楊淮 朱藝婷 喬 峰 施偉仁 林 越 盧沈力

（福建江夏學(xué)院工程學(xué)院，福建 福州 350108）

0 引言

我國建筑結(jié)構(gòu)以鋼筋混凝土為主體，砂石用量巨大。根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)，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(jī)制砂正逐步成為主力砂源。機(jī)制砂生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生10%～20%的石粉，石粉指粒徑在75μm以下的粉體，根據(jù)母巖性質(zhì)不同，主要分為鈣質(zhì)石粉和硅質(zhì)石粉。鈣質(zhì)石粉性質(zhì)與常用礦物摻合料接近，人們對其的研究多、深入，對其應(yīng)用也較為廣泛，相關(guān)規(guī)范文件也較全面。2013年以來已發(fā)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(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T-218）等4份相關(guān)規(guī)范或規(guī)程。而石英巖、花崗巖、凝灰?guī)r和片麻巖的破碎產(chǎn)物均以硅質(zhì)石粉為主，此類石粉產(chǎn)量大，對其性能的研究亟待進(jìn)一步拓展和加強(qiáng)。本文在介紹硅質(zhì)石粉活性的基礎(chǔ)上，對硅質(zhì)石粉的應(yīng)用現(xiàn)狀及其對砂漿性能的影響進(jìn)行闡述，為加快硅質(zhì)石粉的資源化利用提供技術(shù)依據(jù)。

1 硅質(zhì)石粉的活性研究

硅質(zhì)石粉以SiO2、Al2O3為主要礦物成分。其余礦物成分中，CaO含量遠(yuǎn)低于水泥，F(xiàn)e2O3、MgO等含量與水泥接近。水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2會(huì)改變硅質(zhì)石粉中的SiO2表面結(jié)構(gòu)，提高石粉溶解性，進(jìn)而促進(jìn)石粉活性提升。但硅質(zhì)石粉總體活性較低，通常通過摻入改性劑以進(jìn)一步激發(fā)其活性，主要以堿性激發(fā)劑為主。堿性激發(fā)劑可以促進(jìn)硅質(zhì)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(jié)構(gòu)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(dòng)性的影響，發(fā)現(xiàn)相較于NS改性劑，CL改性劑對砂漿流動(dòng)度的提升較為明顯，兩種改性劑對力學(xué)性能都有一定的提升效果。黃紹龍等人[2]利用堿激發(fā)原理，選用水玻璃提高水泥-花崗巖石粉體系凈漿的抗壓強(qiáng)度和流動(dòng)性能，確定了最優(yōu)的水玻璃模數(shù)和摻量。郝彤等人[3]對比了Ca(OH)2和水玻璃兩種堿性激發(fā)劑對花崗巖石粉砂漿性能的影響，結(jié)果表明在大取代率試驗(yàn)組中，激發(fā)劑的使用能夠使力學(xué)性能在一定范圍內(nèi)得到提升。

由以上研究看來，硅質(zhì)石粉活性較低，可在水泥基材料水化后期，與水化產(chǎn)物反應(yīng)提升活性。但用于對強(qiáng)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(shí)，可以在堿性激發(fā)作用下進(jìn)一步提升其活性。

2 硅質(zhì)石粉的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 硅質(zhì)石粉在國內(nèi)的應(yīng)用現(xiàn)狀

我國針對硅質(zhì)石粉在水泥基材料中的應(yīng)用研究目前主要集中于用其取代砂漿和混凝土中細(xì)骨料、水泥或礦物摻合料。使用石粉替代細(xì)骨料，并不會(huì)減少水泥的用量，不能很好地解決環(huán)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(huán)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(chǎn)過程帶來的環(huán)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(zhì)石粉活性較低，用于混凝土中對強(qiáng)度有較高要求時(shí)會(huì)進(jìn)一步限制其摻量，因此硅質(zhì)石粉更適用于摻加在砂漿中。

2.2 硅質(zhì)石粉在國外的應(yīng)用現(xiàn)狀

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

3 硅質(zhì)石粉對砂漿性能的影響

硅質(zhì)石粉在砂漿中的應(yīng)用，應(yīng)當(dāng)充分考量由其制備的砂漿是否具有良好的工作性能、力學(xué)性能和耐久性能。

3.1 硅質(zhì)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(xì)骨料和礦物摻合料，試驗(yàn)結(jié)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(dòng)性。張廣田等人[9]通過試驗(yàn)得到花崗巖石粉取代標(biāo)準(zhǔn)砂的最優(yōu)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(dòng)性。楊俊[10]對比了片麻巖石粉和凝灰?guī)r石粉作為礦物摻合料使用時(shí)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(shí)，稠度、保水性和分層度滿足規(guī)范要求，凝灰?guī)r石粉對砂漿工作性能的影響規(guī)律與片麻巖石粉基本相同，但凝灰?guī)r石粉取代率高時(shí)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(jié)果表明擴(kuò)展度隨花崗巖石粉摻量的增加而減少，但可通過調(diào)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(shí)，通過引入改性劑能夠解決水泥基漿體黏稠和流動(dòng)性小等問題。

3.2 硅質(zhì)石粉對砂漿力學(xué)性能的影響

學(xué)者們對硅質(zhì)石粉對砂漿力學(xué)性能的影響主要考慮的變量為石粉細(xì)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(huì)對水泥基材料的強(qiáng)度有顯著影響[12]，且對早期強(qiáng)度的影響更為顯著[13]。部分學(xué)者認(rèn)為花崗巖石粉取代礦物摻合料使用時(shí)，砂漿的抗壓、抗折強(qiáng)度隨摻量的增加而降低[14]，還有部分學(xué)者的研究結(jié)果表明一定摻量的花崗巖石粉可以有效提高砂漿力學(xué)性能[15-16]，即存在石粉最優(yōu)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(qiáng)度降幅較大。RMMADJI C等人[17]用10%的花崗巖石粉替代水泥，試驗(yàn)結(jié)果表明低于10%摻量的花崗巖石粉對砂漿的長期強(qiáng)度不會(huì)造成不良影響。姚楚康[18]研究表明，石粉細(xì)度增大時(shí)，其活性指數(shù)也隨之增加，但當(dāng)細(xì)度超過300m2/kg時(shí)，活性指數(shù)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(jí)配接近于緊密堆積狀態(tài)，填充了漿體孔隙，從而改善漿體性能。但石粉摻量過大時(shí)，根據(jù)緊密堆積理論，石粉填充效果不再明顯，使得力學(xué)性能降低。

3.3 硅質(zhì)石粉對水泥漿體微觀結(jié)構(gòu)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(chǎn)物和微觀形貌的影響，結(jié)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(chǎn)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(shù)量減少，漿體微觀結(jié)構(gòu)更加致密，因此能夠有效提高水泥漿體的力學(xué)性能。王將華等人[20]通過不同的粉磨時(shí)間獲取不同平均粒徑的石粉，探究粉磨時(shí)間對砂漿微觀結(jié)構(gòu)的影響，見表1。在石粉摻量為15%的情況下，未經(jīng)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(jié)構(gòu)明顯較粉磨40min的試驗(yàn)組更為疏松多孔。結(jié)合激光粒度分析儀的試驗(yàn)結(jié)果可知，未經(jīng)粉磨的石粉大于40μm的顆粒數(shù)量較多，填充效果較差，同時(shí)其水化產(chǎn)物以針狀鈣礬石為主，因此從微觀結(jié)構(gòu)上看密實(shí)度較差。

表1 粉磨時(shí)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(jié)構(gòu)的影響

圖2 石粉細(xì)度對水泥漿體微觀結(jié)構(gòu)的影響

綜上，石粉摻量會(huì)對水泥漿體水化產(chǎn)物類型和數(shù)量產(chǎn)生影響，而石粉細(xì)度會(huì)影響填充效果，從而對微觀結(jié)構(gòu)的密實(shí)度產(chǎn)生影響。

3.4 硅質(zhì)石粉對砂漿耐久性能的影響

硅質(zhì)石粉的細(xì)度和摻量也會(huì)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(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，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(dá)到15%時(shí)，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(jié)果表明，比表面積和粒徑分布小于60μm的石粉顆粒會(huì)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(shí)間相同的情況下，石粉摻量15%的試驗(yàn)組抗干縮性能最優(yōu)。楊俊[10]的試驗(yàn)結(jié)果表明，片麻巖機(jī)制砂石粉取代礦物摻合料的取代率為60%時(shí)，能夠最有效改善水泥砂漿的抗凍性能，而凝灰?guī)r機(jī)制砂取代率為20%～40%的試驗(yàn)組抗凍性最佳。

綜上，石粉母巖種類、摻量、細(xì)度均會(huì)對砂漿的耐久性產(chǎn)生影響。在一定摻量范圍和粒徑分布的情況下，耐久性能會(huì)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(xué)和稀釋等密切相關(guān)，從而改善材料的宏觀性能[21]。

4 硅質(zhì)石粉的應(yīng)用研究展望

目前對于硅質(zhì)石粉的研究尚存在不足之處，還需從以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究：

（1）研究表明硅質(zhì)石粉能夠起到微集料填充效應(yīng)，但當(dāng)石粉大摻量使用時(shí)，微集料填充效應(yīng)不顯著，對于其中機(jī)理，還需要進(jìn)一步開展研究；

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

（3）硅質(zhì)石粉在砂漿中的應(yīng)用研究多集中在工作性能和力學(xué)性能兩方面，對于微觀結(jié)構(gòu)和耐久性能的研究還需進(jìn)一步深入。

5 結(jié)束語

硅質(zhì)石粉是一種可再利用的資源，可以取代水泥基材料中的細(xì)骨料、水泥或礦物摻合料。其本身具有一定礦物活性，但當(dāng)水泥基材料對強(qiáng)度要求較高或需要大摻量使用時(shí)，可以采用堿性激發(fā)劑進(jìn)一步提升其活性。綜合來看，硅質(zhì)石粉用于砂漿中時(shí)，其消納量更大。石粉的母巖種類、摻量、細(xì)度等因素會(huì)對砂漿的工作性能、力學(xué)性能、微觀結(jié)構(gòu)和耐久性產(chǎn)生影響。通過一系列試驗(yàn)研究已經(jīng)得到了最優(yōu)摻量和細(xì)度范圍。