自试验室购买的外加剂检验用细集料经破碎粉磨制得；花岗岩与重晶石粉为市售石粉；玄武岩石粉为市售细集料经实验室破碎粉磨制得。

此外，石灰石粉活性指数试验用水泥为山东中联水泥生产的P.I. 42.5级基准水泥，主要性能指标如表1所示。

2.2 试验测试方法

2.2.1 石粉基本岩性

不同岩性的矿物掺合料其本质区别即具有不同的矿物成分含量，研究通过XRD和XRF测试将矿物成分进行定性和定量分析。试验采用 Bruker D8-Advance X射线衍射仪对石粉矿物成分进行测试，X射线衍射仪工作参数：Cu靶，管电压40kV，管电流30mA，步长0.02°；采用岛津XRF-1800 X射线荧光光谱分析仪对石粉的化学组成进行测试。

2.2.2 石粉颗粒大小及分布

参照GB/T 30190-2013《石灰石粉混凝土》，采用45μm的筛余来表征；同时采用激光粒度分析仪对石粉的粒径分布进行测试。

2.2.3 石粉比表面积

参照GB/T 8074-2008《水泥比表面积测定方法 勃氏法》，进行石粉比表面积的测定；采用TriStar II 3020 高速自动比表面积及孔隙度分析仪进行BET氮吸附法比表面积测试；根据激光粒度分析仪测定的石粉颗粒分布结果，通过计算机计算得到比表面积数值。

表1 P.I.42.5级基准水泥主要性能指标

2.2.4 石粉含泥量

研究采用MB值表征材料含泥量的高低。根据GB/T 30190-2013《石灰石粉混凝土》和GB/T 14684-2011《建设用砂》进行亚甲基蓝光晕测试，主要区别为前者需要将石粉与一定量的标准砂混合均匀而后者是直接将材料溶于水形成悬浊液进行测试。一种新测试方法是利用分光光度计[8]，测试悬浊物质上清液的吸光度，反推溶液中的亚甲基蓝浓度，再通过公式计算出MB值。

2.2.5 反应活性

根据GB/T 30190-2013《石灰石粉混凝土》及GB/T 18736-2017《高强高性能混凝土用矿物外加剂》中规定的活性指数的测试方法，采用受检胶砂和基准胶砂在标准条件下养护至相同规定龄期的抗压强度之比，表示其活性指数。

3 结果与讨论

3.1 石粉基本岩性分析

不同岩性石粉的化学组成分析如表2所示。

表2 不同岩性石粉的XRF测试结果

由表1可知，不同岩性的石粉其氧化物质的含量各不相同；而同一岩性的石粉，如玄武岩石粉，氧化物质的成分基本相同，只是不同氧化物质的含量有所差别。

不同岩性石粉的XRD图谱如图1所示。

结果表明，石灰石粉98%的成分为CaCO3；花岗岩43%的成分为SiO2，19%的成分为Fe2O3，14%的成分为CaO，结合XRD图谱可知，其主要成分为长石和石英；重晶石的XRD数据表明主要存在着BaSO4、CaCO3、SiO2三种矿物，结合XRF数据显示，重晶石石粉BaO含量不高推测可能掺加了石灰石粉；三种玄武岩石粉的化学成分相近但含量不同，主要包括SiO2、Fe2O3、Al2O3、CaO等，且玄武岩的Na2O和K2O含量明显比其他种类的石粉高，XRD图谱表明，3种玄武岩石粉主要由以钠长石、硅酸镁为主要成分的橄榄石、磁铁矿等组成。

在将石粉作为掺合料应用于混凝土时，可根据矿物相成分与水泥水化产物的组成，进一步分析石粉对混凝土性能的影响原因。

图1 不同岩性石粉的XRD测试结果

3.2 石粉颗粒大小及分布

采用筛分法测定石粉45μm的筛余值，结果如表3所示。采用激光法测定的石粉粒度分布结果见表4。

表3 筛分法测定不同岩性石粉筛余值

表4 不同岩性石粉的激光粒度分析法测试结果

由测试结果可知，石灰石粉在0～50μm的颗粒占比达到100%，与筛分法结果较为吻合；花岗岩大于11μm的颗粒占比达99%以上，大于50μm的颗粒占比达超过64%，说明其大尺寸颗粒的分布较大，与45μm筛余结果差距较大；尾矿砂0～50μm的颗粒占比约67%，筛分法测得的0～45μm的颗粒占比约22%，二者差距较大；白云岩在0～50μm的颗粒占比达92%，筛分法测得的0～45μm的颗粒占比约48%，二者差距较大；重晶石0～50μm的颗粒占比约73%，筛分法测得的0～45μm的颗粒占比约90%，二者差距相对较小；3种玄武岩石粉采用激光法测得的0～50μm的颗粒占比为63%左右，采用筛分法测得的0～45μm的颗粒占比为81%左右，规律相似，且颗粒大小均处于石灰石和花岗岩之间。

筛分法只能测出规定目数筛子的筛余，适合制备一定目数的石粉样品，因此用于评价样品细度较为合适，而激光粒度分析法将一种样品的粒径分布和粒径大小以数值直观地表现出来，适合用来评价石粉的粒径分布，对设计优化颗粒级配具有指导意义。

3.3 石粉比表面积

分别采用BET氮吸附法、勃氏比表面积测试法及激光粒度分析计算法测定石粉的比表面积，结果见表5。

表5 利用不同测试方法测定石粉比表面积结果

由结果对比可知，三种测试方法的结果值没有可比性。BET氮吸附法采用气体吸附，石粉颗粒表面的细小空隙也会将氮气吸附，因此测试结果会偏大，此外BET氮吸附法需经高温脱气数小时，耗时较长且操作繁琐；勃氏法因受到比表面积仪参数、实验人员压实手法、石粉密度测定等中间过程的影响，导致测试结果会存在偏差；激光法是通过测试粒度分布形成的曲线，计算曲线积分面积从而得到比表面积，受其它条件影响较小，并且可将石粉的不同粒度分布范围直观地测试出来，同时得到石粉颗粒粒度分布和比表面积结果。

因此，石粉的比表面积采用激光法进行测定。

3.4 MB值

表6 不同标准相关方法测试石粉MB结果

分别采用GB/T 30190-2013《石灰石粉混凝土》、GB/T 14684-2011《建设用砂》及分光光度法测试，测试石粉的MB值，结果见表6。

由结果分析可知，分光光度法与GB/T 30190-2013测试的不同岩性石粉的MB值趋势大体相同，但分光光度法测试步骤繁琐，需多次稀释溶液，产生误差的环节多，准确性不高；GB/T 14684-2011测试的结果波动较大，趋势与其余两种测试方法差别较大，此外测试结果明显偏高，测试结果与实际应用的相关性不大。因此，石粉的MB值选择采用GB/T 30190-2013《石灰石粉混凝土》中的测试方法进行测定。

3.5 活性指数

按照GB/T 30190-2013《石灰石粉混凝土》中的试验方法测定石粉的活性指数，结果见表7。

表7 不同岩性石粉活性指数

结果表明，花岗岩和重晶石属于低活性掺合料，7d活性指数为55%和65%，28d活性指数为55%和61%。玄武岩和石灰石具有相对较高的活性，7d活性指数为72%、75%、73%、70%，28d活性指数为64%、67%、62%、63%。采用GB/T 30190-2013《石灰石粉混凝土》中的试验方法，不仅适用于石灰石粉，也可借鉴用于反映不同岩性石粉的活性，为进一步研究石粉在混凝土中的应用提供了重要依据。

4 结论

针对不同岩性的石粉，采用不同测试方法测定了其岩性、细度、粒度分布、比表面积、MB值和活性指数，最终确定石粉的关键物性参数采用以下方法进行量化表征和评价：

1）石粉的岩性采用XRF与XRD相结合的方法进行定量与定性；

2）石粉的粒度分布和比表面积均采用激光粒度分析法进行测定，石粉的细度采用筛分法测定45μm筛余用以表征；

3）石粉的MB值和活性指数按照GB/T30190-2013《石灰石粉混凝土》中相应试验方法进行不同岩性石粉的测定。