機制砂中的石粉特性統(tǒng)計分析研究

章從旭，劉戰(zhàn)鰲，李北星

(1.中交路橋建設(shè)有限公司，北京 101121；2.武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室，武漢 430070)

機制砂區(qū)別于天然砂最顯著特點是其破碎生產(chǎn)中產(chǎn)生質(zhì)量15%～25%的粒徑小于 75 μm的石粉[1]。鑒于機制砂中的石粉，尤其是當(dāng)石粉中混雜有一定量的膨脹性粘土礦物時，將對混凝土拌合物的工作性、外加劑的適應(yīng)性及硬化混凝土的力學(xué)性能、長期性能和耐久性能產(chǎn)生不同程度的有害影響，世界各國或地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)均對機制砂中石粉含量均進行了限定。其中，中、美、日等國的標(biāo)準(zhǔn)分別規(guī)定機制砂石粉含量限值為10%、7%、9%，與印、英、法、澳等國標(biāo)準(zhǔn)中15%～25%的限值相比要嚴(yán)格得多[2,3]。關(guān)于機制砂石粉含量限值一直廣受爭議，不僅不同國家的標(biāo)準(zhǔn)，甚至我國不同地方或不同行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相互之間差別也很大[3]，目前尚無一個廣泛認(rèn)可或為大眾接受的石粉限值標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)外大量研究表明[4-8]，機制砂中不含粘土的石粉是無害甚至是有益的，采用石粉含量高達(dá)15%～20%的機制砂亦可以制備出優(yōu)良性能的混凝土。因此，為在混凝土中有效利用石粉資源，眾多學(xué)者建議放寬機制砂中石粉的容許含量。然而，機制砂中石粉的來源和巖性往往較為復(fù)雜，其理化特性及有害性差異較大。某些粘土礦物譬如伊利土、高嶺土，對混凝土的影響基本上是無害或少害的，而某些粘土礦物特別是蒙脫土，由于其高吸附性和高膨脹性，即使含量很低也具有多害性[9-11]。

目前相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)僅將機制砂亞甲藍(lán)值(MBV)作為評價石粉特性的技術(shù)指標(biāo)，而忽視了石粉的巖性、活性、粒形、粒度、細(xì)度與需水性等關(guān)鍵指標(biāo)及其它們之間的相互關(guān)系。事實上，由于機制砂生產(chǎn)工藝的差異性和母巖選材的廣泛性，會導(dǎo)致機制砂生產(chǎn)時產(chǎn)生不同性能特點的石粉。為更好地將有益或無害石粉資源用于混凝土中，理解和掌握機制砂中石粉對混凝土性能的影響機制，研究選取多個性能表征指標(biāo)，對收集的30個機制砂石粉樣本的理化特性進行系統(tǒng)測試和表征，并對不同石粉特性指標(biāo)的變化范圍和分布規(guī)律進行統(tǒng)計分析。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

1)石粉：石粉系從收集的機制砂樣品中采用75 μm方孔篩干篩分離所得，機制砂樣有30個，巖性包括石灰?guī)r、花崗巖、白云巖、砂巖、輝綠巖、石英巖、玄武巖、鐵尾礦等8種。

2)水泥：PO 42.5水泥，水泥3 d、28 d抗壓強度分別為30.3 MPa、51.2 MPa。

3)粉煤灰：F類Ⅱ級粉煤灰，45 μm方孔篩篩余15.5%，需水量比96.0%，SO3含量1.0%，燒失量2.6%，活性指數(shù)82.9%。

1.2 試驗方法

1)巖性：采用X-射線衍射儀(XRD)對石粉的礦物成分進行定性分析，X-射線熒光分析儀(XRF)對石粉的化學(xué)成分進行定量分析。

2)細(xì)度：石粉的細(xì)度采用45 μm方孔篩篩余和比表面積分別表征。45 μm篩余按GB/T 1345—2005中45 μm負(fù)壓篩析法進行測定，比表面積按GB/T 8074—2008進行測定。

3)粒度分布：石粉的粒度分布采用Mastersizer 2000型激光粒度儀進行測試，并通過中值粒徑D50表征石粉粒度大小。D50表示通過率為50%時所對應(yīng)的顆粒粒徑。

4)粒形：通過掃描電子顯微鏡(SEM)拍攝石粉顆粒的微觀形貌圖片，然后使用Image Tool (IT)圖像處理軟件計算得到石粉顆粒的長徑比、圓度和粗糙度等粒形參數(shù)[12]。

5)需水性與活性：石粉的需水性與活性分別采用摻石粉膠砂的流動度比和活性指數(shù)進行表征，流動度比與活性指數(shù)試驗按GB/T51003—2014《礦物摻合料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》附錄B進行，試驗樣品為石粉和水泥按質(zhì)量比3∶7混合而成。

6)吸附性：石粉的吸附性采用亞甲藍(lán)值(MBVF)進行表征，旨在反映石粉中的含泥量高低。石粉亞甲藍(lán)值參照EN 933-9:1998[13]進行測試。石粉的MBVF按公式(1)計算

(1)

式中,MBVF為石粉的亞甲藍(lán)值，g/kg，表示每千克0～0.075 mm石粉試樣所吸附的亞甲藍(lán)克數(shù)；m為石粉試樣質(zhì)量，g；V為所加入亞甲藍(lán)溶液體積，mL。

2 結(jié)果與分析

表1是30個石粉樣品的主要理化性能測定結(jié)果，為對比，表中也列出水泥、粉煤灰兩個粉體材料相應(yīng)的性能結(jié)果。

表1 機制砂石粉性能的測試結(jié)果

2.1 石粉巖性

不同巖性石粉的本質(zhì)區(qū)別在于礦物成分及含量的不同。圖1是基于石粉的礦物組成XRD定性分析和化學(xué)成分XRF定量分析的巖性統(tǒng)計分布圖(受篇幅所限，XRD和XRF分析結(jié)果略)。從圖1可以看出：試驗所選取的30個機制砂石粉試樣中，石灰?guī)r(LS)比例為44%，占比最高，砂巖(SS)、花崗巖(GR)和石英巖(QZ)比例分別為17%、13%和10%，占比排第2、3和4位，而輝綠巖(DB)、玄武巖(BA)、白云巖(DL)等占比較小。上述石粉巖性分布結(jié)果與實際情況較為相符，我國機制砂生產(chǎn)與應(yīng)用使用最為廣泛的母巖是石灰?guī)r，其次是花崗巖。

2.2 石粉細(xì)度

采用Minitab軟件對30個石粉的比表面積和45 μm方孔篩篩余測定結(jié)果進行了統(tǒng)計分析。由圖2的45 μm篩余統(tǒng)計分布結(jié)果可以看出：石粉45 μm篩余分布在9.3%～73.7%之間，平均值為36.4%；45 μm篩余小于45%的石粉占比70%，45 μm篩余小于25%的占比30%。

由圖3比表面積統(tǒng)計分布結(jié)果顯示，石粉比表面積處于104.0～405.2 m2/kg范圍，平均值270.9 m2/kg；比表面積超過200 m2/kg 的石粉占比為73.3%，其中比表面積介于300～350 m2/kg(與PO 42.5水泥比表面積相近)的石粉占比為19.2%，比表面積超過350 m2/kg(與Ⅱ級粉煤灰比表面積相近)的石粉占比為17.2%。因此，絕大多數(shù)(近80%)石粉的細(xì)度低于PO 42.5水泥和Ⅱ級粉煤灰。由此可見，雖然石粉被統(tǒng)一定義為粒徑低于75 μm的顆粒，但不同來源石粉的細(xì)度差異較大。石粉較大的細(xì)度差異，與機制砂母巖巖性、制砂工藝及設(shè)備的不同有很大關(guān)系。

2.3 石粉粒度分布

從30個石粉樣品中選取24個進行激光粒度分布測定，并與水泥和粉煤灰進行對比。根據(jù)表1的石粉樣品的中值粒徑D50結(jié)果和圖4的統(tǒng)計分布結(jié)果可知，石粉D50在 9.4～56.3 μm范圍分布，平均值為21.5 μm，標(biāo)準(zhǔn)差為11.32 μm，變異系數(shù)為0.527，說明不同石粉的中值粒徑變異性較大，粒度分布差異明顯。在24個石粉樣品中，54.2%的石粉樣本的D50低于水泥(為19.6 μm)，91.7%的石粉的D50高于粉煤灰(為10.6 μm)。另外，與水泥粒度分布相比，多數(shù)石粉的粒度分布范圍更寬，顯示石粉在混凝土中具有完善細(xì)骨料顆粒級配和填充水泥顆粒空隙的潛在作用[14,15]，進而影響新拌和硬化混凝土的性能。

2.4 石粉粒形

選取8個不同巖性的石粉顆粒進行微觀形貌測試，可知不同石粉的圓度值和長徑比差異較大，而粗糙度差別較小。SS1(砂巖)和LS1(石灰?guī)r)等沉積巖石粉的圓度值和長徑比相對較小，反映其粒形較為圓潤，而DB1(輝綠巖)、TL(鐵尾礦)和BA(玄武巖)等火成巖石粉的圓度值和長徑比相對較大，說明其粒形較為尖銳、棱角性較強。上述結(jié)果表明不同石粉的顆粒形貌存在較大差異，而石粉的顆粒形貌會影響其比表面積、堆積空隙率及在混凝土中的流動摩阻力，從而對混凝土的用水量和工作性產(chǎn)生影響[8,12]。

2.5 石粉需水性

30個石粉試樣的流動度比分布于69.7%～101.0%范圍，平均值87.3%，標(biāo)準(zhǔn)差8.7%，變異系數(shù)0.1，表明不同石粉的需水性存在一定差異。30個石粉試樣中，占比41.8%的石粉流動度比≥90%(相當(dāng)于GB/T 20491—2006標(biāo)準(zhǔn)要求的鋼渣粉流動度比)，占比18.2%的石粉流動度比≥95%(GB/T 35164—2017標(biāo)準(zhǔn)要求的石灰石粉流動度比)，占比3.3%的石粉流動度比超過100%，所有石粉的流動度比低于Ⅱ級粉煤灰的108.0%。

2.6 石粉活性

不同石粉的活性指數(shù)介于55.8%～75.1%之間，平均值64.5%，標(biāo)準(zhǔn)差4.43%，變異系數(shù)很小，僅為0.069，說明不同石粉的活性差異不大。統(tǒng)計分析結(jié)果表明，30個石粉中，活性指數(shù)≥60%(GB/T 35164—2017標(biāo)準(zhǔn)要求的石灰石粉活性指數(shù))的石粉占比為84.5%，≥65%(GB/T 20491—2017標(biāo)準(zhǔn)要求的二級鋼渣粉活性指數(shù))的石粉占比為45.5%。

2.7 石粉吸附性

由石粉吸附性統(tǒng)計分析結(jié)果可以看出，30個石粉樣品的亞甲藍(lán)值(MBVF)分布范圍為1.67～9.0 g/kg，平均值為3.87 g/kg，標(biāo)準(zhǔn)差為2.41 g/kg，變異系數(shù)為0.623。MBVF較寬的分布范圍和高變異系數(shù)表明，不同來源石粉的吸附性差異很大，預(yù)示不同石粉中含泥量差別也很大。另外，統(tǒng)計分析表明，MBVF不高于7 g/kg的石粉占比為90.4%。美國AASHTO T330—07標(biāo)準(zhǔn)[16]根據(jù)石粉MBVF的大小，將石粉的品質(zhì)分為四級：良好、勉強可以接受、存在或可能存在問題、不合格，相應(yīng)的MBVF分別為：≤7 g/kg、7～12 g/kg、13～19 g/kg，≥20 g/kg。因此，90.4%的石粉樣品能夠滿足AASHTO T330—07中關(guān)于良好石粉的MBVF要求，其中MBVF處于3～7 g/kg范圍的石粉占比為54.4%。

3 結(jié) 論

a.機制砂中看似粒徑相近的石粉，但因母巖種類和生產(chǎn)工藝不同，不同機制砂中石粉實質(zhì)在細(xì)度、粒度、粒形、需水性、活性、吸附性等理化特性上存在較大差異。

b.30個機制砂石粉樣品的主要特性指標(biāo)的統(tǒng)計分布規(guī)律為：比表面積分布范圍104.0～405.2 m2/kg，比表面積超過200 m2/kg的石粉占比為73.3%；45 μm篩余分布范圍9.3～73.7%，45 μm篩余小于45%的占比為70%；流動度比分布范圍69.7～101.0%，流動度比低于95%的石粉占比為81.8%；活性指數(shù)分布范圍為55.8～75.1%，活性指數(shù)高于60%的石粉占比84.5%；MBVF分布范圍1.67～9.0 g/kg，MBVF不高于7 g/kg的石粉占比90.4%。幾乎所有石粉樣本的需水性都高于PO42.5水泥和Ⅱ級粉煤灰，而活性指數(shù)低于Ⅱ級粉煤灰。

c.不同石粉流動度比和活性指數(shù)指標(biāo)的差異性顯著低于吸附性和細(xì)度指標(biāo)(45 μm篩余、比表面積)或粒度指標(biāo)D50的差異性。