片麻巖石粉用于混凝土的技術指標研究

謝小元，萬永旺，李顏秀，夏京亮

(1.中國建筑科學研究院有限公司，北京 100013;2.中交第四航務工程局有限公司，廣州 510290)

隨著國家基礎設施建設量的激增，混凝土優質原材料緊缺現象突出，特別是傳統礦物摻合料粉煤灰和礦渣粉，多地出現摻假造假現象，屢禁不止。為此，研究開發補充的輔助膠凝材料成為目前混凝土工程和技術面臨的重大挑戰。劉數華、史才軍等人研究了石灰石粉作為礦物摻合料在混凝土中的影響，石灰石粉在混凝土中主要作用包括填充作用、減水作用、晶核作用以及微弱的化學作用[1-4]。王強等人研究了鋼渣在混凝土中應用，結果表明，鋼渣在膠凝材料硬化過程中所起的作用小于傳統礦物摻合料礦渣，隨著鋼渣摻量的增大，膠凝材料的早期和后期性能都在降低[5-7]。夏京亮等人研究了非洲肯尼亞的兩種天然火山灰質材料對于混凝土性能的影響，結果表明，天然火山灰質材料可以作為粉煤灰的替代品，摻量范圍在10%～30%之間，天然火山灰質材料對于混凝土工作性能影響較小，一定程度上降低了混凝土強度和耐久性，但是通過混凝土配合比調整和優化，可以配制出滿足鐵路標準要求的混凝土[7-12]。然而對于國內應用較廣的片麻巖加工機制砂產生的片麻巖石粉研究尚較少，特別是片麻巖石粉含有云母的特點，對于混凝土性能的影響規律還不清晰，為此，該文主要采用流動度比和活性指數兩個技術指標，從片麻巖石粉細度、摻量和云母含量的角度出發，研究了片麻巖石粉作為礦物摻合料用于混凝土的技術指標，促進片麻巖石粉在混凝土的工程應用。

1 試 驗

1.1 原材料

片麻巖石粉：化學成分見表1，主要化學成分為SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3，同時含有一定量的K2O和Na2O；微觀形貌見圖1，可以看出片麻巖石粉微觀形貌上表面有層狀、片狀結構和孔隙腔體結構，另外其表面較為粗糙。

表1 片麻巖石粉化學成分 w/%

1.2 方法

片麻巖石粉細度采用FSY-150型水泥細度負壓篩析儀，參考標準《水泥細度檢驗方法 篩析法》GB/T 1345—2005的負壓篩析法進行測試。

比表面積采用FBT-9型全自動比表面積測定儀，參照標準《水泥比表面積測定方法 勃氏法》GB/T 8074—2008的透氣法進行測試。

片麻巖石粉與水泥比例為3∶7，流動度采用JJ-5水泥膠砂攪拌機和NLD-3型水泥膠砂流動度測定儀，按照標準《水泥膠砂流動度測定方法》GB/T 2419—2005進行測試。

抗壓強度按照標準《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》GB/T 17671—1999成型尺寸為40 mm×40 mm×160 mm的棱柱體基準試件和試驗試件，脫模后在(20±1)℃的水中養護7 d、28 d后進行測試。

活性指數，在測試抗壓強度的基礎上按照《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》GB/T 1596活性指數試驗方法進行計算。

2 結果與分析

2.1 片麻巖石粉細度的影響

采用實驗室的小型球磨機，每次加入到球磨機中的片麻巖石粉質量均為3 kg，設置粉磨加工時間為10 min、20 min和30 min，測試不同粉磨時間下得到的片麻巖石粉細度，研究其加工性能，同時試驗研究不同細度的片麻巖石粉技術制備情況，試驗數據見表2。

表2 細度對片麻巖石粉性能的影響

由表2中試驗結果可知，在粉磨時間20 min之前，隨著粉磨時間的延長，片麻巖石粉細度變細，比表面積增大，相比于未粉磨的原狀片麻巖石粉，粉磨10 min、20 min和30 min的片麻巖石粉細度分別降低了55.7%、67.1%、59.3%，可以看出，在粉磨10 min時，片麻巖石粉細度迅速變細，進一步粉磨到20 min，雖然片麻巖石粉細度變細，但是變細的幅度很小，直到粉磨30 min時，篩余反而變大了。出現這一現象的原因主要是，當粉體細度達到一定程度時，由于粉體顆粒表面電荷增多，出現團聚現象，此時如果不采用相應的技術措施，如摻加表面活性劑，進一步粉磨，對于粉體細度已經沒有作用。

不同粉磨時間的片麻巖石粉流動度比試驗結果見圖2。可以看出，粉磨時間10 min的片麻巖石粉相比于未粉磨的原狀石粉流動度比顯著提高，隨著進一步粉磨，片麻巖石粉的流動度比提高較小。片麻巖石粉在漿體中呈現填充作用，細度較細的片麻巖石粉顆粒可以填充大粒徑的水泥顆粒之間的孔隙，從而釋放出水泥顆粒之間孔隙水，起到一定的減水作用，由于片麻巖石粉的團聚效應，隨著粉磨時間的延長，片麻巖石粉顆粒粒徑并沒有進一步減小，因此，其填充減水作用隨著粉磨時間的延長沒有較為顯著的提高。從片麻巖石粉流動度比的角度而言，片麻巖石粉在混凝土中應用可以適當粉磨，但是粉磨時間需要科學試驗確定，不宜過長，較長時間的粉磨能耗較高，技術效果提高不明顯。

不同粉磨時間的片麻巖石粉活性指數試驗結果見圖3。可以看出，粉磨時間10 min的片麻巖石粉相比于未粉磨的原狀石粉，比表面積從177 m2/kg增加到350 m2/kg，片麻巖石粉7 d活性指數增加了13%，28 d活性指數增加了10%。而粉磨時間由10 min增加到20 min、30 min，片麻巖石粉比表面積從350 m2/kg增加到482 m2/kg、471 m2/kg，活性指數基本上保持不變，且7 d活性指數和28 d活性指數基本相近。片麻巖石粉為惰性的輔助膠凝材料，主要作為是填充作用，但是將其粉磨至一定的細度，較細的顆粒可以很好的分散于水泥顆粒之間，起到晶核作用，從而加速水泥早期的水化，提高水泥-片麻巖石粉體系早期強度。隨著粉磨時間的延長，由于片麻巖石粉顆粒的團聚作用，石粉顆粒粒徑并沒有進一步降低，因此其填充作用和晶核作用均未提高，因此粉磨時間延長并不能提高片麻巖石粉活性指數。考慮到粉磨加工，增加了應用工序，并增加能耗，從而提高了應用成本，因此在片麻巖石粉應用過程中，盡量采用原狀石粉，如確需粉磨加工，需要試驗確定粉磨時間。

2.2 片麻巖石粉摻量的影響

為研究片麻巖石粉在混凝土中應用，試驗了片麻巖石粉摻量對于水泥-片麻巖石粉體系性能的影響，片麻巖石粉摻量設置為0、10%、20%、30%四個變量。片麻巖石粉摻量對于片麻巖石粉-水泥膠砂流動性的影響見圖4。可以看出，隨著片麻巖石粉摻量的增加，摻片麻巖石粉水泥膠砂的流動度顯著下降，膠砂工作性能劣化，相比于未摻片麻巖石粉的基準組，片麻巖石粉摻量10%、20%、30%的三組膠砂流動度分別降低了5%、8%和12%。主要原因為，片麻巖石粉為惰性輔助膠凝材料，在膠砂體系中主要呈現填充作用，雖然片麻巖石粉可以填充水泥顆粒，釋放一定數量的水泥顆粒孔隙水，對于膠砂流動性具有一定的正效應；然而，片麻巖石粉顆粒表面有層狀、片狀結構和孔隙腔體結構，另外其表面較為粗糙，一定程度上增加了膠砂流動的阻力，對于膠砂流動性具有顯著的負效應。隨著片麻巖石粉摻量的增加，其對于膠砂流動性的負效應愈加明顯，成為主要影響，因此降低了膠砂流動度比。在片麻巖石粉摻量為20%時，摻片麻巖石粉水泥膠砂的流動度為92%，此時流動性雖有降低，膠砂流動性相對較好，對于此時的混凝土施工尚可以保證，為此在實際工程應用中，從工作性的角度出發，建議片麻巖石粉摻量控制在20%以內。

片麻巖石粉摻量對于摻片麻巖石粉水泥膠砂的抗折強度和抗壓強度的影響分別見圖5和圖6，可以看出，片麻巖石粉摻量對膠砂抗折強度和抗壓強度的影響規律相近。隨著片麻巖石粉摻量的增加，膠砂抗折強度和抗壓強度均有所降低，相對比未摻片麻巖石粉的基準試驗組，片麻巖石粉摻量10%、20%、30%的三組膠砂7 d抗折強度分別降低了10.4%、13.2%、36.3%；28 d抗折強度分別降低了12.7%、17.0%、26.4%；7 d抗壓強度分別降低了31.9%、27.9%、42.3%；28 d抗壓強度分別降低了23.1%、29.9%、43.1%。主要原因為片麻巖石粉為惰性輔助膠凝材料，在水泥-片麻巖石粉體系中僅僅起到填充作用和一定的晶核作用，在一定程度上對于膠砂強度具有一定的正效應；但是由于片麻巖石粉基本不參與水泥水化，片麻巖石粉的摻入，減少了水泥用量，稀釋了體系中水泥的密度，同時提高了水灰比，對于膠砂強度具有顯著的負效應，因此隨著片麻巖石粉摻量的增加，其負效應占到主要地位，降低了體系膠砂的強度。片麻巖石粉摻量從10%增至20%，體系膠砂強度降低幅度相對較小，摻量從20%增至30%，體系膠砂強度顯著降低，因此從強度角度考慮，工程中同樣建議片麻巖石粉摻量不宜過高，需要控制在20%以內。

2.3 云母含量的影響

云母是含鉀、鋁、鎂、鐵等化學成分的鋁硅酸鹽，呈現層狀結構，為單斜晶系，化學式為KAl2(AlSi3O10)(OH)2。由于云母的層狀結構，其對于混凝土性能具有一定的負面影響，為此在國家標準《建設用砂》GB/T 14684—2011中規定了云母的含量限值，對于Ⅰ類砂要求含量<1%；對于Ⅱ、Ⅲ類砂要求含量<2%。通常片麻巖含有一定量的云母，通過粉磨加工，可能會形成一定量的游離云母顆粒，進而影響其在混凝土中的應用。為研究云母含量對于片麻巖石粉用于混凝土中的影響，試驗了云母含量對片麻巖石粉技術指標的影響，通過外摻云母，試驗設置了0、2%、4%、6%四個云母含量變量，測試其對于水泥-片麻巖石粉體系性能的影響。

圖7為片麻巖石粉中云母含量對于水泥-片麻巖石粉體系流動性的影響，圖8為試驗過程照片。從圖中可以看出，隨著片麻巖石粉中云母含量的增加，體系膠砂流動度比逐漸降低，充分表明片麻巖石粉中云母含量增加了其需水量，對于體系流動性具有顯著的負面影響，主要原因為云母是層狀結構，層狀結構的云母顆粒在體系中增加了漿體流動的阻力，降低了水泥-片麻巖石粉體系膠砂流動性，因此，在片麻巖石粉應用過程中，應注意云母含量的控制。

片麻巖石粉云母含量對于摻片麻巖石粉水泥膠砂的抗折強度和抗壓強度的影響分別見圖9和圖10，可以看出，片麻巖石粉云母含量對膠砂抗折強度和抗壓強度的影響規律相近。隨著云母含量的增加，膠砂抗折強度和抗壓強度均有所降低，相對比沒有外摻云母的基準試驗組，片麻巖石粉云母含量2%、4%、6%的三組膠砂28 d抗折強度分別降低了25.3%、28.6%、34.5%；28 d抗壓強度分別降低了37.6%、42.4%、48.7%。主要原因是：一方面，云母為層狀結構，片麻巖石粉中的云母顆粒一般呈現薄片狀，其自身顆粒容易遭到破環，較為薄弱的云母顆粒與水泥水化產物粘結力弱，容易形成薄弱環節，從而使得體系膠砂因云母顆粒的破壞而擴展破壞；另一方面，云母顆粒表面較為光滑，與水泥漿體形成較為薄弱的界面，進一步降低了體系的強度。因此，在片麻巖石粉應用過程中，應特別注意云母含量的控制。

3 結 論

針對機制砂生產過程中產生大量石粉，需要資源化應用的問題，研究了片麻巖石粉作為礦物摻合料在混凝土中應用的技術指標，得到如下結論：

a.隨著粉磨時間的延長，片麻巖石粉細度變細，比表面積增大，但是進一步延長粉磨時間并不能使石粉變細；提高細度可以增大水泥-片麻巖石粉體系漿體的流動性和強度。

b.隨著片麻巖石粉摻量的增加，摻片麻巖石粉水泥膠砂的流動度顯著下降，膠砂抗折強度和抗壓強度均有所降低。

c.片麻巖石粉中云母含量增加了需水量，隨著片麻巖石粉中云母含量的增加，水泥-片麻巖石粉體系流動度比、抗折強度和抗壓強度均逐漸降低。