不同岩性石粉关键物化指标及胶砂性能

王亚萍，李进京，马强强

(中国水利水电第三工程局有限公司，陕西 西安 710032)

0 前 言

在机制砂和骨料的生产过程会产生大量废弃天然岩石粉，不加以利用，将造成资源浪费和环境污染，而随着基建的快速发展，粉煤灰等矿物掺合料资源日益减少，因此研究不同岩性石粉的关键物化及胶砂性能具有重要的实用价值。石灰石粉在混凝土中的应用已相对成熟，并有两部规范《石灰石粉混凝土》(GB/T 30190—2013)和《水工混凝土掺用石灰石粉技术规范》(DL/T 5304—2013)进行规范性指导[1]。其他岩性石粉，江达宣等将花岗岩石粉与矿渣粉、粉煤灰复合，惰性石粉多元复合可增强复合效应，花岗岩石粉掺量增加会减弱混凝土力学性能和耐久性能，建议石粉掺量控制在10%范围内[2-4]。Thiago等[5]研究表明：玄武岩石粉对水泥的力学性能影响较大，玄武岩粉2.5%～5%掺量时有增强作用，掺量过大会降低抗压强度。孙茹茹等[6]通过研究不同岩性石粉-水泥复合浆体流变，得到石粉中云母和沸石矿物含量高、颗粒棱角多均不利于浆体工作性。王振等[7]研究了不同岩性石粉对水泥胶砂流动性和力学性能的影响，并采用同步热分析仪分析了不同岩性石粉对水泥水化程度的影响，表明，石灰岩和凝灰岩的活性大于花岗岩、玄武岩和石英岩。姚孟康[8]研究表明不同岩性石粉中吸水性强、MB值高的石粉，相应混凝土的工作性、耐久性能较差。Wang等研究表明石灰石、石英岩、片麻岩、花岗岩、大理岩、玄武岩石粉掺15%时对机制砂混凝土力学性能、耐久性和体积稳定性无明显影响[9-10]。李颜秀等[11]通过研究不同岩性石粉复合粉煤灰、矿渣对胶砂性能的影响，得到掺入片麻岩石粉的胶砂较玄武岩、花岗岩、石灰石其流动度最小，粉煤灰可改善其流动度，粉煤灰掺量较小的情况下，玄武岩石粉对其较敏感。贾其军等[12]在研究中表明，关于掺合料中引入的碱无相关规定和标准，致使一些地方因为天然火山灰总碱含量较高，而停止使用，故其研究了天然火山灰的有效碱含量检测方法，并验证其有效。

而针对不同岩性石粉的关键物理化学性质及胶砂性能的系统研究较少，基于此，本文选取石灰岩、红砂岩、凝灰岩、玄武岩、花岗岩、辉绿岩六种石粉，研究不同岩性、不同细度石粉的亚甲蓝(MB值)、碱含量、标稠用水量及凝结时间、流动度比、活性指数等，为不同岩性石粉的应用奠定坚实的基础。

1 试 验

1.1 原材料

选用青海省祁连县黄藏寺的石灰岩、山东日照的红砂岩、河北石家庄的凝灰岩、陕西安康的玄武岩、陕西省安康市镇安县花岗岩、陕西安康的辉绿岩，采用小型球磨机SM500，90%钢球钢段比，在室内进行粉磨，形成石粉。本文所用到的石粉比表面积见表1。

表1 不同岩石粉比表面积 单位：m2/kg

1.2 试验测试方法

1.2.1 石粉含泥量

石粉的含泥量通常采用MB值表示，MB值测试《石灰石粉混凝土》(GB/T 30190—2013)中采用石粉与标准砂按1∶ 3比例混合进行测试，《水工混凝土掺用石灰石粉技术规范》(DL/T 5304—2013)采用纯石粉测试MB值，本文对不同石粉采用两种MB值测试方法进行对比分析。

1.2.2 碱含量

参照《水泥化学分析方法》(GB/T 176—2008)中对水泥总碱量的测定方法，将试样经氢氟酸-硫酸蒸发处理后，用热水浸取残渣，加入氨水和碳酸铵并煮沸、过滤，最后以火焰光度计测定滤液中的钾、钠。

石粉中可溶性碱参照《水泥产品生产过程中的质量控制》(ASTM C114)对水泥可溶性碱的测定方法测试，其过程可简述为：称25.0 g石粉放入500 ml锥形瓶中，在室温下摇动10 min，然后在弱真空条件下用布氏漏斗过滤，将滤液转移到一个500 ml的容量瓶中定容。测定其浓度后，即可计算出石粉中可溶性碱含量。

参照何真等[13]提出的加速二次水化法进行石粉中有效碱含量测定。将石粉试样在105℃～110℃下烘干后，称取1 g，置于500 ml锥形瓶中，加入200 ml饱和石灰水溶液，用冷凝回流方法沸煮2 h后，冷却、过滤，定容到500 ml容量瓶中，测定溶液中碱含量值即为石粉有效碱含量。

1.2.3 标准稠度用水量及凝结时间

采用不同岩性石粉，分别替代30%水泥质量，按照《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》(GB/T 1346—2011)进行不同石粉-水泥复合浆体的标准稠度用水量和凝结时间试验。

2 试验结果分析

2.1 不同岩性石粉MB值

选用相同细度(比表面积为400～600 m2/kg)的石灰岩(LP)、红砂岩(RSP)、凝灰岩(TP)、玄武岩石粉(BP)、花岗岩(GP)及辉绿岩(DP)三个细度等级(A:400～600 m2/kg；B:600～800 m2/kg；C:800 m2/kg以上)石粉进行MB值测试，试验结果见表2。

表2 不同岩性石粉的MB值

从表2中可知，按照《水工混凝土掺用石灰石粉技术规范》(DL/T 5304—2013)和《石灰石粉混凝土》(GB/T 30190—2013)中两种检测方法，相同石粉的MB值纯石粉是石粉与标准砂按1∶ 3比例的3～4倍。石粉在应用过程中一般掺量较小，因此推荐按国标中方法检测石粉MB值。

从表2可知，相同细度不同岩性石粉，红砂岩石粉MB值最高，花岗岩石粉MB值最小，表明红砂岩石粉的泥粉含量最高，花岗岩石粉中泥粉含量最小。参考《石灰石粉混凝土》(GB/T 30190—2013)中石灰石粉MB含量指标要求≤1.4，认为红砂岩石粉亚甲蓝值过高，故本文后续试验中应重点关注其流动性、需水量等，确定其适用性。从辉绿岩石粉不同细度MB值结果可以看出，石粉随着细度的增加，MB值会略有提高，细度对MB值的影响不大。

2.2 不同岩性石粉的有效碱含量

不同岩性石粉的总碱含量、有效碱含量、可溶性碱含量的检测结果见表3。

表3 不同岩性石粉碱含量 %

由表3中可见有效碱含量：石灰石粉<辉绿岩<红砂岩<花岗岩<凝灰岩<辉绿岩；可溶性碱含量：花岗岩<石灰石<玄武岩<辉绿岩<凝灰岩<红砂岩；总碱含量：玄武岩<辉绿岩<石灰石<红砂岩=凝灰岩<花岗岩。由此可见不同岩性石粉的总碱量、有效碱含量、可溶性碱之间无相关关系，总碱量高，可溶碱、有效碱不一定高。石粉的总碱量虽然较高，但石粉的有效碱含量占总碱量的百分比最低，可溶出的碱含量占总碱比例较小，故在考虑混凝土总碱量时，忽略石粉中碱含量对其的影响。同时计算了六种石粉的有效碱含量占总碱的百分比分别为0.814%、3.483%、3.904%、4.320%、3.517%、2.192%，可以看出石灰石粉的有效碱含量最低，玄武岩的有效碱含量最高，为这些区域的石粉在工程中应用总碱值的计算提供了参考。

2.3 不同岩性石粉的微观分析

利用日立SU8020电镜，分别放大1 000、10 000倍，其微观结果见图1。

(a)石灰石粉(×1 000倍)

(b)石灰石粉(×10 000倍)

(c)红砂岩石粉(×1 000倍)

(d)红砂岩石粉(×10 000倍)

(e)凝灰岩石粉(×1 000倍)

(f)凝灰岩石粉(×10 000倍)

(g)玄武岩石粉(×1 000倍)

(h)玄武岩石粉(×10 000倍)

(i)花岗岩石粉(×1 000倍)

(j)花岗岩石粉(×10 000倍)

(k)辉绿岩石粉(×1 000倍)

(m)辉绿岩石粉(×10 000倍)图1 不同岩性石粉SEM图像

从图1(a)、(b)可见，石灰石粉大粒径颗粒较多，表面呈轻微层理结构，较密实；由图1(c)、(d)可见，红砂岩石粉呈蜂窝状，表面疏松多孔，其石粉细颗粒含量多；图1(e)、(f)显示凝灰岩表面孔隙较大，较为疏松；图1(g)、(h)显示，玄武岩石粉粒径分布相对均匀，其呈块状结构，表面棱角性较大，致密；图1(i)、(j)显示，花岗岩呈层理结构，表面光滑致密，其颗粒棱角性较大；图1(k)、(m)可见，辉绿岩呈层理结构，较密实，粉磨之后颗粒片状较多。

2.4 标准稠度用水量和凝结时间

选用相同细度(比表面积为400～600 m2/kg)的石灰岩、红砂岩、凝灰岩、玄武岩石粉，及辉绿岩、花岗岩三个细度等级(A:400～600 m2/kg；B:600～800 m2/kg；C:800 m2/kg以上)石粉，石粉等质量替代30%水泥的复合浆体标准稠度用水量和凝结时间试验，见图2～5。

图2 不同岩性石粉标准稠度用水量

图3 不同石粉细度标准稠度用水量

从图2可知，相同细度条件下，掺加石灰石粉增加了浆体的标准稠度用水量，其相比基准增加了2.2%；红砂岩石粉相较基准标稠用水量增加了3.6%；凝灰岩石粉相较基准标稠用水量增加了2.8%；玄武岩石粉相较基准标稠用水量减少了2.2%；花岗岩石粉相较基准标稠用水量增加了2.9%；辉绿岩与基准标稠用水量相同。由图3中花岗岩石粉、辉绿岩石粉不同细度的标准稠度用水量结果可知，标稠用水量随着比表面积的增加先增加，而后基本维持不变。标准稠度用水量取决于填充颗粒空隙自由水的量以及颗粒内孔和外孔壁上吸附水总量，因此标准稠度用水量与颗粒的紧密堆积程度和吸附作用密切相关[14]。从图1(c)、(d)中可以看出，红砂岩、凝灰岩较为疏松多孔吸附性强，因此其需水量大。比表面积增加，石粉的粗糙程度明显增大，因此其标准稠度用水量会增加，但当石粉细度再增加时，大颗粒的孔隙被小颗粒填充，因此出现了其标稠用水量不再增加的现象。

从图4～5中可见，与基准相比六种不同岩性的石粉缓凝效果均不明显，其中凝灰岩石粉、玄武岩石粉具有轻微缓凝效果，可缓凝10 min，其余石粉对凝结时间影响不大，不同比表面其凝结时间相差不大，可认为细度对凝结时间基本无影响。

2.5 不同岩性石粉流动比、需水量比

选用六种不同岩性，每种岩石选用三个细度等级(A:400～600 m2/kg；B:600～800 m2/kg；C:800 m2/kg以上)采用标准胶砂用量，石粉等质量替代30%水泥拌制，不同岩性石粉-水泥复合的胶砂流动度比。每种岩石选用固定表面面积B等级做活性指数试验，试验结果见图6～7。

图7 不同岩性石粉活性指数

由图6可知，六种岩石的胶砂流动度比均达到了90%以上，其中石灰石粉、玄武岩石粉的胶砂流动度比达到了95%以上。石灰石粉、红砂岩石粉、花岗岩石粉、辉绿岩石粉流动度比随着石粉细度的增加，基本呈下降趋势，下降幅度较小。这主要由于颗粒比表面积增加，其需水量增加，流动度比减小。凝灰岩石粉、辉绿岩石粉的流动度在比表面积600～800 m2/kg时流动度比较大，分析原因是相同比表面积下，不同岩石的粒径分布情况存在差异，存在此种岩性石粉在比表面积600～800 m2/kg时优化了颗粒级配，颗粒相互填充较好，其需水量减少，流动度比增大。

结合表1，对比分析石粉亚甲蓝值与流动度比之间的关系，红砂岩的MB值为其他五种岩石的8.2～22.5倍，但其流动度比较其他岩石，除明显小于石灰石粉、玄武岩石粉外，与其他三种岩性石粉基本相同。因此MB值高不能直接反映胶砂流动性差。

由图7可知，六种岩石的活性指数，凝灰岩石粉>石灰石粉>红砂岩石粉>玄武岩粉>辉绿岩>花岗岩。

3 结 论

1)相同石粉的MB值纯石粉是石粉与标准砂按1∶ 3比例的3～4倍，推荐按国标中方法检测石粉MB值；细度对亚甲蓝值影响不大；六种石粉中红砂岩石粉的MB值最高，MB值高不能直接反映胶砂流动性差。

2)石粉总碱含量、有效碱、可溶碱之间无相关关系，石灰岩、红砂岩、凝灰岩、玄武岩、花岗岩、辉绿岩石粉有效碱含量占总碱的百分比分别为0.814%、3.483%、3.904%、4.320%、3.517%、2.192%，为相同地区掺石粉混凝土碱含量提供了参考。

3)玄武岩石粉相较基准标稠用水量减少了2.2%，辉绿岩与基准标稠用水量基本相同，其余石粉的标准稠度用水量较基准均有增大，石粉的缓凝效果不明显，其中玄武岩石粉可缓凝10 min。

4)六种岩性石粉胶砂流动度比均大于90%，六种岩石的活性指数，凝灰岩石粉>石灰石粉>红砂岩石粉>玄武岩粉>辉绿岩>花岗岩。

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