不同巖性石粉關鍵物性參數的量化表征及評價方法

李曉寧 李婷 瞿海洋 朱玉雪

（1中建材中巖科技有限公司，北京 100024；2中國建筑材料科學研究總院有限公司，北京 100024）

1 引言

隨著中國建筑行業的快速發展，預拌混凝土的大量應用導致砂石資源嚴重短缺，采用機制砂代替天然砂進行砂漿混凝土的配制受到越來越多的重視[1]。但是機制砂的生產方式造成了其較高的石粉含量及含泥量，從而導致混凝土坍落度損失過快，影響施工和混凝土的性能與質量。但是石粉在一定的應用條件下，不但不會降低混凝土強度，還會填補混凝土骨料之間的空隙，起到一定的潤滑作用[2]，從而在一定程度上確保混凝土保水性和粘聚性[3-5]。為了更好的將高石粉含量的機制砂應用于混凝土中，滿足對高性能混凝土的要求，探究石粉對砂漿混凝土的影響具有重要意義。

通過相關文獻查閱[6，7]，影響石粉的質量與性能的關鍵物性參數有：巖性、顆粒大小及分布、比表面積、含泥量和反應活性。本研究通過選取不同的試驗方法分別探究各關鍵物性參數，通過各試驗結果的對比，確定適宜的試驗方法，同時為探究石粉對砂漿混凝土的影響打下基礎。

2 試驗原材料與測試方法

2.1 試驗原材料

研究共收集到6種石粉，分別為石灰石粉、花崗巖石粉、重晶石粉及3種玄武巖石粉。其中石灰石粉來自試驗室購買的外加劑檢驗用細集料經破碎粉磨制得；花崗巖與重晶石粉為市售石粉；玄武巖石粉為市售細集料經實驗室破碎粉磨制得。

此外，石灰石粉活性指數試驗用水泥為山東中聯水泥生產的P.I. 42.5級基準水泥，主要性能指標如表1所示。

2.2 試驗測試方法

2.2.1 石粉基本巖性

不同巖性的礦物摻合料其本質區別即具有不同的礦物成分含量，研究通過XRD和XRF測試將礦物成分進行定性和定量分析。試驗采用 Bruker D8-Advance X射線衍射儀對石粉礦物成分進行測試，X射線衍射儀工作參數：Cu靶，管電壓40kV，管電流30mA，步長0.02°；采用島津XRF-1800 X射線熒光光譜分析儀對石粉的化學組成進行測試。

2.2.2 石粉顆粒大小及分布

參照GB/T 30190-2013《石灰石粉混凝土》，采用45μm的篩余來表征；同時采用激光粒度分析儀對石粉的粒徑分布進行測試。

2.2.3 石粉比表面積

參照GB/T 8074-2008《水泥比表面積測定方法 勃氏法》，進行石粉比表面積的測定；采用TriStar II 3020 高速自動比表面積及孔隙度分析儀進行BET氮吸附法比表面積測試；根據激光粒度分析儀測定的石粉顆粒分布結果，通過計算機計算得到比表面積數值。

表1 P.I.42.5級基準水泥主要性能指標

2.2.4 石粉含泥量

研究采用MB值表征材料含泥量的高低。根據GB/T 30190-2013《石灰石粉混凝土》和GB/T 14684-2011《建設用砂》進行亞甲基藍光暈測試，主要區別為前者需要將石粉與一定量的標準砂混合均勻而后者是直接將材料溶于水形成懸濁液進行測試。一種新測試方法是利用分光光度計[8]，測試懸濁物質上清液的吸光度，反推溶液中的亞甲基藍濃度，再通過公式計算出MB值。

2.2.5 反應活性

根據GB/T 30190-2013《石灰石粉混凝土》及GB/T 18736-2017《高強高性能混凝土用礦物外加劑》中規定的活性指數的測試方法，采用受檢膠砂和基準膠砂在標準條件下養護至相同規定齡期的抗壓強度之比，表示其活性指數。

3 結果與討論

3.1 石粉基本巖性分析

不同巖性石粉的化學組成分析如表2所示。

表2 不同巖性石粉的XRF測試結果

由表1可知，不同巖性的石粉其氧化物質的含量各不相同；而同一巖性的石粉，如玄武巖石粉，氧化物質的成分基本相同，只是不同氧化物質的含量有所差別。

不同巖性石粉的XRD圖譜如圖1所示。

結果表明，石灰石粉98%的成分為CaCO3；花崗巖43%的成分為SiO2，19%的成分為Fe2O3，14%的成分為CaO，結合XRD圖譜可知，其主要成分為長石和石英；重晶石的XRD數據表明主要存在著BaSO4、CaCO3、SiO2三種礦物，結合XRF數據顯示，重晶石石粉BaO含量不高推測可能摻加了石灰石粉；三種玄武巖石粉的化學成分相近但含量不同，主要包括SiO2、Fe2O3、Al2O3、CaO等，且玄武巖的Na2O和K2O含量明顯比其他種類的石粉高，XRD圖譜表明，3種玄武巖石粉主要由以鈉長石、硅酸鎂為主要成分的橄欖石、磁鐵礦等組成。

在將石粉作為摻合料應用于混凝土時，可根據礦物相成分與水泥水化產物的組成，進一步分析石粉對混凝土性能的影響原因。

圖1 不同巖性石粉的XRD測試結果

3.2 石粉顆粒大小及分布

采用篩分法測定石粉45μm的篩余值，結果如表3所示。采用激光法測定的石粉粒度分布結果見表4。

表3 篩分法測定不同巖性石粉篩余值

表4 不同巖性石粉的激光粒度分析法測試結果

由測試結果可知，石灰石粉在0～50μm的顆粒占比達到100%，與篩分法結果較為吻合；花崗巖大于11μm的顆粒占比達99%以上，大于50μm的顆粒占比達超過64%，說明其大尺寸顆粒的分布較大，與45μm篩余結果差距較大；尾礦砂0～50μm的顆粒占比約67%，篩分法測得的0～45μm的顆粒占比約22%，二者差距較大；白云巖在0～50μm的顆粒占比達92%，篩分法測得的0～45μm的顆粒占比約48%，二者差距較大；重晶石0～50μm的顆粒占比約73%，篩分法測得的0～45μm的顆粒占比約90%，二者差距相對較小；3種玄武巖石粉采用激光法測得的0～50μm的顆粒占比為63%左右，采用篩分法測得的0～45μm的顆粒占比為81%左右，規律相似，且顆粒大小均處于石灰石和花崗巖之間。

篩分法只能測出規定目數篩子的篩余，適合制備一定目數的石粉樣品，因此用于評價樣品細度較為合適，而激光粒度分析法將一種樣品的粒徑分布和粒徑大小以數值直觀地表現出來，適合用來評價石粉的粒徑分布，對設計優化顆粒級配具有指導意義。

3.3 石粉比表面積

分別采用BET氮吸附法、勃氏比表面積測試法及激光粒度分析計算法測定石粉的比表面積，結果見表5。

表5 利用不同測試方法測定石粉比表面積結果

由結果對比可知，三種測試方法的結果值沒有可比性。BET氮吸附法采用氣體吸附，石粉顆粒表面的細小空隙也會將氮氣吸附，因此測試結果會偏大，此外BET氮吸附法需經高溫脫氣數小時，耗時較長且操作繁瑣；勃氏法因受到比表面積儀參數、實驗人員壓實手法、石粉密度測定等中間過程的影響，導致測試結果會存在偏差；激光法是通過測試粒度分布形成的曲線，計算曲線積分面積從而得到比表面積，受其它條件影響較小，并且可將石粉的不同粒度分布范圍直觀地測試出來，同時得到石粉顆粒粒度分布和比表面積結果。

因此，石粉的比表面積采用激光法進行測定。

3.4 MB值

表6 不同標準相關方法測試石粉MB結果

分別采用GB/T 30190-2013《石灰石粉混凝土》、GB/T 14684-2011《建設用砂》及分光光度法測試，測試石粉的MB值，結果見表6。

由結果分析可知，分光光度法與GB/T 30190-2013測試的不同巖性石粉的MB值趨勢大體相同，但分光光度法測試步驟繁瑣，需多次稀釋溶液，產生誤差的環節多，準確性不高；GB/T 14684-2011測試的結果波動較大，趨勢與其余兩種測試方法差別較大，此外測試結果明顯偏高，測試結果與實際應用的相關性不大。因此，石粉的MB值選擇采用GB/T 30190-2013《石灰石粉混凝土》中的測試方法進行測定。

3.5 活性指數

按照GB/T 30190-2013《石灰石粉混凝土》中的試驗方法測定石粉的活性指數，結果見表7。

表7 不同巖性石粉活性指數

結果表明，花崗巖和重晶石屬于低活性摻合料，7d活性指數為55%和65%，28d活性指數為55%和61%。玄武巖和石灰石具有相對較高的活性，7d活性指數為72%、75%、73%、70%，28d活性指數為64%、67%、62%、63%。采用GB/T 30190-2013《石灰石粉混凝土》中的試驗方法，不僅適用于石灰石粉，也可借鑒用于反映不同巖性石粉的活性，為進一步研究石粉在混凝土中的應用提供了重要依據。

4 結論

針對不同巖性的石粉，采用不同測試方法測定了其巖性、細度、粒度分布、比表面積、MB值和活性指數，最終確定石粉的關鍵物性參數采用以下方法進行量化表征和評價：

1）石粉的巖性采用XRF與XRD相結合的方法進行定量與定性；

2）石粉的粒度分布和比表面積均采用激光粒度分析法進行測定，石粉的細度采用篩分法測定45μm篩余用以表征；

3）石粉的MB值和活性指數按照GB/T30190-2013《石灰石粉混凝土》中相應試驗方法進行不同巖性石粉的測定。