硅質石粉的應用現狀及其對砂漿性能的影響

楊淮 朱藝婷 喬 峰 施偉仁 林 越 盧沈力

（福建江夏學院工程學院，福建 福州 350108）

0 引言

我國建筑結構以鋼筋混凝土為主體，砂石用量巨大。根據國家統計局數據，2020年全國砂石交易量超180億t。由于天然砂石資源日益匱乏，機制砂正逐步成為主力砂源。機制砂生產過程中會產生10%～20%的石粉，石粉指粒徑在75μm以下的粉體，根據母巖性質不同，主要分為鈣質石粉和硅質石粉。鈣質石粉性質與常用礦物摻合料接近，人們對其的研究多、深入，對其應用也較為廣泛，相關規范文件也較全面。2013年以來已發布《用于混凝土的石灰石粉》（CCPA-2002）、《石灰石粉混凝土》（GB/T30190）、《用于水泥、砂漿和混凝土中的石灰石粉》（GB35164）、《石灰石粉在混凝土中的應用技術規程》（JGJ/T-218）等4份相關規范或規程。而石英巖、花崗巖、凝灰巖和片麻巖的破碎產物均以硅質石粉為主，此類石粉產量大，對其性能的研究亟待進一步拓展和加強。本文在介紹硅質石粉活性的基礎上，對硅質石粉的應用現狀及其對砂漿性能的影響進行闡述，為加快硅質石粉的資源化利用提供技術依據。

1 硅質石粉的活性研究

硅質石粉以SiO2、Al2O3為主要礦物成分。其余礦物成分中，CaO含量遠低于水泥，Fe2O3、MgO等含量與水泥接近。水泥水化產物Ca(OH)2會改變硅質石粉中的SiO2表面結構，提高石粉溶解性，進而促進石粉活性提升。但硅質石粉總體活性較低，通常通過摻入改性劑以進一步激發其活性，主要以堿性激發劑為主。堿性激發劑可以促進硅質石粉中的主要礦物成分溶解，SiO32-和AlO33-在漿體中生成水化鋁酸鈣，使得漿體結構更為致密。馬保國等人[1]研究了改性劑CL和NS對水泥-花崗巖石粉體系砂漿流動性的影響，發現相較于NS改性劑，CL改性劑對砂漿流動度的提升較為明顯，兩種改性劑對力學性能都有一定的提升效果。黃紹龍等人[2]利用堿激發原理，選用水玻璃提高水泥-花崗巖石粉體系凈漿的抗壓強度和流動性能，確定了最優的水玻璃模數和摻量。郝彤等人[3]對比了Ca(OH)2和水玻璃兩種堿性激發劑對花崗巖石粉砂漿性能的影響，結果表明在大取代率試驗組中，激發劑的使用能夠使力學性能在一定范圍內得到提升。

由以上研究看來，硅質石粉活性較低，可在水泥基材料水化后期，與水化產物反應提升活性。但用于對強度有較高要求的砂漿或混凝土制品中，或在水泥基材料中以較大的取代率使用時，可以在堿性激發作用下進一步提升其活性。

2 硅質石粉的應用現狀

2.1 硅質石粉在國內的應用現狀

我國針對硅質石粉在水泥基材料中的應用研究目前主要集中于用其取代砂漿和混凝土中細骨料、水泥或礦物摻合料。使用石粉替代細骨料，并不會減少水泥的用量，不能很好地解決環境污染問題。使用石粉替代水泥，不但可以解決廢棄石粉污染環境的問題，還能夠通過減少水泥的消耗量從而緩解水泥生產過程帶來的環境污染問題。使用石粉取代礦物摻合料的取代率是有限的，硅質石粉活性較低，用于混凝土中對強度有較高要求時會進一步限制其摻量，因此硅質石粉更適用于摻加在砂漿中。

2.2 硅質石粉在國外的應用現狀

國外針對硅質石粉的應用主要集中在涂料添加劑、建筑陶瓷和新型材料制備三個方面。在水泥基材料領域的研究主要開展于2010年之后，Singh S[4]采用石粉取代細骨料，研究其取代率對混凝土流變性能、力學性能和耐久性能的影響規律。Sadek D M[5]采用石粉取代礦物摻合料用于自密實混凝土中，研究表明石粉的摻入會對混凝土性能有很大的影響，且這種影響與石粉類型有關，花崗巖石粉摻入后的自密實混凝土性能優于大理石粉，石粉的最大摻量可達到50%。André 等人[6]則采用石粉取代水泥，發現將石粉摻量控制在一定范圍內時，并不會對水泥基材料的耐久性產生顯著影響。

3 硅質石粉對砂漿性能的影響

硅質石粉在砂漿中的應用，應當充分考量由其制備的砂漿是否具有良好的工作性能、力學性能和耐久性能。

3.1 硅質石粉對砂漿工作性能的影響

邱志熊等人[7]和英丕杰等人[8]分別采用花崗巖石粉取代砂漿中的細骨料和礦物摻合料，試驗結果均表明石粉的摻入能夠有效改善砂漿的工作性能，增加其流動性。張廣田等人[9]通過試驗得到花崗巖石粉取代標準砂的最優摻量為10%～12%，在此摻量下加入適量的高效減水劑作為改性劑可以顯著提高流動性。楊俊[10]對比了片麻巖石粉和凝灰巖石粉作為礦物摻合料使用時對砂漿稠度、保水性和分層度的影響。片麻巖石粉取代粉煤灰的取代率控制在40%～60%時，稠度、保水性和分層度滿足規范要求，凝灰巖石粉對砂漿工作性能的影響規律與片麻巖石粉基本相同，但凝灰巖石粉取代率高時對稠度損失控制有利。王宇謀[11]在不改變水灰比的情況下，利用花崗巖石粉體積來替換相同水泥漿體體積，結果表明擴展度隨花崗巖石粉摻量的增加而減少，但可通過調整高效減水劑的用量來保證砂漿拌合物良好的工作性能。

綜上，一定摻量的石粉可以在一定程度上改善漿體的工作性能，控制摻量受到石粉母巖種類的影響。摻量較高時，通過引入改性劑能夠解決水泥基漿體黏稠和流動性小等問題。

3.2 硅質石粉對砂漿力學性能的影響

學者們對硅質石粉對砂漿力學性能的影響主要考慮的變量為石粉細度和石粉取代率，石粉無論是取代砂漿中的水泥還是礦物摻合料，都會對水泥基材料的強度有顯著影響[12]，且對早期強度的影響更為顯著[13]。部分學者認為花崗巖石粉取代礦物摻合料使用時，砂漿的抗壓、抗折強度隨摻量的增加而降低[14]，還有部分學者的研究結果表明一定摻量的花崗巖石粉可以有效提高砂漿力學性能[15-16]，即存在石粉最優摻量。郝彤等人研究表明，石粉取代礦物摻合料的比例超過35%后，隨摻量增加，砂漿強度降幅較大。RMMADJI C等人[17]用10%的花崗巖石粉替代水泥，試驗結果表明低于10%摻量的花崗巖石粉對砂漿的長期強度不會造成不良影響。姚楚康[18]研究表明，石粉細度增大時，其活性指數也隨之增加，但當細度超過300m2/kg時，活性指數的增幅減小。

由此看來，砂漿中低摻量的石粉主要起填充作用，使得膠凝材料的顆粒級配接近于緊密堆積狀態，填充了漿體孔隙，從而改善漿體性能。但石粉摻量過大時，根據緊密堆積理論，石粉填充效果不再明顯，使得力學性能降低。

3.3 硅質石粉對水泥漿體微觀結構的影響

張曉靜等人[19]從微觀層面展開研究，探究花崗巖石粉摻量對砂漿水化產物和微觀形貌的影響，結果表明花崗巖石粉具有一定的火山灰活性，因此可以參與到水泥漿體的水化過程中，從而形成更多的水化產物。從圖1、圖2的SEM圖片上可以看出，隨著花崗巖石粉摻量的增加，纖維狀的I型C-S-H凝膠交叉生長，針狀鈣礬石數量減少，漿體微觀結構更加致密，因此能夠有效提高水泥漿體的力學性能。王將華等人[20]通過不同的粉磨時間獲取不同平均粒徑的石粉，探究粉磨時間對砂漿微觀結構的影響，見表1。在石粉摻量為15%的情況下，未經粉磨的砂漿的SEM圖片中可以觀察到游離石粉（FSP）的存在，微觀結構明顯較粉磨40min的試驗組更為疏松多孔。結合激光粒度分析儀的試驗結果可知，未經粉磨的石粉大于40μm的顆粒數量較多，填充效果較差，同時其水化產物以針狀鈣礬石為主，因此從微觀結構上看密實度較差。

表1 粉磨時間對石粉粒徑分布的影響

圖1 石粉摻量對水泥漿體微觀結構的影響

圖2 石粉細度對水泥漿體微觀結構的影響

綜上，石粉摻量會對水泥漿體水化產物類型和數量產生影響，而石粉細度會影響填充效果，從而對微觀結構的密實度產生影響。

3.4 硅質石粉對砂漿耐久性能的影響

硅質石粉的細度和摻量也會對砂漿的耐久性能有顯著影響，主要包括對砂漿抗碳化、吸水率、干燥收縮、抗凍性等性能的影響。王宇謀[11]通過試驗研究發現，同一水灰比條件下，砂漿的抗碳化性能和吸水率均隨著花崗巖石粉體積取代率的增加而改善，摻量達到15%時，碳化深度減少25%，吸水率降低了71.2%。王將華[20]等人的研究結果表明，比表面積和粒徑分布小于60μm的石粉顆粒會對砂漿的干燥收縮性能有較大影響，其中20～40μm 的石粉顆粒影響最為顯著。在石粉粉磨時間相同的情況下，石粉摻量15%的試驗組抗干縮性能最優。楊俊[10]的試驗結果表明，片麻巖機制砂石粉取代礦物摻合料的取代率為60%時，能夠最有效改善水泥砂漿的抗凍性能，而凝灰巖機制砂取代率為20%～40%的試驗組抗凍性最佳。

綜上，石粉母巖種類、摻量、細度均會對砂漿的耐久性產生影響。在一定摻量范圍和粒徑分布的情況下，耐久性能會有不同程度的改善，這主要與石粉在水泥基材料中起晶核、填充、化學和稀釋等密切相關，從而改善材料的宏觀性能[21]。

4 硅質石粉的應用研究展望

目前對于硅質石粉的研究尚存在不足之處，還需從以下幾個方面進行研究：

（1）研究表明硅質石粉能夠起到微集料填充效應，但當石粉大摻量使用時，微集料填充效應不顯著，對于其中機理，還需要進一步開展研究；

（2）硅質石粉分布范圍廣泛，受母巖性質影響較大，目前的試驗研究中，一般通過化學組成和粒徑分布來表征石粉性質，對石粉的表面特性未開展深入研究；

（3）硅質石粉在砂漿中的應用研究多集中在工作性能和力學性能兩方面，對于微觀結構和耐久性能的研究還需進一步深入。

5 結束語

硅質石粉是一種可再利用的資源，可以取代水泥基材料中的細骨料、水泥或礦物摻合料。其本身具有一定礦物活性，但當水泥基材料對強度要求較高或需要大摻量使用時，可以采用堿性激發劑進一步提升其活性。綜合來看，硅質石粉用于砂漿中時，其消納量更大。石粉的母巖種類、摻量、細度等因素會對砂漿的工作性能、力學性能、微觀結構和耐久性產生影響。通過一系列試驗研究已經得到了最優摻量和細度范圍。