含花崗巖石粉的水泥漿體性能試驗研究

＊趙磊 安平 丁偉

（山東交工建設集團有限公司 山東 276826）

我們常見的花崗巖一般情況下主要是由長石、石英和比較少量的云母等礦物組成的。在我國是分布十分廣泛的石材資源，花崗巖種類繁多，畢竟儲量巨大。花崗巖的應用領域比較廣泛，常見的在園林設計、建筑外墻裝飾、抗酸堿材料和公路路基修筑等領域。在我國眾多石材企業生產的花崗巖板材產量高達5億平方米[1]，由于生產過程中生產方式的落后和生產設備的更新不及時，在生產花崗巖板材的過程中會產生高達1000萬噸的花崗巖石粉[2]，不僅侵占大量土地而且容易揚起粉塵，對環境造成嚴重污染。

目前，國內外學者對花崗巖石粉的處置問題開展了大量的研究工作[3]，得出三種處理方式：一是直接就地堆放簡單粗放，對附近環境污染嚴重；二是將花崗巖石粉進行懸浮挑選然后進行工業分離并后期提純，這種處理方式是提純回收高純度的長石和石英，但是在處理過程中會使用到強酸強堿對周邊環境造成二次污染，尤其是對周邊的地下水造成嚴重污染；三是將花崗巖石粉作為原材料應用到生產涂料、陶瓷、玻璃和水泥等建筑材料產品中[4-5]。據研究報告顯示，第三種處理方式在建筑領域中應用效果俱佳。

基于此，該文將花崗巖石粉引入水泥漿體中，研究花崗巖石粉摻量對水泥漿體物理性能和力學性能的影響，進而揭示花崗巖石粉對水泥漿體影響的作用機理，從而促進花崗巖石粉作為原料或摻加劑在混凝土領域中的應用。

1.原材料及試驗方法

(1)原材料

水泥采用的是P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，其物理力學性能和礦物組成分別如表1、表2所示。

表1 水泥的物理力學性能

表2 水泥的化學成分（單位為%）

花崗巖石粉取自日照五蓮縣石材園區堆場，如圖1。測得堆場表面層花崗巖石粉的天然含水率在2%，堆場覆蓋層十公分以下花崗巖石粉的天然含水率在10%左右。花崗巖石粉的主要化學成分為SiO2和Al2O3，含量達到70.24%和14.73%，此外還含有少量K2O、Na2O和CaO等成分。花崗巖石粉的體積平均徑D（4，3）與表面平均徑D（3，2）差值較小，表明其顆粒粒徑分布均勻；表3中數據可知，花崗巖石粉的主要粒徑分布在10μm以下，約占總量的90%，0.6μm以下的顆粒占10%，中值粒徑D50為1.64μm。綜上分析，花崗巖石粉的粒徑分布較為窄，越接近正態分布，說明花崗巖石粉的一致性越好，使用性能越好。

圖1 日照五蓮縣石材園區堆場

表3 花崗巖石粉的物理性質

表4 花崗巖石粉的化學成分（單位為%）

表5 花崗巖石粉的礦物成分（單位為%）

表6 花崗巖石粉水泥砂漿配合比

表7 花崗巖石粉基輕質填料流動度結果

(2)試驗方法

①施工和易性

依據《公路橋涵施工技術規范》和《鐵路后張預應力混凝土梁管道壓漿技術條件》測定燒結法赤泥凈漿流動度。實驗過程中，首先調整漏斗確保漏斗水平，將漏斗底口進行封閉操作。然后將均勻攪拌處理后的含花崗巖石粉水泥漿體勻速均勻傾倒入漏斗內部，當表面觸及點測規下端［（1725±5）mL漿體］時停止傾倒。快速開啟漏斗底口，讓含花崗巖石粉的水泥漿體自由流出，記錄含花崗巖石粉的水泥漿體全部流出所用的時間，即為含花崗巖石粉的水泥漿體的流動度，如圖2所示。

圖2 含花崗巖石粉的水泥漿體的流動度試驗

②輕質性

根據室內試驗評價材料性能，可以將其概述為：A.輕質性：0.65～1.0g/cm3。B.可調節性：容重和強度可根據工程需要調整。C.凝結直立性：凝結硬化后可直立，可直立填筑。D.高流動性：可遠距離泵送或在狹小空間內填充。E.耐久性：屬水泥類材料，耐久性與普通混凝土類似。F.良好施工性：現澆可自流平、自硬化，不需機械攤鋪、碾壓或振搗。花崗巖石粉原材料澆筑成型后的輕質免碾壓回填材料是一種微孔型材料，如圖3所示。

圖3 花崗巖石粉基輕質填料立方體試塊

③高強度特性

利用70.7mm×70.7mm×70.7mm的帶底試模，直接澆筑制備試塊不振動、不搗實。在標準養護環境中養護根據齡期要求進行相關試驗。

如圖4所示，含花崗巖水泥立方體的抗壓強度按照公式（1）計算。

圖4 花崗巖石粉無側限抗壓強度試驗過程圖

其中，fm,cu是含花崗巖水泥立方體抗壓強度（MPa），應精確至0.1MPa；Nu是試件被破壞時荷載值（N）；A是試件承壓面積（mm2）；k是換算系數，一般取1.35。在不同含水率和水泥劑量條件下得到的試件7天無側限抗壓強度。

2.結果分析

(1)摻入花崗巖石粉對試樣質量的影響

當含花崗巖石粉的水泥漿體用作路基工程填筑時，可以根據工程項目的實際需要，通過調整部分材料的配比來滿足，比如可以通過調整水泥用量來滿足流動性，可以通過摻加某種添加劑來控制調節含花崗巖石粉的水泥漿體的干密度為0.5～1.0g/cm3，含花崗巖石粉的水泥漿體的抗壓強度為0.8～4.5MPa。經過大量的室內試驗和工程經驗可以得知在一般公路工程中，干密度選用0.5～0.85g/cm3，無側限抗壓強度常選用1.0～2.0MPa。

(2)摻入花崗巖石粉對流動度的影響

從上表中可以看出，花崗巖石粉的含量為A＜B＜C＜D，試樣的流動度數值是呈現增大趨勢。花崗巖石粉輕質填料的流動性好，可通過管道進行遠距離泵送或者用水泥罐車運輸。當工程需要澆筑點和拌合場分離開來，作業面要小的時候可以采取管道泵送。由此可以得出，該工藝可以實現較長距離施工，同時在比較狹小的施工空間或者長管道具有施工優勢；該工藝可以實現自硬化和自流平，并且能夠保證很好的自密實性，根本不需要機械作業來碾壓、振搗和攤鋪等流程；該工藝對周邊居民的生活干擾較小屬于環境友好型技術。

(3)摻入花崗巖石粉對水泥漿體強度的影響

根據表8的數據可以分析，在摻加花崗巖石粉對水泥漿體進行改良時，試樣的無側限抗壓強度隨花崗巖石粉摻量的改變并無明顯變化，試驗中部分試樣全部破碎，并未測得無側限抗壓強度數值。

表8 花崗巖石粉輕質填料無側限抗壓強度結果

根據表8分析得出，花崗巖石粉主要活性成分為鋁硅酸鹽（黏土礦物在高溫下形成），此物質為氧化硅與氧化鋁組合形成的無定形物質，氧化硅與氧化鋁在高溫條件下可形成一定的水合硅酸鈣。由此可以得出，在單獨摻加花崗巖石粉時，花崗巖石粉本身和水泥沒有直接水化反應的現象，所以摻加的花崗巖石粉在改性水泥漿體中起到了一定的填充和強化的作用。從表格數據中可以得出，在一定范圍之內，花崗巖石粉改性水泥漿體的無側限抗壓強度隨著花崗巖石粉的摻量增加而減小。

3.結論

（1）摻入花崗巖石粉，水泥漿體的質量減少了，更適合于需要輕質混凝土材料的工程中和建造輕質混凝土工程。

（2）摻入花崗巖石粉，流動性好了。表明可通過管道進行遠距離泵送或者用水泥罐車運輸。這種施工工藝可以實現自硬化和自流平，對周邊環境具有友好性，對周邊生活區具有較小的干擾，有著可以管道或比較狹小空間施工的優勢，有著長距離施工的優勢。

（3）摻入花崗巖石粉，無論是花崗巖石粉還是水泥的溶解均不能提供相應的水化條件，故本次試驗中其主要起到一定的填充作用，并無發生水化反應，故隨著產量的改變，花崗巖石粉改性水泥漿體的無側限抗壓強度改變較小。