不同巖性石粉對(duì)水泥-石粉復(fù)合漿體工作性能的影響

孫茹茹 袁政成 ，2 黃法禮 ，2 溫家馨 王振 ，2 易忠來(lái) ，2 李化建 ，2

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

我國(guó)建筑領(lǐng)域的工程特別是鐵路、公路等行業(yè)的工程規(guī)模巨大，用砂量巨大。而河砂資源緊缺，機(jī)制砂逐步替代河砂已成為必然趨勢(shì)。在機(jī)制砂生產(chǎn)過(guò)程中，未經(jīng)處理的機(jī)制砂石粉含量一般為10%～20%［1-2］，遠(yuǎn)超過(guò)GB/T 14684—2011《建設(shè)用砂》規(guī)定的最大石粉含量，因此石粉不可避免地作為副產(chǎn)物被隨意丟棄或填埋，造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染和資源浪費(fèi)。若將石粉作為輔助膠凝材料摻入水泥基材料，不僅可以實(shí)現(xiàn)石粉的資源化利用，還可以解決礦物摻合料資源短缺問(wèn)題，降低原材料成本，實(shí)現(xiàn)混凝土材料的可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)于石灰?guī)r石粉對(duì)水泥基材料工作性能和流變性能影響的研究較多。文獻(xiàn)［3-4］研究發(fā)現(xiàn)石灰?guī)r石粉可降低漿體屈服應(yīng)力和塑性黏度，增加漿體的流動(dòng)性，降低流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失。文獻(xiàn)［5］研究發(fā)現(xiàn)石灰?guī)r石粉在水溶液中的Zeta 電位顯著高于水泥，石灰?guī)r石粉顆粒間的斥力作用較強(qiáng)，顆粒更易于分散，可大幅減少水泥漿體中的絮凝結(jié)構(gòu)，降低水泥漿體塑性黏度和屈服應(yīng)力。文獻(xiàn)［6-7］研究表明石灰?guī)r石粉在臨界摻量?jī)?nèi)對(duì)漿體黏度無(wú)明顯影響，超過(guò)臨界摻量時(shí)黏度明顯增加。

石粉的礦物組成、顆粒形狀、細(xì)度等也會(huì)影響水泥基材料的工作性能［8-11］。文獻(xiàn)［12］研究表明石粉對(duì)水泥漿體流動(dòng)度的影響與其圓形度有關(guān)，圓形度低于0.5 時(shí)漿體流動(dòng)度隨圓形度的增加而增加，圓形度大于0.5時(shí)流動(dòng)度變化不明顯。文獻(xiàn)［13］研究了不同礦物組成的石粉對(duì)水泥漿體工作性能的影響，發(fā)現(xiàn)含有云母礦物的石粉與減水劑間存在明顯的插層吸附，導(dǎo)致水泥漿體流動(dòng)度降低，而短側(cè)鏈的聚羧酸減水劑較其他分子結(jié)構(gòu)的聚羧酸減水劑插層吸附作用弱，能有效改善水泥漿體流動(dòng)度。文獻(xiàn)［14］研究了不同巖性石粉-水泥膠砂流動(dòng)性和力學(xué)性能，得到了不同巖性石粉的推薦摻量。

當(dāng)前關(guān)于不同巖性石粉及其改性對(duì)水泥漿體工作性能的研究較少且不深入。為促進(jìn)石粉作為礦物摻和料在工程中的應(yīng)用，分別將石灰?guī)r石粉、花崗巖石粉、石英巖石粉、凝灰?guī)r石粉摻入基準(zhǔn)水泥制備成水泥-石粉復(fù)合漿體，通過(guò)試驗(yàn)研究不同摻量、不同細(xì)度、不同巖性的石粉對(duì)水泥漿體工作性能的影響，并采用X 射線(xiàn)衍射和掃描電子顯微鏡測(cè)定了石粉的礦物組成和微觀結(jié)構(gòu)。

1 水泥-石粉復(fù)合漿體制備

1.1 原材料

水泥-石粉復(fù)合漿體（以下簡(jiǎn)稱(chēng)復(fù)合漿體）的主要原材料包括水泥、石粉、減水劑、拌和水。

1）水泥

選用山東魯城水泥有限公司生產(chǎn)的基準(zhǔn)水泥。主要性能參數(shù)：燒失量1.21%；密度3.15 g/cm3；比表面積341 g/cm3；初凝時(shí)間191 min，終凝時(shí)間252 min。主要化學(xué)組成見(jiàn)表1。

表1 水泥主要化學(xué)組成 %

2）石粉

采用4 種不同巖性的石粉，分別為石灰?guī)r石粉（SHY）、花崗巖石粉（HGY）、凝灰?guī)r石粉（NHY）、石英巖石粉（SYY）。每種石粉經(jīng)球磨機(jī)粉磨后得到3 種細(xì)度，不同細(xì)度石粉的主要參數(shù)和粒度分布見(jiàn)表2，其中A，B，C代表3種不同細(xì)度。由表2可知，對(duì)于4種巖性的石粉：細(xì)度在A 范圍時(shí)，比表面積為（370±30）m2/kg，D50 為20～25 μm；細(xì)度在B 范圍時(shí)，比表面積為（500±30）m2/kg，D50 為 14～18 μm；細(xì)度在C 范圍時(shí)，比表面積為（700±30）m2/kg，D50為6～10 μm。。

表2 石粉的主要參數(shù)及粒度分布

3）減水劑

選用河北三楷生產(chǎn)的高性能聚羧酸減水劑，減水率為25%。

4）拌和水

采用符合飲用水要求的自來(lái)水。

1.2 配合比

分別以0，10%，20%，30%，40%的質(zhì)量摻量在水泥中摻入不同細(xì)度的4種巖性石粉，加入減水劑、拌和水制成復(fù)合漿體。水膠比為0.29。

以石灰?guī)r石粉為例，部分復(fù)合漿體配合比見(jiàn)表3。石粉摻量為0時(shí)為基準(zhǔn)組。

表3 部分復(fù)合漿體配合比 g

2 試驗(yàn)方法

2.1 流動(dòng)度測(cè)試

為研究石粉對(duì)復(fù)合漿體初始流動(dòng)度及其經(jīng)時(shí)損失的影響，參照GB/T 8077—2000《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》，采用美國(guó)博勒飛RST?SST 型Rheo3000旋轉(zhuǎn)流變儀，對(duì)復(fù)合漿體初始流動(dòng)度及2 h 后流動(dòng)度進(jìn)行測(cè)試。

測(cè)試過(guò)程主要分為預(yù)剪切階段、靜止階段、數(shù)據(jù)測(cè)試階段。預(yù)剪切階段剪切速率為100 s-1，持續(xù)30 s；靜止階段剪切速率為0，持續(xù)30 s；數(shù)據(jù)采集階段前40 s剪切速率由0 勻速增加至100 s-1，后40 s 剪切速率由100 s-1勻速降低至0。測(cè)試得到剪切應(yīng)力-剪切速率的上行曲線(xiàn)和下行曲線(xiàn)。對(duì)下行曲線(xiàn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Bingham 流變模型擬合，得到復(fù)合漿體的屈服應(yīng)力和塑性黏度。屈服應(yīng)力為漿體發(fā)生流動(dòng)所需克服的最大阻力，主要由漿體內(nèi)部顆粒之間的黏附力和摩擦力共同作用產(chǎn)生，屈服應(yīng)力小表明漿體發(fā)生流動(dòng)所需克服的最大阻力小。塑性黏度是漿體內(nèi)部結(jié)構(gòu)阻礙漿體流動(dòng)的性能，與漿體的流動(dòng)速度相關(guān)，黏度越大則漿體流動(dòng)所要克服的位壘越大，說(shuō)明漿體穩(wěn)定性好，不易發(fā)生泌水、離析等不良現(xiàn)象。

2.2 微觀組分分析及形貌觀測(cè)

利用 X 射線(xiàn)衍射儀（X-ray Powder Diffractomete，XRD）分析4 種巖性不同比表面積石粉的礦物組成。XRD 測(cè)試條件為 X 射線(xiàn)掃描角度 2θ= 10°～80°，掃描速率為2 °/min。

采用德國(guó)蔡司場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）觀察4 種巖性石粉原始狀態(tài)的表觀形貌，并觀察磨細(xì)凝灰?guī)r石粉和花崗巖石粉的表觀形貌。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 石粉對(duì)復(fù)合漿體流動(dòng)度及其經(jīng)時(shí)損失的影響

4種巖性的石粉摻量對(duì)復(fù)合漿體初始流動(dòng)度和2 h后流動(dòng)度的影響見(jiàn)圖1。

圖1 石粉摻量對(duì)漿體初始流動(dòng)度及其經(jīng)時(shí)損失的影響

由圖1（a）可知：

1）摻石灰?guī)r石粉和凝灰?guī)r石粉的復(fù)合漿體初始流動(dòng)度隨石粉摻量的變化規(guī)律相似。石粉摻量為30%時(shí)，摻石灰?guī)r、凝灰?guī)r石粉的復(fù)合漿體初始流動(dòng)度較基準(zhǔn)組分別增加了15.6%，10.2%。石粉摻量低于30%時(shí)，初始流動(dòng)度隨摻量增加而增大；石粉摻量達(dá)到40%以后，初始流動(dòng)度有所下降，但仍高于基準(zhǔn)組。這主要是由于石灰?guī)r石粉和凝灰?guī)r石粉的填充和分散作用使有效水膠比增大，水泥顆粒更加分散，減少了漿體絮凝結(jié)構(gòu)，提高了初始流動(dòng)度［4-5］；而石粉摻量過(guò)高時(shí)上述促進(jìn)作用有所減弱。

2）石英巖石粉摻量的增加對(duì)復(fù)合漿體初始流動(dòng)度影響不大。

3）隨著花崗巖石粉摻量的增加，復(fù)合漿體初始流動(dòng)度下降十分明顯。石粉摻量為40%時(shí)，初始流動(dòng)度較基準(zhǔn)組降低了44.7%，這可能與石粉的組成和顆粒形貌有關(guān)。

由圖1（b）可知：

1）摻石灰?guī)r石粉的復(fù)合漿體2 h 后流動(dòng)度仍高于基準(zhǔn)組。

2）摻石英巖石粉的復(fù)合漿體2 h 后流動(dòng)度略低于基準(zhǔn)組，隨石粉摻量增加而降低但降低幅度不大。

3）隨著凝灰?guī)r石粉摻量的增加，復(fù)合漿體2 h 后流動(dòng)度逐漸降低，石粉摻量超過(guò)30%后2 h 后流動(dòng)度降低十分顯著。

4）摻花崗巖石粉與凝灰?guī)r石粉的復(fù)合漿體2 h 后流動(dòng)度變化趨勢(shì)基本一致，但花崗巖石粉對(duì)漿體流動(dòng)度的經(jīng)時(shí)損失影響更大。石粉摻量大于30%時(shí)摻花崗巖石粉的復(fù)合漿體在2 h 后基本失去流動(dòng)性。因此，石灰?guī)r石粉、石英巖石粉和較少摻量的凝灰?guī)r石粉對(duì)漿體流動(dòng)度的經(jīng)時(shí)損失影響不大，而花崗巖石粉和較大摻量的凝灰?guī)r石粉影響很大。

4 種巖性的石粉細(xì)度對(duì)漿體初始流動(dòng)度和2 h 后流動(dòng)度的影響見(jiàn)圖2。

圖2 石粉細(xì)度對(duì)漿體流動(dòng)度及其經(jīng)時(shí)損失的影響

由圖2 可知：

1）隨著石粉細(xì)度的增加，摻石灰?guī)r、石英巖、凝灰?guī)r石粉的復(fù)合漿體初始流動(dòng)度均呈下降趨勢(shì)，其中摻凝灰?guī)r石粉的下降幅度最大。這主要是由于石粉細(xì)度增加使得粉體的比表面積增大，進(jìn)而造成需水量增大［15］。

2）摻花崗巖石粉的復(fù)合漿體初始流動(dòng)度隨著細(xì)度增加而不斷增大，這與其他3 種巖性石粉的規(guī)律完全相反，這可能是由石粉的巖性、形貌和表面能等因素綜合作用造成的［16］。

3）各復(fù)合漿體2 h 后流動(dòng)度與初始流動(dòng)度變化規(guī)律基本一致。

3.2 石粉對(duì)復(fù)合漿體屈服應(yīng)力和塑性黏度的影響

4 種巖性的石粉摻量對(duì)復(fù)合漿體屈服應(yīng)力和塑性黏度的影響見(jiàn)圖3。

圖3 石粉摻量對(duì)水泥漿體屈服應(yīng)力和塑性黏度的影響

由圖3（a）可知：

1）隨著石粉摻量的增加，摻石灰?guī)r、凝灰?guī)r石粉的復(fù)合漿體屈服應(yīng)力先降低后略有升高；摻石英巖石粉的復(fù)合漿體屈服應(yīng)力基本沒(méi)有變化；摻花崗巖石粉的復(fù)合漿體屈服應(yīng)力顯著增加。

2）摻石灰?guī)r石粉的復(fù)合漿體屈服應(yīng)力最小，石粉摻量為40%時(shí)其屈服應(yīng)力比基準(zhǔn)組減少了93%；摻花崗巖石粉的復(fù)合漿體屈服應(yīng)力最大，石粉摻量為40%時(shí)其屈服應(yīng)力比基準(zhǔn)組增加了265%。由于屈服應(yīng)力越小漿體流動(dòng)度越大，因此石灰?guī)r石粉對(duì)漿體流動(dòng)度有顯著的促進(jìn)作用，而花崗巖石粉對(duì)漿體流動(dòng)度抑制作用巨大。

由圖3（b）可知：

1）摻不同巖性石粉的復(fù)合漿體塑性黏度均隨石粉摻量的增加而增加，這表明摻更多的石粉可以提高漿體的穩(wěn)定性，減少漿體泌水。

2）摻花崗巖石粉的復(fù)合漿體塑性黏度隨著石粉摻量的增加而顯著增加，石粉摻量為40%時(shí)其塑性黏度增加了57%。由于塑性黏度過(guò)大會(huì)顯著降低漿體的流動(dòng)性，因此漿體塑性黏度不宜過(guò)大，石粉摻量須適宜。

4 種巖性的石粉細(xì)度對(duì)漿體屈服應(yīng)力和塑性黏度的影響見(jiàn)圖4。

圖4 石粉細(xì)度對(duì)水泥漿體屈服應(yīng)力和塑性黏度的影響

由圖4可知：

1）摻石灰?guī)r、凝灰?guī)r、石英巖石粉的復(fù)合漿體屈服應(yīng)力和塑性黏度均隨石粉細(xì)度的增加而增大。這主要由于隨著細(xì)度的增加，這3 種巖性石粉的比表面積增大，顆粒尺寸減小，漿體內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，使得漿體屈服應(yīng)力和塑性黏度增加。這3種巖性石粉細(xì)度的增加對(duì)漿體流動(dòng)性不利。

2）摻花崗巖石粉的復(fù)合漿體屈服應(yīng)力和塑性黏度均隨石粉細(xì)度的增加而呈降低趨勢(shì)。這是因?yàn)榛◢弾r石粉磨細(xì)后，原有礦物的形貌結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使得原有對(duì)復(fù)合漿體工作性能不利的組分形貌發(fā)生了改變。花崗巖石粉細(xì)度的增加有利于提升漿體流動(dòng)性。

3.3 微觀分析

4 種巖性石粉的XRD 分析圖譜見(jiàn)圖5。可知：①石灰?guī)r石粉主要成分為碳酸鈣。②石英巖、凝灰?guī)r、花崗巖石粉的主要成分均為石英、沸石和云母。沸石和云母含量為石英巖石粉＜凝灰?guī)r石粉＜花崗巖石粉，花崗巖中云母含量遠(yuǎn)高于其他2種巖性石粉，石英巖石粉成分較純，沸石和云母含量較少。

圖5 石粉XRD圖譜

石英和沸石為架狀硅酸鹽礦物，石英骨架構(gòu)造緊密，沸石的骨架膨大，含有空穴及通道結(jié)構(gòu)，因此具有較大的比表面積；云母為層狀硅酸鹽礦物，層間吸附性較強(qiáng)［17］。花崗巖石粉因含有較多的云母和沸石，其漿體初始流動(dòng)度很差。石英巖石粉由于礦物組成單一，其流動(dòng)度隨石粉摻量變化較小。凝灰?guī)r和花崗巖石粉由于含有沸石和云母，對(duì)水和減水劑吸附作用較強(qiáng)，導(dǎo)致漿體2 h 后流動(dòng)度明顯低于初始流動(dòng)度，其中沸石和云母含量最高的花崗巖石粉造成的漿體流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失最大。上述結(jié)論與石粉對(duì)漿體流動(dòng)度、屈服應(yīng)力和塑性黏度的影響規(guī)律基本一致，揭示了不同巖性石粉對(duì)漿體工作性能的作用機(jī)理。

不同細(xì)度的4種巖性石粉的掃描電子顯微鏡微觀形貌見(jiàn)圖6。

圖6 不同細(xì)度的4種巖性石粉微觀形貌

由圖6 可知：

1）石灰?guī)r石粉表面光滑，顆粒較圓潤(rùn)、棱角少［17］，在漿體中填充潤(rùn)滑作用較好，對(duì)工作性能促進(jìn)作用明顯。

2）石英巖石粉雖有一定的棱角，但表面較光滑且致密，對(duì)漿體工作性能影響較小。

3）花崗巖石粉層片狀結(jié)構(gòu)明顯，棱角多，造成漿體工作性能降低較大，但細(xì)度增加后顆粒層片狀結(jié)構(gòu)減弱，云母礦物被破壞，進(jìn)而減少了對(duì)減水劑的插層作用，使?jié){體初始流動(dòng)度略有提高［13，18］。

4）凝灰?guī)r石粉顆粒棱角相對(duì)較少，對(duì)漿體工作性能促進(jìn)作用較好，但細(xì)度增加后石粉發(fā)生了團(tuán)聚現(xiàn)象，表面粗糙程度加大，不利于漿體工作性能的提升。

上述結(jié)論進(jìn)一步解釋了不同巖性石粉對(duì)漿體工作性能的作用機(jī)制。

4 結(jié)論

1）石灰?guī)r石粉摻量的增加有利于改善漿體初始流動(dòng)度及其經(jīng)時(shí)損失；凝灰?guī)r石粉摻量的增加對(duì)漿體初始流動(dòng)度提升顯著但不利于漿體流動(dòng)度的保持；石英巖石粉摻量對(duì)漿體初始流動(dòng)度及其經(jīng)時(shí)損失影響較小。石灰?guī)r、石英巖、凝灰?guī)r石粉摻量的增加對(duì)漿體屈服應(yīng)力和塑性黏度的影響均較小?；◢弾r石粉摻量的增加對(duì)漿體初始流動(dòng)度及其經(jīng)時(shí)損失、屈服應(yīng)力、塑性黏度的不利作用顯著。

2）隨著石粉細(xì)度的增加，摻石灰?guī)r、石英巖、凝灰?guī)r石粉的水泥-石粉復(fù)合漿體的初始流動(dòng)度降低，其經(jīng)時(shí)損失、屈服應(yīng)力、塑性黏度均顯著增加，尤以凝灰?guī)r石粉為甚。花崗巖石粉隨細(xì)度增加對(duì)漿體流動(dòng)度及其經(jīng)時(shí)損失有改善作用，降低了漿體的屈服應(yīng)力和塑性黏度。

3）摻不同巖性石粉的水泥-石粉復(fù)合漿體的工作性主要受石粉的礦物組成和顆粒形貌影響。云母和沸石含量高、顆粒棱角多，均不利于漿體工作性的提升。

4）水泥-石粉復(fù)合漿體中，石灰?guī)r石粉摻量應(yīng)小于30%；石英巖和凝灰?guī)r石粉摻量應(yīng)小于20%；花崗巖石粉須磨細(xì)處理，且摻量應(yīng)小于30%。