基于GRA的大理石粉水泥标准稠度用水量 影响因素研究

李桂山 莫锦平 张帆 张金团 胡琴

摘要：为研究大理石产业粉体水泥标准稠度用水量的影响因素，以大理石产业粉体的种类（大理石粉、大理石废粉）、细度（3000目、600目、400目、废粉）及掺量（0、5%、10%、15%、20%、25%）为参数，设计了21组配合比开展试验研究，并采用灰色关联度分析对多种影响因素进行主次分析，研究表明：大理石粉水泥净浆标准稠度用水量随着掺量的增加而减小，当掺量为25%时，对标准稠度用水量影响最大，比纯水泥标准稠度用水量降低4.3～6.2%;随着大理石粉的粒径减小，形成净浆的标准稠度用水量在不断减小;相同掺量条件下，大理石粉与水泥形成的净浆小于大理石废粉的标准稠度用水量;根据关联度的大小关系为r3>r1>r2，得到对各影响因素主次关系：大理石产业粉体种类（非饱和树脂有机物含量）>粒径>掺量;大理石产业粉体在水泥中应用，对水泥的标准稠度用水量（流动性）要根据大理石产业粉体的种类，控制粒径和掺量设计配合比，为大理石产业粉体在水泥中的应用提供参考。

Abstract： In order to study the factors affecting the water consumption of marble powder cement standard consistency， the parameters of marble powder type （marble powder marble waste powder）， fineness （3000mesh/600mesh/400mesh/waste powder） and the amount of mixture （0/5%/10%/15%/20%/25%） were used as parameters. Twenty-one groups of mixture ratio were designed to carry out experimental study， and grey correlation analysis was used to analyze the main and secondary factors. The results showed that the standard consistency water consumption of marble cement paste decreased with the increase of cement content， and when the content was 25%， It has the greatest influence on the standard consistency water consumption， and the ratio of pure water to pure water. The standard consistency water consumption of mud decreases by 4.3% to 6.2%. With the decrease of marble particle size， the standard consistency water consumption for the formation of net slurry decreases continuously. The water consumption of the standard consistency of marble powder and cement is less than that of marble waste powder. According to the correlation degree， the main and secondary relationships of the influencing factors are obtained： the type of powder in marble industry （organic content of unsaturated resin） > the particle size > the content of additive， and the application of marble powder in cement， the relation of the correlation degree is r3>r1>r2. The standard consistency water consumption （fluidity） of cement should be controlled according to the type of marble powder. The mix ratio provides a reference for the application of marble powder in cement.

關键词：大理石产业粉体;标准稠度用水量;灰色关联度分析（GRA）

Key words： marble industrial powder;standard consistency water consumption;grey correlation analysis （GRA）

中图分类号：TQ172.1+6                                 文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）20-0164-05

0  引言

广西贺州市作为重钙之都，有着丰富的大理石矿产资源，当地政府利用丰富的大理石资源打造地方支柱产业。随着大理石产业的不断发展，大理石开采加工量不断增加，平均年开采加工量在6000万吨，而大理石在开采加工中都会产生大量的废弃大理石产业粉体，主要包括大理石粉和大理石废粉，从采矿到抛光的过程中，一个岩块约有40%生成大理石浆液、约有30%成为破碎荒料[1]，因此，开采加工过程中的废弃物问题越来越严重，其中产生的废粉利用率较低，利用途径较少，对环境造成了严重的影响，成为了大理石产业发展中一个亟需解决的问题。

现在处理大理石产业粉体中的主要作为水泥基材料。Sayed等人研究表明[2]，在水泥生产过程中掺加5wt.%大理石粉，不会影响水泥的各项性能;Belaidi等人的研究表明[3-4]，掺入大理石粉后，混凝土的力学性能表现良好;杨永民等[5]指出，掺入大理石粉可以提高混凝土抗碳化性能但会降低其抗氯离子渗透性能，大理石粉有利于提高水泥早期强度，也可以提高混凝土的早期力学强度。因此，将大理石粉或废粉掺入混凝土中使用，不仅能解决大理石废浆液或粉体的污染环境的问题，而且能够促进建材的可持续发展。

目前，对于大理石产业粉体在水泥基材料中的研究应用，国内外专家学者取得了一定的研究成果[6-10]，主要对其力学性能，流变性能及工作性能。但大理石产业粉体加入水泥中标准稠度用水量研究较少，本文在现有研究基础上，研究不同大理石产业粉体种类、粒径及掺量对大理石产业粉体水泥基标准稠度用水量的影响，对取代后大理石产业粉体水泥基材料标准稠度用水量进行关联度分析，为进一步研究大理石粉或废浆液在水泥基材料中的应用提供参考。

1  试验概况

1.1 原材料

本文试验水泥选用华润富川水泥厂生产的润丰（旋窑）PO 42.5级水泥，记为P，化学组成成分见表1，水泥物理力学性能指标见表2;大理石产业粉体采用广西利升事业有限公司的废浆液干化后的大理石废粉及贺州永通粉体有限公司生产的3000目、600目和400目大理石粉，分别记为MF、MI、MII、MШ。材料样品粒径分布特征见表3，大理石粉的基本性能见表4，试验用水采用贺州市自来水。

1.2 试验配合比设计

本试验以大理石产业粉体种类、粒径和掺量为参数，共设计21组试验配合比，主要研究MF、MI、MII、MШ掺量分别为0、5%、10%、15%、20%、25%对大理石产业粉体水泥标准稠度用水量的影响。试验配合比设计分组见表5。

1.3 試验方法

大理石产业粉体水泥标准稠度用水量根据GBT1346-2011 《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》进行测定。①净浆制作：试验在20℃±2℃相对湿度不低于50%条件下，先湿润搅拌锅和搅拌叶片，其次将试验样品加入搅拌锅及适量的水进行低速搅拌120s，停15s将锅壁及叶片上浆体刮入锅中，再高速搅拌120s，按照以上方法制作水泥-大理石粉净浆;②试验测试：首先将搅拌锅净浆按照规范制作试模，然后将试模放到维卡仪上，调整试杆与试模位置，使其试杆对准试模中间并接触，拧紧螺丝1～2s，突然释放使试杆自然下落，当试杆停止运动或释放试杆30s后记录试杆距试模底部距离;以试杆沉入净浆并距底板6mm±1mm的水泥净浆为标准稠度，其拌和用水量为水泥-大理石粉标准稠度用水量（P），该实验操作要求在1.5min内完成。

2  试验结果与分析

2.1 掺量对标准稠度用水量的影响

图1为掺量对标准稠度用水量的影响，由图1可知3000目大理石粉的掺量分别为5%、10%、15%、20%和25%时其标准稠度水量均比纯水泥减小2.2%、4%、4.7%、5.8%和6.2%。600目大理石粉的掺量分别为5%、10%、15%、20%和25%时其稠度用水量均比纯水泥减小1.4%、2.5%、3.6%、4.7%和5.4%。400目大理石粉的掺量分别为5%、10%、15%、20%和25%时其标准稠度用水量均比纯水泥减小0.7%、1.4%、2.5%、3.6%和4.3%。大理石废粉掺量分别为5%、10%、15%、20%和25%时其标准稠度水量均比纯水泥减小0.4%、0.7%、1.4%、1.8%和2.5%。其浆体的标准稠度用水量随着掺量的增加而减小。上述结果与彭鸿涛等[11]人研究结果一致，浆体标准稠度用水量随掺量增加而减小主要原因由于大理石产业粉体的主要成分为CaCO3，大理石粉掺入水泥基材料中不参与水泥水化发应，浆体的形成由水泥水化形成，随着大理石产业粉体的掺量增加，水泥的相对含量减少，水化反应所需水量减小，因而标准稠度用水量也在不断减小;大理石产业粉体掺入的量越大水泥的颗粒级配改善程度越大，大理石产业粉体不参与水化反应，起到了填充效果，可以置换水泥颗粒间的自由水，从而降低标准稠度用水量。

2.2 粉体种类对标准稠度用水量的影响

2.3 粉体种类对标准稠度用水量的影响

图2为粉体种类对标准稠度用水量的影响，由表3可知600目大理石粉与大理石废粉粒径特征相似，由图3可以看出相同掺量，粒径相似的条件下，浆体标准稠度用水量600目大理石粉的需水量均小于大理石废粉的需水量。掺量相同的条件下，600目大理石粉与水泥形成的净浆小于大理石废粉的标准稠度用水量，且两者均小于纯水泥浆的标准稠度用水量。主要原因大理石废粉来自人造岗石中的含有其他大理石粉所没有的非饱和树脂成分，非饱和树脂的存在使人造岗石废粉水泥浆的标准稠度用水量变得没有那么敏感，其标准稠度用水量随着掺量的增加也在减小，减小的幅度不大。

2.4  颗粒粒径对标准稠度用水量的影响

图3为颗粒粒径对标准稠度用水量的影响，由图3可得相同掺量的条件下，3000目、600目、400目大理石粉与水泥形成的净浆均小于纯水泥净浆标准稠度用水量，不同粒径大理石粉掺量分别为5%、10%、15%、20%和25%时其需水量均比纯水泥减小0.7～2.2%、1.4～4%、2.5～4.7%、3.6～5.8%和4.3～6.2%。随着大理石粉的粒径减小，浆体标准稠度用水量在不断减小。浆体对应的水灰比随粒径的增大也在不断减小。由此可知粒径越小，水灰比越小净浆强度则会相对较高，该研究结果与肖佳等人研究结果一致[12]。综上可知，掺量相等时其用水量随着细度的增加而减小，粒径越小需水量越小，掺量越大标准稠度水量越小。由此说明相同的流动性能，不同细度大理石粉具有一定的减水效果，颗粒越细减水效果越明显。主要原因大理石粉使水泥浆体Zeta电位降低，粒子间相互吸附黏聚，浆体流动消耗能量增加，屈服应力和塑性黏度增大，流动性能降低;水泥净浆标准稠度用水量主要取决于颗粒见空隙度、水泥颗粒的表面积以及水膜的厚度，加入不同粒径大理石粉后，可改善颗粒间孔隙度、表面积水膜厚度，降低标准稠度用水量[6]。

3.  标准稠度用水量影响因素灰色关联度分析

根据本文2节以3000目大理石粉及大理石废粉试验结果运用灰色关联度分析大理石-水泥基材料标准稠度用水量的多种影响因素。灰色关联分析样本见表6，表6中，Y表示标准稠度用水量，X1为反应粒径大小的体积平均粒径、X2为掺量、X3为粉体类型的非饱和树脂有机物的含量。

运用灰色关联度分析理论计算如下：

3.1 样本值标准化

根据表7中样本值，以序号1试验结果作为基数，其它各序号试验数据以序号1数据作为基准进行比值换算。换算结果见表7。

3.2 求差序列

根据表8样本值标准化结果进行分析计算对应序列差，序列差记为Δtj（k），对计算的序列差进行■、■求解，计算结果见表8。

由表8中计算结果可知，各个差序列的最小值■，Δmin=0各个序列差最大值■，Δmax=4.029。

3.3 定义关联系数

本文设分辨系数ρ=0.5，其取值一般为0.1-0.5。关联系数定义为：

考虑各因素的关联度计算为：

式中：ωk指的是k的权重系数。即本文取ωk=0.1，k=1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，根据式（3）计算可得比较序列Xi对Y的关联度ri，计算结果见表9。

由表9中计算结果可知：

X1（体积平均粒径）对Y（标准稠度用水量）的关联度r1=0.655;

X2（掺量）对Y（标准稠度用水量）的关联度r2=0.579;

X3（非饱和树脂有机物含量）对Y（标准稠度用水量）的关联度r3=0.659。

综上可知，对于本次试验结果，根据各影响因素关联度的关系r3>r1>r2，对标准稠度用水量影响因素：大理石粉种类（非饱和树脂有机物含量）>粒径>掺量。因此对于大理石粉在水泥基材料中应用，对水泥基材料的标准稠度用水量（流动性）要根据大理石粉种类，控住粒径和掺量设计配合比，为大理石粉在水泥基材料的应用提供参考。

4  结论

①大理石产业粉体掺入水泥中可改善粒级配，大理石产业粉体与水泥颗粒见形成了良好填充效果，置换粉体颗粒间的自由水，从而降低标准稠度用水量。水泥与大理石产业粉体净浆标准稠度用水量随着掺量的增加而减小，当掺量为25%时，对标准稠度用水量影响最大，比纯水泥标准稠度用水量降低4.3～6.2%;随着大理石粉的粒径减小，形成净浆的标准稠度用水量在不断减小。

②大理石废粉存在的非饱和树脂对标準稠度用水量变得不敏感，相同掺量条件下，大理石粉与水泥形成的净浆小于大理石废粉的标准稠度用水量。

③利用灰色关联度理论对标准稠度用水量影响因素主次关系分析，根据计算关联度的大小关系为r3>r1>r2，得到对标准稠度用水量影响因素主次关系：大理石产业粉体种类（非饱和树脂有机物含量）>粒径>掺量。

④大理石产业粉体在水泥中应用，对大理石产业粉体水泥标准稠度用水量（流动性）要根据大理石产业粉体种类，控制粒径和掺量设计配合比，为大理石粉在水泥中的应用提供参考。

参考文献：

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[12]肖佳，郭明磊，何彦琪，等.大理石粉对水泥基胶凝材料性能影响研究[J].混凝土，2016（01）：99-102.