不同巖性石粉對水泥-石粉復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 ，2 李化建 ，2

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京 100081）

我國建筑領域的工程特別是鐵路、公路等行業的工程規模巨大，用砂量巨大。而河砂資源緊缺，機制砂逐步替代河砂已成為必然趨勢。在機制砂生產過程中，未經處理的機制砂石粉含量一般為10%～20%［1-2］，遠超過GB/T 14684—2011《建設用砂》規定的最大石粉含量，因此石粉不可避免地作為副產物被隨意丟棄或填埋，造成了嚴重的環境污染和資源浪費。若將石粉作為輔助膠凝材料摻入水泥基材料，不僅可以實現石粉的資源化利用，還可以解決礦物摻合料資源短缺問題，降低原材料成本，實現混凝土材料的可持續發展。

關于石灰巖石粉對水泥基材料工作性能和流變性能影響的研究較多。文獻［3-4］研究發現石灰巖石粉可降低漿體屈服應力和塑性黏度，增加漿體的流動性，降低流動度經時損失。文獻［5］研究發現石灰巖石粉在水溶液中的Zeta 電位顯著高于水泥，石灰巖石粉顆粒間的斥力作用較強，顆粒更易于分散，可大幅減少水泥漿體中的絮凝結構，降低水泥漿體塑性黏度和屈服應力。文獻［6-7］研究表明石灰巖石粉在臨界摻量內對漿體黏度無明顯影響，超過臨界摻量時黏度明顯增加。

石粉的礦物組成、顆粒形狀、細度等也會影響水泥基材料的工作性能［8-11］。文獻［12］研究表明石粉對水泥漿體流動度的影響與其圓形度有關，圓形度低于0.5 時漿體流動度隨圓形度的增加而增加，圓形度大于0.5時流動度變化不明顯。文獻［13］研究了不同礦物組成的石粉對水泥漿體工作性能的影響，發現含有云母礦物的石粉與減水劑間存在明顯的插層吸附，導致水泥漿體流動度降低，而短側鏈的聚羧酸減水劑較其他分子結構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度。文獻［14］研究了不同巖性石粉-水泥膠砂流動性和力學性能，得到了不同巖性石粉的推薦摻量。

當前關于不同巖性石粉及其改性對水泥漿體工作性能的研究較少且不深入。為促進石粉作為礦物摻和料在工程中的應用，分別將石灰巖石粉、花崗巖石粉、石英巖石粉、凝灰巖石粉摻入基準水泥制備成水泥-石粉復合漿體，通過試驗研究不同摻量、不同細度、不同巖性的石粉對水泥漿體工作性能的影響，并采用X 射線衍射和掃描電子顯微鏡測定了石粉的礦物組成和微觀結構。

1 水泥-石粉復合漿體制備

1.1 原材料

水泥-石粉復合漿體（以下簡稱復合漿體）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的基準水泥。主要性能參數：燒失量1.21%；密度3.15 g/cm3；比表面積341 g/cm3；初凝時間191 min，終凝時間252 min。主要化學組成見表1。

表1 水泥主要化學組成 %

2）石粉

采用4 種不同巖性的石粉，分別為石灰巖石粉（SHY）、花崗巖石粉（HGY）、凝灰巖石粉（NHY）、石英巖石粉（SYY）。每種石粉經球磨機粉磨后得到3 種細度，不同細度石粉的主要參數和粒度分布見表2，其中A，B，C代表3種不同細度。由表2可知，對于4種巖性的石粉：細度在A 范圍時，比表面積為（370±30）m2/kg，D50 為20～25 μm；細度在B 范圍時，比表面積為（500±30）m2/kg，D50 為 14～18 μm；細度在C 范圍時，比表面積為（700±30）m2/kg，D50為6～10 μm。。

表2 石粉的主要參數及粒度分布

3）減水劑

選用河北三楷生產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水。

1.2 配合比

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

以石灰巖石粉為例，部分復合漿體配合比見表3。石粉摻量為0時為基準組。

表3 部分復合漿體配合比 g

2 試驗方法

2.1 流動度測試

為研究石粉對復合漿體初始流動度及其經時損失的影響，參照GB/T 8077—2000《混凝土外加劑勻質性試驗方法》，采用美國博勒飛RST?SST 型Rheo3000旋轉流變儀，對復合漿體初始流動度及2 h 后流動度進行測試。

測試過程主要分為預剪切階段、靜止階段、數據測試階段。預剪切階段剪切速率為100 s-1，持續30 s；靜止階段剪切速率為0，持續30 s；數據采集階段前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。測試得到剪切應力-剪切速率的上行曲線和下行曲線。對下行曲線的試驗數據用Bingham 流變模型擬合，得到復合漿體的屈服應力和塑性黏度。屈服應力為漿體發生流動所需克服的最大阻力，主要由漿體內部顆粒之間的黏附力和摩擦力共同作用產生，屈服應力小表明漿體發生流動所需克服的最大阻力小。塑性黏度是漿體內部結構阻礙漿體流動的性能，與漿體的流動速度相關，黏度越大則漿體流動所要克服的位壘越大，說明漿體穩定性好，不易發生泌水、離析等不良現象。

2.2 微觀組分分析及形貌觀測

利用 X 射線衍射儀（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 測試條件為 X 射線掃描角度 2θ= 10°～80°，掃描速率為2 °/min。

采用德國蔡司場發射掃描電子顯微鏡（SEM）觀察4 種巖性石粉原始狀態的表觀形貌，并觀察磨細凝灰巖石粉和花崗巖石粉的表觀形貌。

3 試驗結果及分析

3.1 石粉對復合漿體流動度及其經時損失的影響

4種巖性的石粉摻量對復合漿體初始流動度和2 h后流動度的影響見圖1。

圖1 石粉摻量對漿體初始流動度及其經時損失的影響

由圖1（a）可知：

1）摻石灰巖石粉和凝灰巖石粉的復合漿體初始流動度隨石粉摻量的變化規律相似。石粉摻量為30%時，摻石灰巖、凝灰巖石粉的復合漿體初始流動度較基準組分別增加了15.6%，10.2%。石粉摻量低于30%時，初始流動度隨摻量增加而增大；石粉摻量達到40%以后，初始流動度有所下降，但仍高于基準組。這主要是由于石灰巖石粉和凝灰巖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，減少了漿體絮凝結構，提高了初始流動度［4-5］；而石粉摻量過高時上述促進作用有所減弱。

2）石英巖石粉摻量的增加對復合漿體初始流動度影響不大。

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

由圖1（b）可知：

1）摻石灰巖石粉的復合漿體2 h 后流動度仍高于基準組。

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

3）隨著凝灰巖石粉摻量的增加，復合漿體2 h 后流動度逐漸降低，石粉摻量超過30%后2 h 后流動度降低十分顯著。

4）摻花崗巖石粉與凝灰巖石粉的復合漿體2 h 后流動度變化趨勢基本一致，但花崗巖石粉對漿體流動度的經時損失影響更大。石粉摻量大于30%時摻花崗巖石粉的復合漿體在2 h 后基本失去流動性。因此，石灰巖石粉、石英巖石粉和較少摻量的凝灰巖石粉對漿體流動度的經時損失影響不大，而花崗巖石粉和較大摻量的凝灰巖石粉影響很大。

4 種巖性的石粉細度對漿體初始流動度和2 h 后流動度的影響見圖2。

圖2 石粉細度對漿體流動度及其經時損失的影響

由圖2 可知：

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

2）摻花崗巖石粉的復合漿體初始流動度隨著細度增加而不斷增大，這與其他3 種巖性石粉的規律完全相反，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）各復合漿體2 h 后流動度與初始流動度變化規律基本一致。

3.2 石粉對復合漿體屈服應力和塑性黏度的影響

4 種巖性的石粉摻量對復合漿體屈服應力和塑性黏度的影響見圖3。

圖3 石粉摻量對水泥漿體屈服應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，摻石灰巖、凝灰巖石粉的復合漿體屈服應力先降低后略有升高；摻石英巖石粉的復合漿體屈服應力基本沒有變化；摻花崗巖石粉的復合漿體屈服應力顯著增加。

2）摻石灰巖石粉的復合漿體屈服應力最小，石粉摻量為40%時其屈服應力比基準組減少了93%；摻花崗巖石粉的復合漿體屈服應力最大，石粉摻量為40%時其屈服應力比基準組增加了265%。由于屈服應力越小漿體流動度越大，因此石灰巖石粉對漿體流動度有顯著的促進作用，而花崗巖石粉對漿體流動度抑制作用巨大。

由圖3（b）可知：

1）摻不同巖性石粉的復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定性，減少漿體泌水。

2）摻花崗巖石粉的復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%時其塑性黏度增加了57%。由于塑性黏度過大會顯著降低漿體的流動性，因此漿體塑性黏度不宜過大，石粉摻量須適宜。

4 種巖性的石粉細度對漿體屈服應力和塑性黏度的影響見圖4。

圖4 石粉細度對水泥漿體屈服應力和塑性黏度的影響

由圖4可知：

1）摻石灰巖、凝灰巖、石英巖石粉的復合漿體屈服應力和塑性黏度均隨石粉細度的增加而增大。這主要由于隨著細度的增加，這3 種巖性石粉的比表面積增大，顆粒尺寸減小，漿體內部結構更加密實，使得漿體屈服應力和塑性黏度增加。這3種巖性石粉細度的增加對漿體流動性不利。

2）摻花崗巖石粉的復合漿體屈服應力和塑性黏度均隨石粉細度的增加而呈降低趨勢。這是因為花崗巖石粉磨細后，原有礦物的形貌結構發生變化，使得原有對復合漿體工作性能不利的組分形貌發生了改變。花崗巖石粉細度的增加有利于提升漿體流動性。

3.3 微觀分析

4 種巖性石粉的XRD 分析圖譜見圖5。可知：①石灰巖石粉主要成分為碳酸鈣。②石英巖、凝灰巖、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＜凝灰巖石粉＜花崗巖石粉，花崗巖中云母含量遠高于其他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，石英骨架構造緊密，沸石的骨架膨大，含有空穴及通道結構，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［17］。花崗巖石粉因含有較多的云母和沸石，其漿體初始流動度很差。石英巖石粉由于礦物組成單一，其流動度隨石粉摻量變化較小。凝灰巖和花崗巖石粉由于含有沸石和云母，對水和減水劑吸附作用較強，導致漿體2 h 后流動度明顯低于初始流動度，其中沸石和云母含量最高的花崗巖石粉造成的漿體流動度經時損失最大。上述結論與石粉對漿體流動度、屈服應力和塑性黏度的影響規律基本一致，揭示了不同巖性石粉對漿體工作性能的作用機理。

不同細度的4種巖性石粉的掃描電子顯微鏡微觀形貌見圖6。

圖6 不同細度的4種巖性石粉微觀形貌

由圖6 可知：

1）石灰巖石粉表面光滑，顆粒較圓潤、棱角少［17］，在漿體中填充潤滑作用較好，對工作性能促進作用明顯。

2）石英巖石粉雖有一定的棱角，但表面較光滑且致密，對漿體工作性能影響較小。

3）花崗巖石粉層片狀結構明顯，棱角多，造成漿體工作性能降低較大，但細度增加后顆粒層片狀結構減弱，云母礦物被破壞，進而減少了對減水劑的插層作用，使漿體初始流動度略有提高［13，18］。

4）凝灰巖石粉顆粒棱角相對較少，對漿體工作性能促進作用較好，但細度增加后石粉發生了團聚現象，表面粗糙程度加大，不利于漿體工作性能的提升。

上述結論進一步解釋了不同巖性石粉對漿體工作性能的作用機制。

4 結論

1）石灰巖石粉摻量的增加有利于改善漿體初始流動度及其經時損失；凝灰巖石粉摻量的增加對漿體初始流動度提升顯著但不利于漿體流動度的保持；石英巖石粉摻量對漿體初始流動度及其經時損失影響較小。石灰巖、石英巖、凝灰巖石粉摻量的增加對漿體屈服應力和塑性黏度的影響均較小。花崗巖石粉摻量的增加對漿體初始流動度及其經時損失、屈服應力、塑性黏度的不利作用顯著。

2）隨著石粉細度的增加，摻石灰巖、石英巖、凝灰巖石粉的水泥-石粉復合漿體的初始流動度降低，其經時損失、屈服應力、塑性黏度均顯著增加，尤以凝灰巖石粉為甚。花崗巖石粉隨細度增加對漿體流動度及其經時損失有改善作用，降低了漿體的屈服應力和塑性黏度。

3）摻不同巖性石粉的水泥-石粉復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-石粉復合漿體中，石灰巖石粉摻量應小于30%；石英巖和凝灰巖石粉摻量應小于20%；花崗巖石粉須磨細處理，且摻量應小于30%。