內蒙古砒砂巖的性能及其對水泥力學性能影響的研究

董晶亮，張婷婷，王立久，李長明

(大連理工大學 建設工程學部，遼寧 大連 116024)

內蒙古砒砂巖的性能及其對水泥力學性能影響的研究

董晶亮，張婷婷，王立久，李長明

(大連理工大學 建設工程學部，遼寧 大連 116024)

砒砂巖；礦物組成；初凝時間；水泥膠砂；抗折強度；抗壓強度

砒砂巖地區是黃河泥沙的主要來源地之一。為了實現對砒砂巖的資源化利用，對砒砂巖基本物理化學性質進行了研究，并探討了其作為混凝土摻合料的可行性。通過X射線熒光光譜分析(XRF)、X射線衍射分析(XRD)和掃描電鏡(SEM)研究發現，紅色、白色砒砂巖的礦物成分差別不大，主要包含石英、長石、蒙脫石、高嶺土、方解石等，還含有一定量活性的SiO2、Al2O3和CaO(能夠促進水泥水化)。砒砂巖作為水泥摻合料對水泥膠砂性能影響的研究試驗結果表明，摻入砒砂巖會縮短水泥的初凝時間，摻量30%時初凝時間會縮短69%；當砒砂巖摻量不多于20%時水泥膠砂的28 d抗壓強度和抗凍性能會提高，當摻量大于20%時水泥膠砂的抗壓強度和抗凍性能(凍融循環后抗壓強度)會顯著降低。同時，研究還發現摻入砒砂巖會顯著提高水泥膠砂28 d抗折強度。

內蒙古鄂爾多斯市東勝區、準格爾旗、伊金霍洛旗、達拉特旗和陜西省神木縣、府谷縣是黃河流域主要砒砂巖地區，面積約1.17萬km2，也是黃河泥沙的主要來源地之一[1]。砒砂巖干燥時堅硬如石，但由于遇水迅速潰散，所以砒砂巖地區在雨水季節水土流失異常嚴重，每年向黃河的輸沙量達1億t。為此，黃河流域水土保持工作必須加強對砒砂巖地區的治理[2-5]，而當務之急是弄清砒砂巖的基本理化性質，進行砒砂巖改性研究(改變其遇水潰散的特點)或者實現其資源化利用。

許多學者對砒砂巖的性質和砒砂巖地區的治理進行了大量研究工作[5-9]，比如唐政洪等[10]研究表明砒砂巖地區嚴重的水土流失是由于風蝕、水蝕和重力侵蝕的交互作用引起的，而砒砂巖成巖程度及結構強度低，加劇了該地區的水土流失；石迎春等[11]研究表明砒砂巖主要的礦物為不穩定的親水黏土物質，同時顆粒尺寸不同、無定向排列和高孔隙率的微觀結構特征減弱了其抗侵蝕的能力。但是學者們關于砒砂巖礦物成分沒有一致的結論，沒有明確其遇水潰散的根本原因。本研究計劃通過材料分析方法對砒砂巖基本理化性質進行系統研究，用土工試驗方法分析其粒度構成，用X射線熒光光譜分析(XRF)、X射線衍射分析(XRD)和掃描電鏡(SEM)明確其基本物理化學性能和微觀結構，以探討砒砂巖遇水潰散的機理。并且，通過研究砒砂巖粉末作為混凝土摻合料對混凝土凝結時間、抗折抗壓強度和抗凍融性能的影響來探索砒砂巖作為混凝土摻合料的可行性，以期能為砒砂巖地區水土流失治理和砒砂巖資源化利用提供參考。

1 試驗準備

1.1 試驗材料

試驗使用的水泥是來自大連小野田水泥有限公司的普通硅酸鹽42.5級水泥。試驗用砂為ISO標準砂。白色和紅色砒砂巖均取自內蒙古鄂爾多斯市東勝區。

1.2 試驗方法

按照土工試驗規范測試了砒砂巖的原巖抗壓強度，以及紅色和白色砒砂巖的粒度分布，并利用X射線熒光光譜分析儀、X射線衍射儀和掃描電鏡對砒砂巖進行氧化物、礦物成分和微觀結構分析。

將紅色和白色砒砂巖對半混合利用球磨機進行磨細，7 d后過80 μm篩，取過篩后的砒砂巖粉末作為水泥膠砂摻合料。按砒砂巖等量取代水泥(0、10%、20%、30%)和水膠比(0.28、0.32、0.36、0.40)進行試驗。將固體料混合、預拌，利用膠砂攪拌機進行預攪拌，再加水攪拌45 s；將攪拌好的漿體裝入40 mm×40 mm×160 mm的三聯鋼模中，放入養護箱(溫度20 ℃、相對濕度95%)中養護，并測定初凝時間；第二天拆模，在水中養護28 d后進行測試。

2 試驗結果與分析

2.1 砒砂巖的粒度分布

紅色、白色砒砂巖的顆粒粒度分布見圖1。由圖1知，白色砒砂巖比紅色砒砂巖顆粒分布更加均勻，約92%的顆粒分布在2.5 mm以下，主要集中在0.5～2.5 mm；紅色砒砂巖約62%的顆粒分布在2.5 mm以下，其0.13 mm以下顆粒含量(20%)明顯多于白色砒砂巖(9.5%)。

圖1 紅色、白色砒砂巖的顆粒粒度分布

2.2 X射線熒光光譜分析

用X射線熒光光譜儀分析紅色、白色砒砂巖氧化物結果見表1。可以發現，紅色、白色砒砂巖在氧化物成分上非常相似，都是以SiO2和 Al2O3為主(合計接近80%)；兩者的SiO2、 Al2O3質量分數非常相似，相對來說CaO和Fe2O3質量分數差別較大，這可能就是造成紅、白砒砂巖顏色不同的原因。

表1 紅色和白色砒砂巖的化學成分 %

2.3 X射線衍射分析

圖2為紅色、白色砒砂巖的XRD衍射圖譜。紅色和白色砒砂巖都含有石英、蒙脫石、長石、沸石、云母、綠錐石、氧化鐵、葉蠟石等。圖譜顯示除紅色砒砂巖含有少量高嶺土外，紅色、白色砒砂巖的物相基本相同；白色砒砂巖石英衍射強度要遠遠高于紅色砒砂巖，這說明白色砒砂巖中石英的結晶度要遠高于紅色砒砂巖，即白色砒砂巖中石英發育更好。

圖2 紅色、白色砒砂巖的衍射圖譜

2.4 砒砂巖原巖的微觀結構

圖3為砒砂巖的SEM形貌圖片。從圖中可以看出，砒砂巖微觀結構致密性非常差，基體充滿大量宏觀裂縫和孔洞；有些裂縫貫穿基體，裂縫寬度達到0.2 mm；顆粒和顆粒之間膠結很差，只能依靠顆粒與顆粒間的摩擦力和機械咬合力，以及親水性黏土物質的弱膠結力結合在一起，導致其抗壓強度很低。此外，通過原巖抗壓強度測試白色砒砂巖抗壓強度約為1.1 MPa，而紅色砒砂巖約為2.2 MPa。

圖3 砒砂巖的SEM形貌圖片

2.5 砒砂巖摻量對水泥初凝時間的影響

砒砂巖摻量對水泥初凝時間影響的試驗結果見圖4。從圖4可以看出，砒砂巖的摻入能夠顯著降低水泥的初凝時間，并且隨著摻量的增加，其影響越顯著。當砒砂巖摻量為0時，水泥初凝時間為65 min；隨著摻量的增加(10%、20%、30%)，初凝時間逐漸降低為58、45、19 min。這可能是由于砒砂巖中含有親水物質，能夠吸附大量的自由水，使得水泥的流動性能大大降低，從而導致水泥初凝時間大幅度降低[12]。為滿足國標規定的水泥初凝時間不小于45 min，砒砂巖在水泥中的摻量不能大于20%。

圖4 砒砂巖摻量對初凝時間的影響

2.6 砒砂巖摻量、水膠比對水泥抗折、抗壓強度的影響

圖5是砒砂巖摻量和水膠比對水泥28 d抗折強度影響的試驗結果。當砒砂巖摻量為0時，水泥凈漿抗折強度隨水膠比的增大呈現先減后增的趨勢：當水膠比從0.28增大到0.36時，抗折強度降低了約25%；當水膠比從0.36增大到0.40時，抗折強度又有所提高。然而當摻入砒砂巖后，水泥膠砂抗折強度隨水膠比增大大致呈現先增后減的趨勢。當砒砂巖摻量為30%，水膠比為0.28～0.36時水泥膠砂的抗折強度隨水膠比增大而提高，水膠比0.36時的抗折強度比水膠比0.28時提高了約25%，之后水膠比為0.36～0.40時水泥膠砂的抗折強度又隨水膠比的增大而降低。在相同水膠比(0.32～0.40)情況下，摻入適量的砒砂巖可以提高水泥的抗折強度，尤其是在砒砂巖摻量10%、水膠比0.32的情況下效果最為明顯，相比水泥凈漿，其抗折強度增加了34.6%。但是砒砂巖對水泥抗折強度的這種提高作用會隨著砒砂巖摻量的增加而減弱，在砒砂巖摻量為10%時其對抗折強度的增強效果最為明顯。

圖5 砒砂巖摻量和水膠比對水泥抗折強度的影響

圖6是砒砂巖摻量和水膠比對水泥28 d抗壓強度影響的試驗結果，與兩因素對水泥28 d抗折強度的影響規律有明顯區別。總體來說，砒砂巖的摻入會降低水泥抗壓強度，但是當砒砂巖摻量為10%、20%時，對抗壓強度的影響不是很明顯：摻量為10%時，會稍微提高水泥抗壓強度，相比水泥凈漿最大約提高10%；摻量為20%時，會稍微降低水泥抗壓強度，相比水泥凈漿約降低5%。但是當砒砂巖摻量為30%時，水泥膠砂抗壓強度顯著降低。隨著水膠比增加水泥膠砂抗壓強度呈先減后增的變化規律：水膠比0.32時，抗壓強度比水膠比0.28時有比較明顯的降低；隨著水膠比繼續增大，抗壓強度逐漸提高；在砒砂巖摻量為30%、水膠比為0.40時，出現一個反常的抗壓強度降低區域，這可能是砒砂巖和水分含量過高，大量蒙脫石吸收水分膨脹后對基體產生損傷導致的。

圖6 砒砂巖摻量和水膠比對水泥抗壓強度的影響

2.7 砒砂巖摻量和水膠比對水泥抗凍性能(耐久性)的影響

圖7為水泥試樣在凍融循環機中凍融循環25次后測試的28 d抗壓強度結果。對比圖6、7可以看出，經過凍融試驗后水泥的抗壓強度都出現了一定程度的降低。水膠比對抗壓強度的影響規律并沒有受到凍融的影響，但是砒砂巖摻量對抗壓強度的影響在凍融試驗后發生了顯著的變化。在砒砂巖摻量為10%和20%時，試樣凍融循環25次后的抗壓強度要高于水泥凈漿的抗壓強度，但是當砒砂巖摻量為30%，試樣凍融循環后的抗壓強度出現大幅度降低，這是因為適量的砒砂巖能夠促進水泥水化，并且基體內親水黏土溶解可以為水結冰產生的體積膨脹提供空間從而減少對基體產生的損傷，但是當砒砂巖摻量過高時，水泥基體受到水結冰體積膨脹和蒙脫石遇水體積膨脹雙重影響，因而強度出現大幅度下降。因此，當砒砂巖摻量不超過20%時，能夠提高水泥的耐久性能。

圖7 砒砂巖摻量和水膠比對水泥抗凍性能的影響

3 結 論

綜合砒砂巖物理化學分析結果可以得出：造成西北內蒙古地區砒砂巖遇水潰散的原因是砒砂巖成巖發育非常差，顆粒尺寸分布不均勻，基體存在大量的孔隙結構，孔隙率高，顆粒之間只是靠蒙脫石等親水黏土物質和簡單的機械咬合作用，以及顆粒間的摩擦力聚集在一起，由于其孔隙率高，外界的水和其他有害物質容易侵入基體內部，并對其造成侵蝕。砒砂巖遇水潰散過程可以概括為：當砒砂巖遇水時，由于砒砂巖孔隙率高，水會迅速擴散到基體內部，蒙脫石和高嶺土等親水黏土膠結物在水中發生溶解和膨脹(膨脹率達150%)，使基體結構塌陷且黏土膠結物完全喪失膠結能力，同時水也會降低顆粒間的摩擦力和機械咬合力，因此在自身重力作用下砒砂巖基體就會因完全喪失支撐能力而發生潰散。這也是砒砂巖遇水潰散的根本原因。

綜合砒砂巖對水泥初凝時間、抗折抗壓強度、抗凍性能影響的試驗結果可以得出：砒砂巖粉末作為混凝土摻合料是可行的；在摻量不大于20%時，其能夠提高水泥膠砂的抗折強度和耐久性(抗凍融性能)，并且對初凝時間和抗壓強度沒有明顯影響，但是當其摻量超過30%時就會對水泥膠砂各方面性能產生危害，因而砒砂巖粉末的摻入量不能大于20%。砒砂巖作為混凝土摻合料不僅能夠節約水泥用量，還能提高混凝土抗折強度和抗凍融性能，并且有助于砒砂巖地區水土流失治理，具有重要意義。

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(責任編輯 李楊楊)

國家“十二五”重大科技支撐項目“砒砂巖改性筑壩技術研發”(2013BAC05B03)

S157.1

A

1000-0941(2015)07-0046-04

董晶亮(1988—)，男，江西修水縣人，博士研究生，主要從事砒砂巖礦物成分分析及其改性筑壩材料研究；通信作者王立久(1945—)，男，吉林長春市人，教授，碩士，主要從事砒砂巖礦物成分分析及其改性筑壩材料研究。

2015-02-13