不同岩性石粉对水泥-石粉复合浆体工作性能的影响

孙茹茹 袁政成 ，2 黄法礼 ，2 温家馨 王振 ，2 易忠来 ，2 李化建 ，2

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；2.高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081）

我国建筑领域的工程特别是铁路、公路等行业的工程规模巨大，用砂量巨大。而河砂资源紧缺，机制砂逐步替代河砂已成为必然趋势。在机制砂生产过程中，未经处理的机制砂石粉含量一般为10%～20%［1-2］，远超过GB/T 14684—2011《建设用砂》规定的最大石粉含量，因此石粉不可避免地作为副产物被随意丢弃或填埋，造成了严重的环境污染和资源浪费。若将石粉作为辅助胶凝材料掺入水泥基材料，不仅可以实现石粉的资源化利用，还可以解决矿物掺合料资源短缺问题，降低原材料成本，实现混凝土材料的可持续发展。

关于石灰岩石粉对水泥基材料工作性能和流变性能影响的研究较多。文献［3-4］研究发现石灰岩石粉可降低浆体屈服应力和塑性黏度，增加浆体的流动性，降低流动度经时损失。文献［5］研究发现石灰岩石粉在水溶液中的Zeta 电位显著高于水泥，石灰岩石粉颗粒间的斥力作用较强，颗粒更易于分散，可大幅减少水泥浆体中的絮凝结构，降低水泥浆体塑性黏度和屈服应力。文献［6-7］研究表明石灰岩石粉在临界掺量内对浆体黏度无明显影响，超过临界掺量时黏度明显增加。

石粉的矿物组成、颗粒形状、细度等也会影响水泥基材料的工作性能［8-11］。文献［12］研究表明石粉对水泥浆体流动度的影响与其圆形度有关，圆形度低于0.5 时浆体流动度随圆形度的增加而增加，圆形度大于0.5时流动度变化不明显。文献［13］研究了不同矿物组成的石粉对水泥浆体工作性能的影响，发现含有云母矿物的石粉与减水剂间存在明显的插层吸附，导致水泥浆体流动度降低，而短侧链的聚羧酸减水剂较其他分子结构的聚羧酸减水剂插层吸附作用弱，能有效改善水泥浆体流动度。文献［14］研究了不同岩性石粉-水泥胶砂流动性和力学性能，得到了不同岩性石粉的推荐掺量。

当前关于不同岩性石粉及其改性对水泥浆体工作性能的研究较少且不深入。为促进石粉作为矿物掺和料在工程中的应用，分别将石灰岩石粉、花岗岩石粉、石英岩石粉、凝灰岩石粉掺入基准水泥制备成水泥-石粉复合浆体，通过试验研究不同掺量、不同细度、不同岩性的石粉对水泥浆体工作性能的影响，并采用X 射线衍射和扫描电子显微镜测定了石粉的矿物组成和微观结构。

1 水泥-石粉复合浆体制备

1.1 原材料

水泥-石粉复合浆体（以下简称复合浆体）的主要原材料包括水泥、石粉、减水剂、拌和水。

1）水泥

选用山东鲁城水泥有限公司生产的基准水泥。主要性能参数：烧失量1.21%；密度3.15 g/cm3；比表面积341 g/cm3；初凝时间191 min，终凝时间252 min。主要化学组成见表1。

表1 水泥主要化学组成 %

2）石粉

采用4 种不同岩性的石粉，分别为石灰岩石粉（SHY）、花岗岩石粉（HGY）、凝灰岩石粉（NHY）、石英岩石粉（SYY）。每种石粉经球磨机粉磨后得到3 种细度，不同细度石粉的主要参数和粒度分布见表2，其中A，B，C代表3种不同细度。由表2可知，对于4种岩性的石粉：细度在A 范围时，比表面积为（370±30）m2/kg，D50 为20～25 μm；细度在B 范围时，比表面积为（500±30）m2/kg，D50 为 14～18 μm；细度在C 范围时，比表面积为（700±30）m2/kg，D50为6～10 μm。。

表2 石粉的主要参数及粒度分布

3）减水剂

选用河北三楷生产的高性能聚羧酸减水剂，减水率为25%。

4）拌和水

采用符合饮用水要求的自来水。

1.2 配合比

分别以0，10%，20%，30%，40%的质量掺量在水泥中掺入不同细度的4种岩性石粉，加入减水剂、拌和水制成复合浆体。水胶比为0.29。

以石灰岩石粉为例，部分复合浆体配合比见表3。石粉掺量为0时为基准组。

表3 部分复合浆体配合比 g

2 试验方法

2.1 流动度测试

为研究石粉对复合浆体初始流动度及其经时损失的影响，参照GB/T 8077—2000《混凝土外加剂匀质性试验方法》，采用美国博勒飞RST⁃SST 型Rheo3000旋转流变仪，对复合浆体初始流动度及2 h 后流动度进行测试。

测试过程主要分为预剪切阶段、静止阶段、数据测试阶段。预剪切阶段剪切速率为100 s-1，持续30 s；静止阶段剪切速率为0，持续30 s；数据采集阶段前40 s剪切速率由0 匀速增加至100 s-1，后40 s 剪切速率由100 s-1匀速降低至0。测试得到剪切应力-剪切速率的上行曲线和下行曲线。对下行曲线的试验数据用Bingham 流变模型拟合，得到复合浆体的屈服应力和塑性黏度。屈服应力为浆体发生流动所需克服的最大阻力，主要由浆体内部颗粒之间的黏附力和摩擦力共同作用产生，屈服应力小表明浆体发生流动所需克服的最大阻力小。塑性黏度是浆体内部结构阻碍浆体流动的性能，与浆体的流动速度相关，黏度越大则浆体流动所要克服的位垒越大，说明浆体稳定性好，不易发生泌水、离析等不良现象。

2.2 微观组分分析及形貌观测

利用 X 射线衍射仪（X-ray Powder Diffractomete，XRD）分析4 种岩性不同比表面积石粉的矿物组成。XRD 测试条件为 X 射线扫描角度 2θ= 10°～80°，扫描速率为2 °/min。

采用德国蔡司场发射扫描电子显微镜（SEM）观察4 种岩性石粉原始状态的表观形貌，并观察磨细凝灰岩石粉和花岗岩石粉的表观形貌。

3 试验结果及分析

3.1 石粉对复合浆体流动度及其经时损失的影响

4种岩性的石粉掺量对复合浆体初始流动度和2 h后流动度的影响见图1。

图1 石粉掺量对浆体初始流动度及其经时损失的影响

由图1（a）可知：

1）掺石灰岩石粉和凝灰岩石粉的复合浆体初始流动度随石粉掺量的变化规律相似。石粉掺量为30%时，掺石灰岩、凝灰岩石粉的复合浆体初始流动度较基准组分别增加了15.6%，10.2%。石粉掺量低于30%时，初始流动度随掺量增加而增大；石粉掺量达到40%以后，初始流动度有所下降，但仍高于基准组。这主要是由于石灰岩石粉和凝灰岩石粉的填充和分散作用使有效水胶比增大，水泥颗粒更加分散，减少了浆体絮凝结构，提高了初始流动度［4-5］；而石粉掺量过高时上述促进作用有所减弱。

2）石英岩石粉掺量的增加对复合浆体初始流动度影响不大。

3）随着花岗岩石粉掺量的增加，复合浆体初始流动度下降十分明显。石粉掺量为40%时，初始流动度较基准组降低了44.7%，这可能与石粉的组成和颗粒形貌有关。

由图1（b）可知：

1）掺石灰岩石粉的复合浆体2 h 后流动度仍高于基准组。

2）掺石英岩石粉的复合浆体2 h 后流动度略低于基准组，随石粉掺量增加而降低但降低幅度不大。

3）随着凝灰岩石粉掺量的增加，复合浆体2 h 后流动度逐渐降低，石粉掺量超过30%后2 h 后流动度降低十分显著。

4）掺花岗岩石粉与凝灰岩石粉的复合浆体2 h 后流动度变化趋势基本一致，但花岗岩石粉对浆体流动度的经时损失影响更大。石粉掺量大于30%时掺花岗岩石粉的复合浆体在2 h 后基本失去流动性。因此，石灰岩石粉、石英岩石粉和较少掺量的凝灰岩石粉对浆体流动度的经时损失影响不大，而花岗岩石粉和较大掺量的凝灰岩石粉影响很大。

4 种岩性的石粉细度对浆体初始流动度和2 h 后流动度的影响见图2。

图2 石粉细度对浆体流动度及其经时损失的影响

由图2 可知：

1）随着石粉细度的增加，掺石灰岩、石英岩、凝灰岩石粉的复合浆体初始流动度均呈下降趋势，其中掺凝灰岩石粉的下降幅度最大。这主要是由于石粉细度增加使得粉体的比表面积增大，进而造成需水量增大［15］。

2）掺花岗岩石粉的复合浆体初始流动度随着细度增加而不断增大，这与其他3 种岩性石粉的规律完全相反，这可能是由石粉的岩性、形貌和表面能等因素综合作用造成的［16］。

3）各复合浆体2 h 后流动度与初始流动度变化规律基本一致。

3.2 石粉对复合浆体屈服应力和塑性黏度的影响

4 种岩性的石粉掺量对复合浆体屈服应力和塑性黏度的影响见图3。

图3 石粉掺量对水泥浆体屈服应力和塑性黏度的影响

由图3（a）可知：

1）随着石粉掺量的增加，掺石灰岩、凝灰岩石粉的复合浆体屈服应力先降低后略有升高；掺石英岩石粉的复合浆体屈服应力基本没有变化；掺花岗岩石粉的复合浆体屈服应力显著增加。

2）掺石灰岩石粉的复合浆体屈服应力最小，石粉掺量为40%时其屈服应力比基准组减少了93%；掺花岗岩石粉的复合浆体屈服应力最大，石粉掺量为40%时其屈服应力比基准组增加了265%。由于屈服应力越小浆体流动度越大，因此石灰岩石粉对浆体流动度有显著的促进作用，而花岗岩石粉对浆体流动度抑制作用巨大。

由图3（b）可知：

1）掺不同岩性石粉的复合浆体塑性黏度均随石粉掺量的增加而增加，这表明掺更多的石粉可以提高浆体的稳定性，减少浆体泌水。

2）掺花岗岩石粉的复合浆体塑性黏度随着石粉掺量的增加而显著增加，石粉掺量为40%时其塑性黏度增加了57%。由于塑性黏度过大会显著降低浆体的流动性，因此浆体塑性黏度不宜过大，石粉掺量须适宜。

4 种岩性的石粉细度对浆体屈服应力和塑性黏度的影响见图4。

图4 石粉细度对水泥浆体屈服应力和塑性黏度的影响

由图4可知：

1）掺石灰岩、凝灰岩、石英岩石粉的复合浆体屈服应力和塑性黏度均随石粉细度的增加而增大。这主要由于随着细度的增加，这3 种岩性石粉的比表面积增大，颗粒尺寸减小，浆体内部结构更加密实，使得浆体屈服应力和塑性黏度增加。这3种岩性石粉细度的增加对浆体流动性不利。

2）掺花岗岩石粉的复合浆体屈服应力和塑性黏度均随石粉细度的增加而呈降低趋势。这是因为花岗岩石粉磨细后，原有矿物的形貌结构发生变化，使得原有对复合浆体工作性能不利的组分形貌发生了改变。花岗岩石粉细度的增加有利于提升浆体流动性。

3.3 微观分析

4 种岩性石粉的XRD 分析图谱见图5。可知：①石灰岩石粉主要成分为碳酸钙。②石英岩、凝灰岩、花岗岩石粉的主要成分均为石英、沸石和云母。沸石和云母含量为石英岩石粉＜凝灰岩石粉＜花岗岩石粉，花岗岩中云母含量远高于其他2种岩性石粉，石英岩石粉成分较纯，沸石和云母含量较少。

图5 石粉XRD图谱

石英和沸石为架状硅酸盐矿物，石英骨架构造紧密，沸石的骨架膨大，含有空穴及通道结构，因此具有较大的比表面积；云母为层状硅酸盐矿物，层间吸附性较强［17］。花岗岩石粉因含有较多的云母和沸石，其浆体初始流动度很差。石英岩石粉由于矿物组成单一，其流动度随石粉掺量变化较小。凝灰岩和花岗岩石粉由于含有沸石和云母，对水和减水剂吸附作用较强，导致浆体2 h 后流动度明显低于初始流动度，其中沸石和云母含量最高的花岗岩石粉造成的浆体流动度经时损失最大。上述结论与石粉对浆体流动度、屈服应力和塑性黏度的影响规律基本一致，揭示了不同岩性石粉对浆体工作性能的作用机理。

不同细度的4种岩性石粉的扫描电子显微镜微观形貌见图6。

图6 不同细度的4种岩性石粉微观形貌

由图6 可知：

1）石灰岩石粉表面光滑，颗粒较圆润、棱角少［17］，在浆体中填充润滑作用较好，对工作性能促进作用明显。

2）石英岩石粉虽有一定的棱角，但表面较光滑且致密，对浆体工作性能影响较小。

3）花岗岩石粉层片状结构明显，棱角多，造成浆体工作性能降低较大，但细度增加后颗粒层片状结构减弱，云母矿物被破坏，进而减少了对减水剂的插层作用，使浆体初始流动度略有提高［13，18］。

4）凝灰岩石粉颗粒棱角相对较少，对浆体工作性能促进作用较好，但细度增加后石粉发生了团聚现象，表面粗糙程度加大，不利于浆体工作性能的提升。

上述结论进一步解释了不同岩性石粉对浆体工作性能的作用机制。

4 结论

1）石灰岩石粉掺量的增加有利于改善浆体初始流动度及其经时损失；凝灰岩石粉掺量的增加对浆体初始流动度提升显著但不利于浆体流动度的保持；石英岩石粉掺量对浆体初始流动度及其经时损失影响较小。石灰岩、石英岩、凝灰岩石粉掺量的增加对浆体屈服应力和塑性黏度的影响均较小。花岗岩石粉掺量的增加对浆体初始流动度及其经时损失、屈服应力、塑性黏度的不利作用显著。

2）随着石粉细度的增加，掺石灰岩、石英岩、凝灰岩石粉的水泥-石粉复合浆体的初始流动度降低，其经时损失、屈服应力、塑性黏度均显著增加，尤以凝灰岩石粉为甚。花岗岩石粉随细度增加对浆体流动度及其经时损失有改善作用，降低了浆体的屈服应力和塑性黏度。

3）掺不同岩性石粉的水泥-石粉复合浆体的工作性主要受石粉的矿物组成和颗粒形貌影响。云母和沸石含量高、颗粒棱角多，均不利于浆体工作性的提升。

4）水泥-石粉复合浆体中，石灰岩石粉掺量应小于30%；石英岩和凝灰岩石粉掺量应小于20%；花岗岩石粉须磨细处理，且掺量应小于30%。