硅质石粉的应用现状及其对砂浆性能的影响

杨淮 朱艺婷 乔 峰 施伟仁 林 越 卢沈力

（福建江夏学院工程学院，福建 福州 350108）

0 引言

我国建筑结构以钢筋混凝土为主体，砂石用量巨大。根据国家统计局数据，2020年全国砂石交易量超180亿t。由于天然砂石资源日益匮乏，机制砂正逐步成为主力砂源。机制砂生产过程中会产生10%～20%的石粉，石粉指粒径在75μm以下的粉体，根据母岩性质不同，主要分为钙质石粉和硅质石粉。钙质石粉性质与常用矿物掺合料接近，人们对其的研究多、深入，对其应用也较为广泛，相关规范文件也较全面。2013年以来已发布《用于混凝土的石灰石粉》（CCPA-2002）、《石灰石粉混凝土》（GB/T30190）、《用于水泥、砂浆和混凝土中的石灰石粉》（GB35164）、《石灰石粉在混凝土中的应用技术规程》（JGJ/T-218）等4份相关规范或规程。而石英岩、花岗岩、凝灰岩和片麻岩的破碎产物均以硅质石粉为主，此类石粉产量大，对其性能的研究亟待进一步拓展和加强。本文在介绍硅质石粉活性的基础上，对硅质石粉的应用现状及其对砂浆性能的影响进行阐述，为加快硅质石粉的资源化利用提供技术依据。

1 硅质石粉的活性研究

硅质石粉以SiO2、Al2O3为主要矿物成分。其余矿物成分中，CaO含量远低于水泥，Fe2O3、MgO等含量与水泥接近。水泥水化产物Ca(OH)2会改变硅质石粉中的SiO2表面结构，提高石粉溶解性，进而促进石粉活性提升。但硅质石粉总体活性较低，通常通过掺入改性剂以进一步激发其活性，主要以碱性激发剂为主。碱性激发剂可以促进硅质石粉中的主要矿物成分溶解，SiO32-和AlO33-在浆体中生成水化铝酸钙，使得浆体结构更为致密。马保国等人[1]研究了改性剂CL和NS对水泥-花岗岩石粉体系砂浆流动性的影响，发现相较于NS改性剂，CL改性剂对砂浆流动度的提升较为明显，两种改性剂对力学性能都有一定的提升效果。黄绍龙等人[2]利用碱激发原理，选用水玻璃提高水泥-花岗岩石粉体系净浆的抗压强度和流动性能，确定了最优的水玻璃模数和掺量。郝彤等人[3]对比了Ca(OH)2和水玻璃两种碱性激发剂对花岗岩石粉砂浆性能的影响，结果表明在大取代率试验组中，激发剂的使用能够使力学性能在一定范围内得到提升。

由以上研究看来，硅质石粉活性较低，可在水泥基材料水化后期，与水化产物反应提升活性。但用于对强度有较高要求的砂浆或混凝土制品中，或在水泥基材料中以较大的取代率使用时，可以在碱性激发作用下进一步提升其活性。

2 硅质石粉的应用现状

2.1 硅质石粉在国内的应用现状

我国针对硅质石粉在水泥基材料中的应用研究目前主要集中于用其取代砂浆和混凝土中细骨料、水泥或矿物掺合料。使用石粉替代细骨料，并不会减少水泥的用量，不能很好地解决环境污染问题。使用石粉替代水泥，不但可以解决废弃石粉污染环境的问题，还能够通过减少水泥的消耗量从而缓解水泥生产过程带来的环境污染问题。使用石粉取代矿物掺合料的取代率是有限的，硅质石粉活性较低，用于混凝土中对强度有较高要求时会进一步限制其掺量，因此硅质石粉更适用于掺加在砂浆中。

2.2 硅质石粉在国外的应用现状

国外针对硅质石粉的应用主要集中在涂料添加剂、建筑陶瓷和新型材料制备三个方面。在水泥基材料领域的研究主要开展于2010年之后，Singh S[4]采用石粉取代细骨料，研究其取代率对混凝土流变性能、力学性能和耐久性能的影响规律。Sadek D M[5]采用石粉取代矿物掺合料用于自密实混凝土中，研究表明石粉的掺入会对混凝土性能有很大的影响，且这种影响与石粉类型有关，花岗岩石粉掺入后的自密实混凝土性能优于大理石粉，石粉的最大掺量可达到50%。André 等人[6]则采用石粉取代水泥，发现将石粉掺量控制在一定范围内时，并不会对水泥基材料的耐久性产生显著影响。

3 硅质石粉对砂浆性能的影响

硅质石粉在砂浆中的应用，应当充分考量由其制备的砂浆是否具有良好的工作性能、力学性能和耐久性能。

3.1 硅质石粉对砂浆工作性能的影响

邱志熊等人[7]和英丕杰等人[8]分别采用花岗岩石粉取代砂浆中的细骨料和矿物掺合料，试验结果均表明石粉的掺入能够有效改善砂浆的工作性能，增加其流动性。张广田等人[9]通过试验得到花岗岩石粉取代标准砂的最优掺量为10%～12%，在此掺量下加入适量的高效减水剂作为改性剂可以显著提高流动性。杨俊[10]对比了片麻岩石粉和凝灰岩石粉作为矿物掺合料使用时对砂浆稠度、保水性和分层度的影响。片麻岩石粉取代粉煤灰的取代率控制在40%～60%时，稠度、保水性和分层度满足规范要求，凝灰岩石粉对砂浆工作性能的影响规律与片麻岩石粉基本相同，但凝灰岩石粉取代率高时对稠度损失控制有利。王宇谋[11]在不改变水灰比的情况下，利用花岗岩石粉体积来替换相同水泥浆体体积，结果表明扩展度随花岗岩石粉掺量的增加而减少，但可通过调整高效减水剂的用量来保证砂浆拌合物良好的工作性能。

综上，一定掺量的石粉可以在一定程度上改善浆体的工作性能，控制掺量受到石粉母岩种类的影响。掺量较高时，通过引入改性剂能够解决水泥基浆体黏稠和流动性小等问题。

3.2 硅质石粉对砂浆力学性能的影响

学者们对硅质石粉对砂浆力学性能的影响主要考虑的变量为石粉细度和石粉取代率，石粉无论是取代砂浆中的水泥还是矿物掺合料，都会对水泥基材料的强度有显著影响[12]，且对早期强度的影响更为显著[13]。部分学者认为花岗岩石粉取代矿物掺合料使用时，砂浆的抗压、抗折强度随掺量的增加而降低[14]，还有部分学者的研究结果表明一定掺量的花岗岩石粉可以有效提高砂浆力学性能[15-16]，即存在石粉最优掺量。郝彤等人研究表明，石粉取代矿物掺合料的比例超过35%后，随掺量增加，砂浆强度降幅较大。RMMADJI C等人[17]用10%的花岗岩石粉替代水泥，试验结果表明低于10%掺量的花岗岩石粉对砂浆的长期强度不会造成不良影响。姚楚康[18]研究表明，石粉细度增大时，其活性指数也随之增加，但当细度超过300m2/kg时，活性指数的增幅减小。

由此看来，砂浆中低掺量的石粉主要起填充作用，使得胶凝材料的颗粒级配接近于紧密堆积状态，填充了浆体孔隙，从而改善浆体性能。但石粉掺量过大时，根据紧密堆积理论，石粉填充效果不再明显，使得力学性能降低。

3.3 硅质石粉对水泥浆体微观结构的影响

张晓静等人[19]从微观层面展开研究，探究花岗岩石粉掺量对砂浆水化产物和微观形貌的影响，结果表明花岗岩石粉具有一定的火山灰活性，因此可以参与到水泥浆体的水化过程中，从而形成更多的水化产物。从图1、图2的SEM图片上可以看出，随着花岗岩石粉掺量的增加，纤维状的I型C-S-H凝胶交叉生长，针状钙矾石数量减少，浆体微观结构更加致密，因此能够有效提高水泥浆体的力学性能。王将华等人[20]通过不同的粉磨时间获取不同平均粒径的石粉，探究粉磨时间对砂浆微观结构的影响，见表1。在石粉掺量为15%的情况下，未经粉磨的砂浆的SEM图片中可以观察到游离石粉（FSP）的存在，微观结构明显较粉磨40min的试验组更为疏松多孔。结合激光粒度分析仪的试验结果可知，未经粉磨的石粉大于40μm的颗粒数量较多，填充效果较差，同时其水化产物以针状钙矾石为主，因此从微观结构上看密实度较差。

表1 粉磨时间对石粉粒径分布的影响

图1 石粉掺量对水泥浆体微观结构的影响

图2 石粉细度对水泥浆体微观结构的影响

综上，石粉掺量会对水泥浆体水化产物类型和数量产生影响，而石粉细度会影响填充效果，从而对微观结构的密实度产生影响。

3.4 硅质石粉对砂浆耐久性能的影响

硅质石粉的细度和掺量也会对砂浆的耐久性能有显著影响，主要包括对砂浆抗碳化、吸水率、干燥收缩、抗冻性等性能的影响。王宇谋[11]通过试验研究发现，同一水灰比条件下，砂浆的抗碳化性能和吸水率均随着花岗岩石粉体积取代率的增加而改善，掺量达到15%时，碳化深度减少25%，吸水率降低了71.2%。王将华[20]等人的研究结果表明，比表面积和粒径分布小于60μm的石粉颗粒会对砂浆的干燥收缩性能有较大影响，其中20～40μm 的石粉颗粒影响最为显著。在石粉粉磨时间相同的情况下，石粉掺量15%的试验组抗干缩性能最优。杨俊[10]的试验结果表明，片麻岩机制砂石粉取代矿物掺合料的取代率为60%时，能够最有效改善水泥砂浆的抗冻性能，而凝灰岩机制砂取代率为20%～40%的试验组抗冻性最佳。

综上，石粉母岩种类、掺量、细度均会对砂浆的耐久性产生影响。在一定掺量范围和粒径分布的情况下，耐久性能会有不同程度的改善，这主要与石粉在水泥基材料中起晶核、填充、化学和稀释等密切相关，从而改善材料的宏观性能[21]。

4 硅质石粉的应用研究展望

目前对于硅质石粉的研究尚存在不足之处，还需从以下几个方面进行研究：

（1）研究表明硅质石粉能够起到微集料填充效应，但当石粉大掺量使用时，微集料填充效应不显著，对于其中机理，还需要进一步开展研究；

（2）硅质石粉分布范围广泛，受母岩性质影响较大，目前的试验研究中，一般通过化学组成和粒径分布来表征石粉性质，对石粉的表面特性未开展深入研究；

（3）硅质石粉在砂浆中的应用研究多集中在工作性能和力学性能两方面，对于微观结构和耐久性能的研究还需进一步深入。

5 结束语

硅质石粉是一种可再利用的资源，可以取代水泥基材料中的细骨料、水泥或矿物掺合料。其本身具有一定矿物活性，但当水泥基材料对强度要求较高或需要大掺量使用时，可以采用碱性激发剂进一步提升其活性。综合来看，硅质石粉用于砂浆中时，其消纳量更大。石粉的母岩种类、掺量、细度等因素会对砂浆的工作性能、力学性能、微观结构和耐久性产生影响。通过一系列试验研究已经得到了最优掺量和细度范围。