人工砂中黑色粉末狀物質組成的研究

張 斌， 唐 云 宏

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610081)

人工砂中黑色粉末狀物質組成的研究

張 斌， 唐 云 宏

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610081)

通過對人工砂中黑色物質采用化學分析、進行XRF、SEM、XRD、TG-DTG等微觀測試試驗研究，查明了其物質組成成份以及對混凝土性能的影響。

人工砂；黑色物質；組成；研究；下白灘砂石加工系統

1 概 述

由中國水電七局承建的下白灘砂石加工系統主要承擔烏東德水電站導流工程、水墊塘、二道壩、地下電站、泄洪洞、下游護岸、滲控及金坪子滑坡治理等分項工程450.4萬m3混凝土及其所需粗、細骨料的生產任務，共需生產成品骨料約1 015萬t，其中粗骨料約660萬t、細骨料約355萬t。

下白灘砂石加工系統的有用料堆場位于下白灘小溝和豬拱地，料源來自于導流工程、地下電站、泄洪洞等地下洞室開挖的灰巖、大理巖、大理巖化白云巖洞渣。

在人工砂生產過程及混凝土拌制過程中發現人工砂經水洗后出現了少量黑色物質，為查明該物質成分以及其對混凝土性能的影響，項目部聯合三峽大學開展了相關研究。筆者介紹了此次研究的過程及取得的成果。

2 人工砂中黑色粉末狀物質組成的研究

2.1 黑色粉末狀物質的制樣

在該項目生產過程中發現，使用人工砂的生產過程、拌制砂漿、混凝土時會有較多的黑色粉末狀物質浮于砂漿、混凝土拌和物漿體表面。為探究該黑色粉末狀物質的組成，即化學成分和礦物組成，技術人員取約20 kg人工砂倒入盛有足量自來水的塑料盒中，經攪拌、沉淀后，用表面皿等小心收集漂浮在水面的粉末狀物質、烘干后進行了該粉末狀物質的化學成分和礦物成分分析。

2.2 黑色粉末狀物質的化學成分與礦物組成分析

取適量烘干后的黑色粉末狀物質，經研缽研磨并通過直徑0.08 mm方孔篩進行XRF、SEM、XRD、TG-DTG等微觀測試，并通過鹽酸滴定試驗測定了其碳酸鹽含量。

2.2.1 化學成分分析

采用X射線熒光分析法(XRF)分析了黑色粉末狀物質的化學成分，分析測試結果見表1。作為對比，筆者將人工砂中石粉的化學成分亦列于表1中。

表1 黑色粉末狀物質及人工砂中石粉的化學成分表

由表1中所示的結果可知：人工砂中黑色粉末狀物質的主要氧化物及其含量為：CaO為29.63%、SiO2為9.31%、MgO為6.16%，其化學成分與石粉十分類似，同時均含有少量的Al2O3、Fe2O3等氧化物，但黑色粉末中CaO、MgO的含量略低于石粉，其燒失量高于石粉。

2.2.2 黑色粉末狀物質的顆粒形貌(SEM)

采用掃描電子顯微鏡(SEM)進行了黑色粉末狀物質的微觀形貌分析，其顆粒的SEM圖譜見圖1。石粉顆粒的SEM圖譜見圖2。

由圖1、2可知：從微觀形貌上看，黑色粉末與石粉較類似，均有大量不規則顆粒，外觀較粗糙，其粒徑很小(放大倍數為5 000、10 000)，且黑色粉末中粒徑較小的顆粒量比石粉中更多。

圖1 黑色粉末顆粒SEM圖

圖2 石粉顆粒SEM圖

2.2.3 礦物成分分析

采用X射線衍射分析(XRD)進行黑色粉末狀物質的礦物成分分析，其XRD圖譜見圖3。為便于對比，圖3中同時給出了石粉的XRD圖譜。

由圖3可知：人工砂中黑色粉末狀物質的主要礦物有方解石，同時含有少量的白云石和石英晶體等，其礦物成分與石粉礦物成分相同。

2.2.4 綜合熱分析(TG-DTG-DSC)

黑色粉末狀物質的綜合熱分析曲線(TG-DTG-DSC曲線)見圖4，圖5給出了石粉的綜合熱分析曲線。

結合黑色粉末狀物質的XRF、XRD研究結果分析認為：圖4中320 ℃～335 ℃左右的放熱失重峰可能為黑色粉末中所含有的、較少量的、由β型燒石膏脫水轉化成的β型可溶石膏并伴隨放熱；600 ℃左右放熱失重峰則對應于黑色粉末中可能存在的石墨在熱重測試過程中(加熱過程中)被氧化、生成二氧化碳所致。由圖4可知：其在黑色粉末中的含量約為11.9%；750 ℃左右的吸熱失重峰為碳酸鹽吸熱分解產生出二氧化碳，生成氣體產生的質量損失約為25%。由圖5可知：溫度為800 ℃左右的放熱失重峰對應于石粉中碳酸鹽分解產生的吸熱失重峰，其質量損失約為36.4%，表明石粉中碳酸鹽的含量較高。

圖3 人工砂中黑色粉末物(HeiMo)與石粉(ShiFen)的XRD圖譜

圖4 黑色粉末狀物質的綜合熱分析曲線圖

結合前述的XRF分析結果后認為：黑色粉末物、石粉中均含有較高比例的碳酸鈣及碳酸鎂。

2.2.5 碳酸鹽及其含量

使用三峽大學自行研制的微型數顯碳化測量裝置進行了黑色粉末狀物質中碳酸鹽含量的測試。該裝置可以精確測量碳酸鹽與稀鹽酸反應生成二氧化碳導致的氣壓值變化，以此計算碳酸鹽含量。根據黑色粉末狀物質的化學成分分析結果(XRF)中Ca與Mg的比例，視其即為碳酸鈣與碳酸鎂的比例，以此分別計算黑色粉末狀物質中碳酸鈣及碳酸鎂的含量。

碳酸鈣及碳酸鎂與稀鹽酸反應的化學方程式見式(1)、(2)，樣品中的碳酸鈣、碳酸鎂含量按式(3)計算：

(1)

圖5 石粉的綜合熱分析曲線圖

(2)

(3)

式中P為氣體變化帶來的壓強差，Pa；V為CO2反應瓶的體積，L；R為氣體常數，R=8.254J·K-1·mol-1;T為反應瓶中的實際溫度，K；M為CaCO3或MgCO3的摩爾質量，100 g/mol或84 g/mol；M為稱量的粉樣質量，g。

根據表1中的XRF研究結果可知：黑色粉末狀物質中碳酸鈣與碳酸鎂的質量比例為5.4，石粉中碳酸鈣與碳酸鎂的質量比例為4.8，據此可分別計算黑色粉末狀物質和石粉中碳酸鈣與碳酸鎂的含量，其結果見表2。

表2 黑色粉末狀物質和石粉中碳酸鈣及碳酸鎂含量表

由表2可知：黑色粉末狀物質和石粉中的碳酸鹽含量較為接近，黑色粉末中的碳酸鈣含量為46%，碳酸鎂含量為7.1%；石粉中碳酸鈣含量為44.7%，碳酸鎂含量為7.8%。

3 結 語

由以上微觀分析結果可知：從微觀形貌上看，黑色粉末與石粉類似，均為大量不規則細小顆粒，外觀較粗糙，且黑色粉末中粒徑較小的顆粒量比石粉中更多；在化學成分上，黑色粉末狀物質主要以CaO、SiO2、MgO為主，同時含有少量的Al2O3、Fe2O3等氧化物，其化學成分與石粉很近似，但黑色粉末中CaO、MgO的含量略低于石粉，而C元素含量比石粉高；在礦物成分上，黑色粉末狀物質的主要礦物為方解石，其中，碳酸鈣含量約為46%，碳酸鎂含量約為7.1%。此外，黑色粉末狀物質中還含有少量的白云石和石英晶體等。

綜合以上試驗研究結果可知：人工砂中黑色粉末狀物質的礦物組成主要為方解石以及較少量的白云石和石英等礦物。此外，還含有一定量的石墨成分(約11.9%)。由于這部分石墨成分密度較小、比表面積大，其吸附能力較好，因而很可能會對混凝土的性能、尤其是拌和物性能(流動性、含氣量等)產生一定影響，因而，在混凝土制備與施工過程中對其應引起重視。

目前，水電七局烏東德項目部已生產混凝土近280萬m3，從混凝土上萬組檢測成果看，混凝土性能各項指標滿足設計指標，說明該物質對混凝土性能的影響有限，通過調整含氣量即可予以解決。

TV7;TV42

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1001-2184(2017)06-0016-04

2017-10-24

張 斌(1973-)，男，重慶江津人，高級工程師，從事水利水電工程施工技術與管理工作；

唐云宏(1971-)，男，四川樂山人，項目副經理，工程師，交通部注冊檢測工程師，從事項目質量管理工作.

李燕輝)