不同岩石粉复合矿物掺合料对水泥胶砂性能的影响研究

此文根据发表于《新型建筑材料》全国中文核心期刊

《 不同岩石粉复合矿物掺合料对水泥胶砂性能的影响研究 》

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文章作者：夏京亮、周永祥、高超

复合矿物掺合料是指将 2 种或 2 种以上的以硅、铝、钙等 1 种或多种氧化物为主要成分，具有规定细度，按一定比例混合均匀且能改变混凝土性能的粉体材料。矿物掺合料是混凝土的重要组成部分。随着我国基础设施的发展，一方面对混凝土的需求量越来越大，对混凝土的质量要求越来越高；另一方面优质的粉煤灰、矿渣粉等传统矿物掺合料逐渐匮乏，寻求合适的替代材料迫在眉睫。近些年，矿物掺合料从工业废渣扩展到天然矿物材料的趋势越来越明显，岩石粉应用是一个重要的研究方向，这与我国机制砂的推广使用紧密相关。机制砂在生产过程中会产生 15%~20%的石粉，受到机制砂标准对石粉含量的限制，多余石粉的处理方式多为堆置或者填埋，不仅浪费资源而且污染环境。天然岩石粉中以石灰石粉最有代表性。石灰石粉具有减水效应和微集料效应，作为掺合料取代水泥后能显著改善混凝土的工作性和致密性，因此得到较为广泛的应用。目前对天然岩石粉的研究，以石灰石粉较为充分，其它岩石粉的研究则较少。为最大限度地将地域性材料利用起来，研究其它岩石粉及其复合矿物掺合料的基本性能具有重大意义。

1.原材料：

（1） 水泥： P·Ⅰ42.5，比表面积 349 ㎡/kg，密度 3.15g/cm3，细度（80 μm 筛筛余）为 0.9%。

水泥的主要化学成分（%）

水泥的主要物理力学性能

（2） 粉煤灰： Ⅱ级，烧失量 2.5%，7 d 活性指数 71%、28 d活性指数 74%，细度（45 μm 筛筛余）13%，需水量比 100%。

（3） 矿渣粉： S95 级，烧失量 0.4%，7 d 活性指数 63%，28 d活性指数 101%。

（4） 天然岩石粉： 陕西瑞德宝尔公司的片麻岩石粉（P）、新疆的玄武岩石粉（X）、广西江门的花岗岩石粉（H）和云南的石灰石粉（S）。

天然岩石粉的粒径分布（%）

天然岩石粉的化学成分（%）

现行标准对石粉的限值主要设定依据为 MB 值，MB 值的主要影响因素有含泥量、SiO2 和 Al2O3 总含量、样品量和黏土质物质含量。花岗岩石粉和片麻岩石粉 SiO2 和 Al2O3 含量在 80.00%以上，MB 值均较高，200 g 试样的 MB 值分别为2.55 g/kg 和 3.25 g/kg。

玄武岩石粉二者含量为 73.45%，MB 值为 0.4 g/kg，石灰石粉二者含量最低为 9.04%，MB 值最小为0.2 g/kg。MB 值大，SiO2 和 Al2O3 含量也高，但 SiO2 和 Al2O3 含量高，MB 值不一定大，SiO2 和 Al2O3 含量只是影响 MB 值的一个因素。石灰石粉主要由钙质的白云石组成，其它岩石粉主要矿物组成为石英和长石。

（5） 砂： ISO 连续级配标准砂。

2.试验方法及方案：

（1）试验方法：

流动度比和活性指数参考 GB/T 2419—2005《水泥胶砂流动度测定方法》和 GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO 法）》进行测试。

（2）试验方案：

片麻岩石粉与不同掺合料的复合

为确定片麻岩石粉与不同的矿物掺合料复合后对水泥胶砂流动性和力学性能的影响，选取能改善流动性的应用最广的Ⅱ级粉煤灰、对强度有所改善的 S95 矿渣粉和目前大量使用的掺合料石灰石粉。

麻岩石粉与其它掺合料种类试验方案（%）

不同岩石粉与粉煤灰的复合

为最大限度地将天然岩石粉利用起来，研究粉煤灰少量 取代岩石粉对水泥胶砂性能的影响。对比片麻岩石粉、玄武岩 石粉、花岗岩石粉和石灰石粉 4 种不同天然岩石粉与粉煤灰 复掺对水泥胶砂流动性和强度的影响。

粉煤灰复合试验方案（%）

1.对水泥胶砂流动性的影响

片麻岩石粉与不同矿物掺合料复合对水泥胶砂流动性的影响

由上表可知，片麻岩石粉和粉煤灰复合对流动性改善最 好，粉煤灰掺量从 10%增加到 20%，水泥胶砂流动度不变，可 见片麻岩石粉与煤灰复合对水泥胶砂工作性的改善存在极限 值，当达到极限值后，继续增加粉煤灰掺量对工作性基本无改 善；矿渣粉组和石灰石粉组的变化规律相同，随其掺量增加， 流动性增加，工作性得到改善，但都不如粉煤灰改善效果好。

因为粉煤灰颗粒形貌比水泥光滑，在水泥胶砂凝胶体系中起 到滚珠作用增加流动性，具有一定的减水作用。

不同岩石粉与粉煤灰复合对水泥胶砂流动性的影响

由上表可知，片麻岩石粉组和花岗岩石粉组的变化规律 相同，随粉煤灰掺量的增加，流动度比逐渐增加，流动性得到 改善，当粉煤灰掺量为 30%时片麻岩石粉组水泥胶砂流动度 比为 92%，比不掺时提高了 10%；玄武岩石粉流动性是 4 种 岩石粉中最好的，玄武岩石粉组加入 10%粉煤灰后对流动性 有降低作用，随粉煤灰掺量的增加，流动度比先增大再减小， 复合效果不如单掺玄武岩石粉好；石灰石粉本身具有减水作 用，不掺粉煤灰情况下流动性稍弱于玄武岩石粉，随着粉煤灰 掺量的增加，流动性先增加后减小，粉煤灰掺量 10%时的流 动性最好。

2.对水泥胶砂力学性能的影响

不同矿物掺合料对片麻岩石粉水泥砂强度的影响

由上表可知，随着各掺合料掺量的增加，除掺石灰石粉组 7 d 抗压强度呈降低趋势外，其它组抗压强度均提高；矿渣粉 组对强度提升程度最大，矿渣粉掺量 10%组 28 d 抗压强度较 P-O 组提升 21%，20%掺量提升 46%，粉煤灰组和石灰石粉组 抗压强度随掺合料掺量增加增幅不明显。抗折强度发展规律 为：矿渣粉组的抗折强度最高，石灰石粉组最差，随掺量增加，除石灰石粉 7 d 强度下降外其它组均呈增长趋势。7 d 抗折强度增长规律为：矿渣粉组正增长、粉煤灰组基本不变、石灰石粉组负增长；28 d 抗折强度发展规律：各组均随掺量增加而提高，矿渣粉组的强度最高，粉煤灰组和石灰石粉组基本保持一致。

不同岩石粉与粉煤灰复合的影响

掺不同种类岩石粉与粉煤灰复合后的水泥胶砂抗压、抗 折强度分别见表1和表2。

表1：不同岩石粉与粉煤灰复合对胶砂抗压强度的影响

由上表可知，片麻岩石粉水泥胶砂的 7 d 抗压强度在 20%粉煤灰掺量下略有提高，其它掺量下有所下降，28 d 抗压 强度随着粉煤灰掺量的增加而提高；粉煤灰对玄武岩石粉水 泥胶砂 7 d 和 28 d 的抗压强度影响规律相似，均在粉煤灰 20%掺量时达到最大；掺粉煤灰对花岗岩石粉和石灰石粉水 泥胶砂 7 d 和 28 d 的抗压强度影响较小，粉煤灰掺量改变，抗 压强度变化范围在 2 MPa 以内，敏感性较差。

表2：不同岩石粉与粉煤灰复合对胶砂抗折强度的影响

由上表可知，对于 7 d 抗折强度，粉煤灰掺量 0 时，掺不 同岩石粉的水泥胶砂抗折强度相差 0.5 MPa 以内，粉煤灰掺 量 20%时，不同岩石粉抗折强度相差 1.0 MPa 以内。石灰石粉 组抗折强度在 10%掺量时达到最大、其它岩石粉组在 20%掺 量时达最大。28 d 抗折强度发展规律：石灰石粉组强度发展 最快，随掺量增加，28 d 抗折强度降低，但下降幅度不大，在 0.5 MPa 以内；片麻岩石粉组和花岗岩石粉组掺量 20%以内， 粉煤灰掺量增加抗折强度提高；玄武岩石粉组在 30%掺量时 抗折强度最高。

掺不同种类岩石粉的胶砂活性指数

由上表可知，对于 7 d 活性指数，石灰石粉在粉煤灰掺 量 30%时最大，其它岩石粉在粉煤灰掺量 20%时最佳；28 d 活性指数，片麻岩石粉和玄武岩石粉在粉煤灰 20%掺量时最 佳，花岗岩石粉在粉煤灰掺量 20%时最小，其它掺量下变化 不大；龄期相同时石灰石粉的活性指数为 4 种岩石粉中最低。 相同情况下石灰石粉后期活性指数比 7 d 活性指数高，片麻 岩石粉组和玄武岩石粉组在 0%和 20%粉煤灰掺量下，7 d 活 性指数比 28 d 高，10%粉煤灰掺量下后期活性指数更高，30% 粉煤灰掺量下片麻岩石粉组后期活性指数更高，玄武岩石粉 组 2 个龄期活性指数相同；花岗岩石粉组在 30%粉煤灰掺量 下后期活性指数提高 1%，其他粉煤灰掺量下，7 d 活性指数 比 28 d 高。

3.机理分析

复合胶凝体系中，粉煤灰掺量在小范围内改变，不同岩石 粉水泥胶砂对其敏感度不一样。粉煤灰掺量的改变，玄武岩石 粉组活性指数波动范围大，最大值比最小值增加了 30%左 右，其它岩石粉组均在 10%范围以内。粉煤灰具有火山灰效 应，在后期会与水化产物氢氧化钙发生二次水化，生成致密 凝胶体，使微结构更密实。复合掺合料对强度的影响主要体现 在颗粒效应和协同效应上。矿物掺合料等量取代水泥后，因其 颗粒粒径更小，容易填充水泥颗粒空隙，增加了水泥胶砂的密 实度，使结构更致密。玄武岩石粉最细，比表面积达 502㎡ /kg， 细度越细填充效果越好。当加入比表面积和水泥相当的粉煤灰时，增加了体系的粗颗粒，致使强度波动较大。

（1）掺不同种类的岩石粉，其水泥胶砂流动度也不相同， 总体而言，石灰石粉和玄武岩粉的流动度较大，片麻岩粉和花 岗岩粉的流动度较小。随着粉煤灰掺量的增加，片麻岩石粉复 合掺合料的流动性逐渐改善，但粉煤灰掺量达到某个定值后 趋于稳定。

（2）在粉煤灰掺量较小的情况下，不同岩石粉对粉煤灰的 敏感度不一样。玄武岩石粉的敏感度最大，粉煤灰掺量改变， 玄武岩石粉组活性指数最大值比最小值增加了 30%，其它岩 石粉组则均在 10%范围以内。

（3）通过与粉煤灰和矿渣粉的复合，可以改变片麻岩粉的 活性指数和流动性。矿渣粉对强度的贡献率较高，粉煤灰可以 改善工作性。