石灰石粉-凝灰巖石粉復合摻合料技術指標研究

龍 行，熊 沖，任龍芳

(1.中國路橋工程有限責任公司，北京 100011；2.中國建筑科學研究院有限公司，北京 100013)

由中國路橋工程有限公司承建的金港(金邊-西哈努克港)高速公路工程，公路全長187.05 km，需要大量水泥、粗細骨料等滿足混凝土的配制。水泥生產不僅會消耗大量的能源和資源，還對環境造成一定的污染。礦物摻合料替代部分水泥用于混凝土，不僅可以減少水泥用量，而且可以改善混凝土工作性、增強后期強度，已成為混凝土不可或缺的重要組成材料[1]。目前比較成熟的摻合料有粉煤灰、礦渣等工業廢料，然而，在工業廢渣基礦物摻合料匱乏的地區，尋找并開發其他新型混凝土摻合料，具有十分重要的意義和價值。

當前由于河砂資源的限采和禁采政策，使得機制砂用于混凝土工程成為必然，而機制砂生產過程中會產生大量的石粉。若石粉得不到合理應用，將會對環境造成污染和浪費資源[2]。經過調研，擬建工程沿線存在大量孤石，其質地堅硬，巖性為凝灰巖，具有一定的化學活性，可作為機制砂石骨料用于混凝土工程。機制砂石粉的礦物成分和母巖相同，可作為礦物摻合料用于混凝土制備。

近年來國內外對復合摻合料的研究眾多[3-6]，但基本集中在石灰石粉和粉煤灰、礦渣等普通摻合料的復合研究，復合摻合料的種類不夠系統。該文結合工程實際，將孤石機制砂粉和石灰石粉復合，研究其作為復合摻合料的技術可行性，從而推動石灰石粉和地域性天然原料的綜合開發和利用。

1 試 驗

1.1 原材料

1)水泥：普通硅酸鹽42.5水泥，初凝163 min，終凝245 min，3 d和28 d抗壓強度分別為23.6 MPa、49.8 MPa。

2)河砂：采用天然河砂，細度模數2.3。

3)凝灰巖石粉：主要為孤石機制砂生產產生的石粉，通過行星式球磨機將其粉磨。主要化學成分為SiO2、Al2O3、Fe2O3等，詳見表1。

4)石灰石粉：細度為45 μm篩余3%，比表面積330 m2/kg，28 d活性指數62.5%。主要化學成分為見表2。

5)自來水。

1.2 試驗方法

參照《水泥膠砂流動度測定方法》GB/T2419—2005測定不同摻合料制備的膠砂的流動度；參照《水泥膠砂強度檢驗方法》GB/T 17671—1999制作膠砂強度試件，并測定膠砂各個齡期的試件強度，參照《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》GB/T 1596計算復合摻合料的活性指數。膠砂試驗的配比如表3所示。

2 結果與分析

2.1 粉磨時間、細度的確定

將凝灰巖石粉、石灰石粉放入烘箱，在105 ℃下烘干24 h，待冷卻后分別放入行星式球磨機中進行粉磨，粉磨時間分別為15 min、20 min、25 min及30 min，然后分別測試粉磨后的石粉的比表面積，結果如表4所示。可以看出：兩種粉體的比表面積均隨粉磨時間的延長而增大，25 min后繼續延長粉磨時間，比表面積增長幅度降低，考慮由于粉磨到達一定程度，粉體太細容易出現團聚現象，易粘附在球體表面，阻礙粉磨的繼續進行，進而影響到粉體比表面積。整體來看，相同的粉磨時間，石灰石粉較凝灰巖石粉的比表面積更大。

表4 石灰石粉/凝灰巖石粉的比表面積

用不同比表面積的石灰石粉和凝灰巖石粉分別替代30%水泥制備膠砂，研究不同比表面積的石灰石粉或凝灰巖石粉對水泥膠砂流動度和活性指數的影響規律，進而確定兩種石粉的最佳粉磨時間。流動度比如圖1所示，活性指數如圖2所示。

從圖1可以看出，隨著粉磨時間的延長，石灰石粉或凝灰巖石粉的膠砂流動度比均有所增大，主要因為石灰石粉和凝灰巖石粉均具有“玻璃滾珠”效應，可以降低水泥膠砂漿體的塑性黏度和屈服應力[7，8]，因此均能增大膠砂流動度。石灰石粉相對于凝灰巖石粉具有更高的流動度比，主要因為同樣的粉磨時間，石灰石粉較凝灰巖石粉細度更細，具有更好的填充作用，更有利于置換出水泥顆粒間的三角空隙水，更具減水作用，在相同用水量的配比下，水泥膠砂的流動性能更好。

從圖2可以看出，兩種石粉7 d活性指數和28 d活性指數隨粉磨時間的延長均有不同程度的提高，這是因為在機械力的作用下，較大的石粉顆粒被粉磨變細，比表面積變大，同時石粉表面的惰性層被磨去，進而增加了顆粒的表面活性，進一步加快活性物質的溶出和水化的速度[9]。石灰石粉相對于凝灰巖石粉，其7 d和28 d的強度均較低，主要由于石灰石粉更偏屬于惰性物質，而凝灰巖石粉巖性為凝灰巖，具有一定的化學活性。凝灰巖石粉更能和Ca(OH)2等反應生成具有膠凝作用的水化產物，進一步加強體系致密性。

綜合表4、圖2和圖3可知，對于石灰石粉和凝灰巖石粉，粉磨25 min是個轉折點，在25 min之前，比表面積、流動度比和活性指數均隨粉磨時間延長增長較快，25 min之后仍繼續增長，但速度變緩。考慮到粉磨時間和能耗的關系，推薦25 min作為石灰石粉和凝灰巖石粉最終粉磨時間，比表面積分別為602 m2/kg和540 m2/kg。

2.2 復合摻合料制備膠砂的最佳摻量

由2.1研究可知，石灰石粉屬于惰性粉體，具有一定的減水效應，能改善膠砂的流動度；凝灰巖石粉屬于活性粉體，可同Ca(OH)2反應生成水化硅酸鈣，有助于膠砂強度的提升。目前大量研究表明，將兩種石粉復合制備復合摻合料用于膠砂或混凝土，可以產生疊加效應。該試驗將比表面積為602 m2/kg的石灰石粉和540 m2/kg的凝灰巖石粉按1∶1比例混合制備復合摻合料，分別以10%、20%、30%、40%的比例替代水泥制備膠砂，根據膠砂的流動度比和活性指數確定復合摻合料的最佳取代量，結果如圖3、圖4所示。

結合圖3、圖4可以看出，當石灰石粉與凝灰巖石粉等質量復合替代水泥制備膠砂時，隨復合摻合料的替代量增加，膠砂流動度比和活性指數均呈現先增大后減小的趨勢，當復合摻合料替代30%水泥時，膠砂的流動度比達到最大值102%，7 d活性指數達到最大值64.5%，28 d活性指數達到最大值67.2%。石灰石粉和凝灰巖石粉細度均小于水泥細度，兩者復合之后用于膠砂可使膠凝材料體系的顆粒級配更為合理，粒徑分布更加趨近Fuller曲線，能夠產生“超疊加效應”[10]。隨著摻量的增加，膠砂性能得到改善，但是摻量過多則會導致超細顆粒過多，需水量增加，導致膠砂流動性下降，因此復合摻合料的最佳取代量定為30%。

2.3 石灰石粉/凝灰巖石粉復合最佳配比

根據2.2研究結果，將石灰石粉和凝灰巖石粉以1∶3、1∶2、1∶1、2∶1、3∶1的比例混合成復合摻合料，以30%的比例替代水泥，制備水泥膠砂，研究不同配比對膠砂流動度比和活性指數的影響，結果如圖5、圖6所示。

結合圖5、圖6可以看出，當石灰石粉-凝灰巖石粉復合摻合料替代30%水泥制備膠砂時，隨著石灰石粉摻量的增加，流動度比先增大后減小，7 d活性指數和28 d活性指數均降低。在石灰石粉與凝灰巖石粉比例1∶2、1∶1、2∶1時，流動度比均高于100%，在石灰石粉與凝灰巖石粉比例1∶3、1∶2時活性指數較高，繼續增加石灰石粉的摻量，活性指數迅速下降。主要因為石灰石粉為惰性粉體，具有一定的減水保水性，有利于增強膠砂的流動度，但不宜摻量過多；凝灰巖石粉具有一定的“火山灰效應”，將兩種物質按合適的比例混合應用到膠砂或混凝土中，可以充分發揮其顆粒協同效應和互補效應[11]。綜合考慮流動度比和活性指數數據指標，研究認為石灰石粉和凝灰巖石粉最優復合配比為1∶2。

3 結 論

a.隨粉磨時間的延長，石灰石粉和凝灰巖石粉變細，所制備的膠砂流動度比和活性指數均有所增大。考慮粉磨時間和能耗的關系，推薦25 min作為石灰石粉和凝灰巖石粉最終粉磨時間，比表面積分別為602 m2/kg和540 m2/kg。

b.石灰石粉屬于惰性粉體，具有較好的流動度；凝灰巖石粉巖性為凝灰巖，具有一定活性，活性指數優于石灰石粉。石灰石粉與凝灰巖石粉混合制備復合摻合料，可進一步優化膠凝材料體系的顆粒級配，且能產生互補、協同效應，充分提升復合摻合料性能。

c.石灰石粉與凝灰巖石粉以1∶2的比例混合制備復合摻合料，以30%的比例替代水泥，所制備的水泥膠砂性能最優，流動度比為101%，7 d活性指數為67.7%，28 d活性指數為70.9%。