玄武巖石粉部分取代機制砂對干混砂漿性能的影響研究

汪麗娟 孫呈鵬 彭金貴 楊家福 呂汶霞 李元可 喬宏霞

（1甘肅建投礦業有限公司，甘肅 蘭州730050；2蘭州理工大學土木工程學院，甘肅 蘭州730050）

0 引言

砂是建筑行業中最重要的原材料之一，由于建筑用量越來越大，天然砂資源短缺，已難以滿足建筑生產需求，使用機制砂取代天然砂成為行業的發展趨勢。玄武巖系火山噴發地表之產物，因其出色的抗壓抗折條件性能，且耐磨性好，吸水率低，被廣泛應用于室外裝飾。蘭州地區由于玄武巖礦物儲量充足，有多家玄武巖礦物開采加工企業，以生產玄武巖碎石和玄武巖機制砂為主。但是在生產加工過程中，產生了大量尾礦即玄武巖石粉，該石粉目前沒有成熟的大規模利用手段，且易造成環境污染，嚴重制約企業的發展。

干混砂漿是一種新型建筑材料，由于其在工廠集中生產，具有應用種類多、質量穩定且綠色環保等特點，被國家廣泛推廣使用[1-3]。干混砂漿的發展可推動利用尾礦廢石、礦渣等固體廢料，帶動社會經濟效應[4-5]。路齊英、杜紀鋒等[6]研究了鐵尾礦砂對干混砂漿性能的影響，結果表明鐵尾礦砂可部分取代天然砂。封培然等[7]研究了固硫灰取代石粉對干混砂漿性能的影響，得出固硫灰的最佳摻量。謝汝朋、李秋義等[8]研究了再生砂對干混砂漿保水性的影響，結果表明通過調整配合比可使砂漿保水性滿足要求。為降低干混砂漿生產成本及保護環境，提出了一種使用玄武巖石粉部分取代機制砂作為原材料生產干混砂漿的方法。本文研究了不同強度等級下，玄武巖石粉取代機制砂比率變化對干混砂漿工作性能及力學性能的影響，為玄武巖石粉的大規模運用提供基礎。

1 試驗原材料及試驗方案

1.1 試驗原材料

1）水泥：試驗所用水泥為P·O42.5普通硅酸鹽水泥，其主要性能指標見表1。

表1 水泥性能指標

2）玄武巖機制砂：試驗所用機制砂由甘肅建投礦業有限公司生產，其主要性能見表2。

表2 砂子性能指標

3）玄武巖石粉：試驗所用玄武巖石粉為機制砂生產過程中的尾礦，取自甘肅建投礦業有限公司。采用0.08mm的篩網篩余率為15.4%，采用0.045mm的篩余率為22.0%。玄武巖石粉的主要化學成分見表3。

表3 玄武巖石粉化學成分

4）粉煤灰：試驗選用性能良好的II級粉煤灰，由蘭州二熱廠生產，其主要性能指標見表4。

表4 粉煤灰性能指標

5）外加劑和水：外加劑選用江蘇蘇博特公司生產的SJJ?-M（I）（增強、保水）水泥砂漿增塑劑，砂漿所用的拌合水為甘肅省蘭州市自來水，各項指標均滿足規范要求。

1.2 試驗方案

采用上述原材料配制強度等級為M5、M10、M15和M20的干混砌筑砂漿，設計使用不同比例的玄武巖石粉取代機制砂，研究以0%、10%、20%、30%、40%、50%玄武巖石粉取代機制砂對干混砌筑砂漿工作性能和力學性能的影響。試驗所用配合比見表5。

表5 玄武巖石粉干混砌筑砂漿配合比

試驗步驟如下：首先將原材料按照表4的用量準確稱取后放入攪拌機內攪拌1～2min得到干粉料拌合物，再加入水攪拌3min后得到砂漿拌合物，之后進行砂漿的稠度測試。根據JGJT98-2010《砌筑砂漿配合比設計規程》[9]規定，在試配干混砌筑砂漿時，砂漿稠度應保持在70～80mm。待確定滿足規范稠度的用水量后，對砂漿進行保水性、凝結時間以及表觀密度的測試，之后制備28d抗壓強度試塊并放入養護箱養護，待齡期達到規范要求后進行強度測試。干混砌筑砂漿各性能的按照JGJ/T70-2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》的規定進行測試。

2 試驗結果及分析

2.1 石粉對水泥性能影響

玄武巖石粉部分取代水泥對水泥性能的影響如圖1。

圖1 玄武巖石粉取代率對水泥性能影響

由圖1可知，隨玄武巖石粉取代率升高，水泥的標準稠度用水量上升，水泥的初凝和終凝時間均有所提高，初凝終凝時間間隔變化不大。這是因為由表3可得玄武巖石粉主要成分是二氧化硅，其活性較低，未經堿激發的玄武巖石粉僅起到惰性填料作用，對水泥水化影響較小，而摻入玄武巖石粉后由于標準稠度用水量的變化導致水泥凈漿水灰比提高，使水泥初凝終凝時間提高。

2.2 石粉摻量對干混砌筑砂漿工作性能的影響

根據上述試驗方案及試驗步驟，不同強度等級摻玄武巖石粉干混砌筑砂漿在保持稠度為70-80mm時所需用水量及保水性能的變化趨勢如圖2所示。

由圖2可得，使用玄武巖石粉取代機制砂后，隨取代率的增加，砂漿保持規定稠度所需的拌合用水不斷增加。未摻加玄武巖石粉時，砂漿的用水量最低。砂漿的保水性指砂漿保全水分的能力，保水性差的砂漿容易出現泌水和離析，本次試驗中的各配合比砂漿保水性均大于90%，凝結時間均在4-8h之間，滿足GB/T25181-2010《預拌砂漿》[10]中所規定的干混砌筑砂漿保水性≥88%以及凝結時間在3-9h之間的要求。從圖2還可以看出，在相同替代率下，干混砂漿的強度等級越高，保持規定稠度所需的用水量越多，使用玄武巖石粉部分取代機制砂后，干混砂漿的保水性總體呈增加趨勢。

造成砂漿性能變化的原因是與機制砂相比，玄武巖石粉的粒徑小，在使用玄武巖石粉取代機制砂后，骨料的總比表面積增大，使干混砂漿達到規定稠度所需的拌合用水增加。當強度等級相同時，玄武巖石粉的摻量越多，集料中的細顆粒含量越多，且石粉對水的吸附能力較機制砂更強，則砂漿的保水性提高。

不同強度等級的摻玄武巖石粉干混砌筑砂漿的凝結時間及表觀密度隨石粉取代率的變化見圖3。

圖2 干混砂漿的用水量和保水性隨石粉替代率的變化曲線

圖3 干混砂漿的凝結時間和表觀密度隨石粉替代率 的變化曲線

水泥與水之間的水化反應是影響砂漿凝結的主要原因，然而干混砂漿的凝結時間與砂漿所用水泥的凝結時間大部分情況下是不一致的。由圖3中干混砂漿凝結時間變化曲線可得，使用玄武巖石粉取代機制砂后，砂漿的凝結時間有所降低，但降低幅度較小。隨著砂漿強度等級的變化，凝結時間的變化幅度較大。由圖3還可得，在使用玄武巖石粉取代機制砂后，干混砂漿的表觀密度呈下降趨勢。在取代率為30%之內時，砂漿表觀密度下降幅度較小。未使用玄武巖石粉時，M5、M10、M15、M20砂漿的表觀密度分別為2285.6、2283.4、2298.3、2264.1kg×m-3，玄武巖石粉取代率為30%時，表觀密度分別為2246.3、2266.1、2285.4、2281.6kg×m-3。在玄武巖石粉取代機制砂的比率超過30%后，干混砂漿表觀密度下降幅度較大。

這是因為砂漿的凝結硬化主要受到水泥水化產物向空間的填充作用影響，即凝結時間主要由水灰比影響，故玄武巖石粉取代率變化對凝結時間影響較小，砂漿的強度等級對凝結時間影響較大。而干混砂漿表觀密度的變化是因為拌合水用量增加后使得砂漿的孔隙率增大，故表觀密度降低。

2.3 石粉摻量對干混砌筑砂漿力學性能的影響

使用玄武巖石粉取代機制砂所制備的干混砂漿28d抗壓強度的變化規律如圖4所示。

圖4 干混砂漿28d抗壓強度隨石粉替代率的變化曲線

由圖4可得，使用玄武巖石粉部分取代機制砂后，各強度等級干混砂漿的28d抗壓強度均低于未使用玄武巖石粉時的28d抗壓強度。這種趨勢與混凝土有所差別，在混凝土中摻加適量石粉有利于混凝土的抗壓強度[12-13]。同時由圖可得，在玄武巖石粉取代機制砂的比率在30%以內時，砂漿抗壓強度雖然有所降低，但降低的幅度較小，強度等級M5、M10、M15、M20在玄武巖石粉取代率為30%時的抗壓強度分別為7.1MPa、13.8MPa、18.3MPa、22.6MPa，除M20強度干混砂漿外，均滿足規范所要求的強度，而當玄武巖石粉取代機制砂的比率大于30%后，砂漿抗壓強度降低幅度較大，抗壓強度不能滿足規范的要求。故使用玄武巖石粉取代機制砂制備干混砂漿時，玄武巖石粉的取代率不宜大于30%。

造成砂漿與混凝土趨勢不同的原因主要是砂漿未使用粗骨料，石粉對骨料間空隙填充的效果不明顯，且由于石粉含量的增加，為使砂漿和易性滿足使用要求，砂漿拌合用水增加，強度等級相同時砂漿的膠凝材料用量不變，即砂漿的水灰比隨玄武巖石粉含量增加而變大，使干混砂漿抗壓強度降低[14]。

2.4 石粉對干混砌筑砂漿形貌影響

取玄武巖石粉試樣以及未摻加玄武巖石粉和使用玄武巖石粉50%等量取代機制砂所制備的干混砂漿養護28d后試樣，進行掃描電鏡試驗。玄武巖石粉、未摻加玄武巖石粉干混砂漿及摻加玄武巖石粉干混砂漿的SEM圖如圖5所示。

由圖5可得，玄武巖石粉顆粒較為圓滑，針狀顆粒含量較少，表明石粉受力性能較好，可作為砂漿原材料。而從SEM圖中可得，石粉對砂漿的微觀結構并未產生明顯影響，表明玄武巖石粉活性低，對水泥水化影響較小，不能明顯改善砂漿的微結構。

圖5 玄武巖石粉及干混砂漿微觀形貌

4 結論

1）通過玄武巖石粉化學成分分析以及使用玄武巖石粉所制備干混砂漿的微觀結構分析可得，玄武巖石粉本身活性較低，未經堿激發的石粉加入干混砂漿中時僅可充當惰性填料，對水泥水化影響較小。

2）使用玄武巖石粉取代機制砂后，干混砂漿的各項工作性能有所變化，其中砂漿的保水性能有所提高，而凝結時間和表觀密度有部分降低，但均可滿足規范要求。砂漿拌合用水及表觀密度在玄武巖石粉取代率為30%之前，變化幅度較小，取代率超過30%之后變化幅度較大。

3）使用玄武巖石粉取代機制砂時，石粉對骨料間空隙填充效果較小，砂漿的28d抗壓強度有所降低，同樣在取代率為30%之前，降低幅度較小，砂漿力學性能滿足規范要求，在取代率超過30%后，抗壓強度降低幅度較大，不能滿足規范要求。

4）綜合分析玄武巖石粉對干混砂漿各性能的影響規律可得，使用玄武巖石粉部分取代機制砂可以得到滿足規范要求和使用要求的干混砂漿配合比，玄武巖石粉取代機制砂的比率不宜超過30%。