花崗巖石粉細度與砂漿強度灰熵分析

張云升, 胡向楠, 薛翠真

(蘭州理工大學 土木工程學院, 甘肅 蘭州 730050)

隨著我國基礎設施建設的日益發展,對于砂的使用量越來越大,導致不少地區天然砂資源的短缺現象逐漸凸顯,因此使用機制砂代替天然砂勢在必行[1].機制砂在生產過程中不可避免地產生大量石粉,現階段對石粉在水泥基材料中作用的認識不夠清晰和統一,導致行業標準對機制砂中的石粉含量限制差異比較大.因此,石粉利用問題逐漸成為砂石骨料行業和混凝土砂漿行業需迫切解決的問題[2-3].

國內外學者關于石粉在水泥基材料中的應用開展了一定的研究.陸宗平[4]研究表明,機制砂中的石粉能夠改善混凝土的和易性.杜雪劍[5]的試驗結果表明機制砂的級配和粒徑會明顯影響混凝土的工作性能.Sahu A K[6]的研究指出合理使用高效減水劑能夠彌補機制砂中石粉帶來的負面影響.謝開仲等[7]認為機制砂混凝土抗壓與抗折強度隨石粉含量的增加而先變大再變小.孫茹茹、張如林等人[8-9]發現石粉含量是影響機制砂混凝土強度的主要因素.王稷良等[10]研究表明機制砂中的石粉能夠填充混凝土中的孔隙,從而增加混凝土的密實性,提高混凝土的強度.但是就石粉本身而言,尤其是石粉基本顆粒特性及其對水泥基材料宏微觀性能影響的相關研究成果還比較少.

現階段,一般采用比表面積來表征礦物摻合料的細度,但這一指標無法精確描述粉體材料的顆粒分布特征.這是由于粉體材料在一定細度范圍內,即使比表面積一致,其顆粒形貌及分布狀態的不一致將直接影響材料宏觀性能的差異[11-12].因此,將粉體材料磨細到何種程度還未有定論.鑒于此,在測試分析石粉基本性質、顆粒特征和摻石粉砂漿強度性能的基礎上,采用灰關聯熵分析方法,分析石粉顆粒特征對砂漿強度影響的顯著性,并采用SEM分析方法研究石粉對砂漿微觀形貌的影響規律.研究結論可揭示不同石粉顆粒特征對砂漿強度的影響規律,以對石粉顆粒分布進行合理的控制,從而達到理想的活化效果.

1 原材料及實驗方案

1.1 原材料

1) 水泥:采用祁連山水泥廠生產的P·O42.5級普通硅酸鹽水泥.

2) 機制砂:采用榆中縣巴石溝采石場生產的細度模數為3.48的花崗巖機制砂.

3) 石粉:石粉是由實驗室小規模加工而成,首先經過0.075 mm的方孔篩篩得原狀石粉顆粒,再經過行星式球磨機粉磨,最終根據粉磨時間的不同(20、40、60 min)得到3種不同細度的石粉.

采用X熒光衍射分析儀測試水泥和石粉的化學組成,測試結果見表1.

1.2 試驗方法與方案

1) 試驗方法

(1) 顆粒分布測試:采用Mastersizer 2000激光粒度分析儀測試分析不同粉磨時間下花崗巖石粉的顆粒特征.

表1 水泥和石粉化學組成

(2) 砂漿強度測試:砂漿強度試驗方法參照GB/T 17671—2021《水泥膠砂強度檢驗方法》和JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》.采用型號為WHY-3000Z的微機控制壓力試驗機研究花崗巖石粉對砂漿強度的影響規律.

(3) 微結構特征表征:采用日立HITACHISU8010掃描電子顯微鏡研究石粉顆粒特征、石粉摻量及粉磨時間對砂漿微結構特征的影響.并分析不同細度石粉和摻量對水泥砂漿7、28 d抗壓強度及抗折強度的影響規律.石粉摻量分別為0%、5%、10%、15%、20%等量代替水泥.在相同的摻量條件下分別用不同粉磨時間的石粉進行替換.

2) 實驗方案

研究花崗巖石粉摻量及粉磨時間對砂漿7、28 d抗壓強度和抗折強度的影響規律試驗,具體試驗方案見表2.

表2 花崗巖石粉砂漿強度試驗方案

2 粉體材料顆粒特征

水泥與石粉顆粒參數試驗結果見表3,圖1為放大2 000倍石粉顆粒SEM形貌圖.表4為水泥和石粉顆粒分布試驗結果.

由表3和圖1可知,隨著粉磨時間的增加,花崗巖石粉比表面積逐漸增大,面積平均粒徑、d(10)逐漸減小,顆粒中細小顆粒含量增加,表明隨粉磨時間的增大,石粉細度越細.然而當粉磨時間為40 min時,石粉體積平均粒徑、d(50)、d(90)略大于粉磨60 min的石粉顆粒,結合表4以及試驗過程中的現象分析可知,這可能是由于石粉顆粒之間的團聚效應導致小于20 μm顆粒含量的減小和大于40 μm顆粒含量的增加引起的.比表面積、平均粒徑以及d(10)、d(50)、d(90)等可在一定程度上表征粉體材料的粗細程度,但影響粉體材料性能的因素不僅包括其細度、顆粒形態,還與材料內部顆粒分布有緊密關系.

表3 水泥和石粉顆粒參數試驗結果

圖1 放大2 000倍不同粉磨時間石粉顆粒形貌圖Fig.1 The morphology of stone powder particles at different grinding times by magnification of 2 000 times

表4 水泥和石粉顆粒分布試驗結果

由表4可知,未經粉磨的原狀石粉中大于40 μm的顆粒體積分數較多.隨著粉磨時間的增加,粒徑小于10 μm和10～20 μm的顆粒體積分數逐漸上升,20～40 μm顆粒體積分數變化不大,40～60 μm和大于60 μm的顆粒體積分數逐漸減小.與原狀石粉相比,粉磨時間為20、40、60 min的石粉中小于10 μm的顆粒分別增多173.9%、161.2%和190.7%,大于40 μm的顆粒體積分數分別降低81.5%、73.8%和85.1%.由圖2a、b可知,原狀石粉顆粒粒徑為60 μm的顆粒體積分數最高,經粉磨后的石粉顆粒粒徑在15 μm左右體積分數最高.在同一粒徑下,粉磨后石粉對應的顆粒累計體積分數均大于原狀石粉,上述結果表明粉磨后的石粉,小粒徑顆粒體積分數較原狀石粉相對增大.結合表3可知,粉磨后的石粉與原狀石粉相比小于10 μm顆粒體積分數的增加和大于40 μm顆粒體積分數的減小,表現為比表面積的增大和平均粒徑的減小.

圖2 不同粉磨時間下石粉顆粒分布圖

3 砂漿強度試驗結果分析

不同粉磨時間和摻量的砂漿試件在不同齡期下抗壓及抗折強度測試結果如圖3所示(H-0代表基準試件;H-5-0:5表示石粉替代水泥量為5%,0代表未粉磨過的石粉;H-5-20:20代表粉磨時間為20 min的石粉.其他命名方式相同).

如圖3a、b所示,不同方案石粉的摻入對砂漿7、28 d抗壓強度和抗折強度的影響規律基本一致,但影響程度不同.即當粉磨時間相同時,隨著石粉摻量的增加,砂漿強度呈現出先上升后下降的變化趨勢.當石粉摻量相同時,砂漿強度隨石粉粉磨時間的增加而提升.

圖3 摻石粉砂漿強度試驗結果Fig.3 Strength test results of mortar with granite powder

與基準試件相比,當石粉摻量為15%,粉磨時間為0 min時,28 d砂漿抗壓和抗折強度分別降低14.8%、6.7%.這是由于石粉活性較低,由石粉密實填充產生的有利作用弱于由水泥含量降低而導致的內部水化產物含量降低而產生的不利作用,同時石粉的大量存在破壞了材料體系的最緊密堆積,導致水泥砂漿內部孔隙增多.當石粉摻量低于10%時,摻石粉砂漿試件7 d強度均高于基準試件,這說明石粉的摻入提高了砂漿的早期強度.這是由于少量石粉的摻入可填充水泥顆?？紫?此外,石粉也具有一定的吸水性,可降低砂漿內泌水現象,改善水泥漿體與砂子間界面過渡區結構;再次說明,石粉具有“晶核效應”促使C-S-H凝膠結晶,使得水泥水化加快.宏觀上表現為砂漿早期強度的提高.

當不同粉磨時間的石粉等量替代水泥時,7、28 d的砂漿強度均隨石粉粉磨時間的延長而提高.石粉替代量為10%時,粉磨時間為60 min與粉磨時間為20 min的砂漿試件相比,28 d抗壓和抗折強度分別提高了11.76%和23.23%,這是由于石粉磨細后,其復雜的顆粒形貌和合理的比表面積,對砂漿內部孔結構具有一定的填充作用,可改善膠凝材料的二次級配,使得膠凝材料顆粒間形成緊密堆積結構,起到分散(可減水,且使均質)和致密作用.

綜上,石粉的摻入影響了砂漿試件的力學性能,適量的石粉摻入對砂漿的力學性能起到促進作用;石粉細度同樣對砂漿力學性能有一定的影響,相同石粉摻量下,石粉越細砂漿強度越高,綜合考慮摻石粉砂漿強度并最大限度地利用石粉,石粉摻量應在5%～10%,粉磨時間在40～60 min為宜.

4 石粉砂漿力學性能灰關聯熵分析

灰關聯分析是貧信息系統分析的有效手段,是對動態過程發展態勢整體接近性分析方法.但一般灰關聯分析方法在確定關聯度時,是采用計算逐點關聯測度值平均值的辦法來確定關聯度,具有局部點關聯傾向和造成信息損失等缺點[13-14].灰關聯熵分析方法是在灰色關聯分析方法的基礎上提出的.灰關聯熵分析方法引入了灰熵的概念,在灰色關聯分析的基礎上運用信息熵理論對系統中各影響因素之間的相似程度、吻合程度做出定量描述,可以避免灰色關聯分析方法在確定灰關聯度時,由局部點關聯度值控制整個灰關聯傾向而造成的損失[15].

鑒于此,以石粉摻量為15%時,砂漿7、28 d的抗壓和抗折強度活性指數(摻石粉試件強度除以基準試件強度的百分比)為母序列,以不同細度石粉的顆粒參數和顆粒分布參數為子序列進行灰熵分析,以探求不同顆粒參數及粒徑分布對膠凝材料活性的影響,并以此控制石粉的最佳顆粒分布.表5為砂漿強度活性指數與石粉顆粒參數灰熵分析的結果.

由表5可知,顆粒參數對摻石粉砂漿強度的活性指數有顯著影響.石粉各顆粒參數對砂漿7、28 d抗壓強度活性指數和7、28 d抗折活性指數影響規律相同,其顯著性次序分別為:比表面積、面積平均粒徑、d(90)、d(10)、體積平均粒徑、d(50).由此可推斷,石粉的比表面積和面積平均粒徑對試件強度的影響最為顯著,是評價石粉參數的綜合指標.比表面積越大,石粉顆粒的表面形貌越復雜,這一方面可增大材料水化的反應面積,另一方面可加強顆粒之間的黏結咬合力,使不同粉體材料顆粒之間形成最緊密堆積結構.宏觀上表現為力學性能的提高,與前述石粉越細砂漿強度越高相吻合.粒度累積分布(d(10)、d(50)、d(90))對石粉砂漿強度的影響較小,尤其是d(50)的影響顯著性最小,這是由于石粉對砂漿強度的影響還與其顆粒分布有一定的關系.

表6為砂漿強度活性指數與石粉顆粒分布的灰熵分析結果.由表6可知,砂漿強度活性指數與石粉顆粒分布的灰熵值具有有序性.石粉顆粒粒徑分布對砂漿28 d抗壓和7、28 d抗折強度活性指數影響規律相同,順序為(20～40 μm)、(10～20 μm)、(<10 μm)、(40～60 μm)、(>60 μm),對砂漿7 d抗折強度活性指數影響規律順序為(10～20 μm)、(20～40 μm)、(<10 μm)、(40～60 μm)、(>60 μm).表明10～40 μm的石粉顆粒對砂漿強度活性指數的影響較為顯著,對于砂漿強度影響最小的因素是石粉粒徑大于60 μm的分布.

表5 砂漿強度活性指數與石粉顆粒參數灰熵值

表6 砂漿強度活性指數與石粉顆粒分布灰熵值

由上述分析可知,10～40 μm粒徑的顆粒對石粉活性的積極貢獻最大.因此適當增加10～40 μm石粉顆粒含量,減少大于60 μm的顆粒含量對于提高摻石粉砂漿的強度活性指數是有益的.

5 微觀機理分析

圖4為摻石粉砂漿28 d的內部微觀形貌圖.圖4a為石粉摻量5%、粉磨時間為40 min的砂漿內部微觀形貌,與圖4c石粉摻量15%、粉磨時間為40 min的砂漿相比,結構更為密實,內部無明顯裂紋和孔洞,可明顯看到片狀的水化產物Ca(OH)2和大量的具有膠凝作用的C-S-H及粘結在漿體上的石粉顆粒.圖4b為石粉摻量15%、粉磨時間為20 min的砂漿微觀形貌,與圖4c相比,試件內部出現較明顯裂紋,生成針棒狀鈣礬石(AFt)及片狀Ca(OH)2產物的相對含量降低,宏觀上表現為強度低于粉磨時間為40 min的砂漿強度.綜上所述,過量的石粉摻入可造成裂縫和孔洞,使結構表面粗化,宏觀表現為抗壓與抗折強度的下降,這與強度結果一致.較細的石粉對凝膠體系內部孔隙起到了一定的填充效果,抑制了裂紋數量及寬度的發展,提高了砂漿的強度.

圖4 5 000倍砂漿的微觀形貌圖

6 結論

1) 合適摻量的花崗巖石粉提高了砂漿試件強度,在保證砂漿強度基礎上最大限度地利用石粉,摻量應在5%～10%為宜.

2) 花崗巖石粉比表面積及面積平均粒徑對砂漿強度的影響最為顯著;增加10～40 μm的花崗巖石粉顆粒含量可顯著提高砂漿的抗壓及抗折強度.

3) 合適替代量的花崗巖石粉替代水泥用于砂漿可改善砂漿的內部微觀形貌,提高其密實度,如具有凝膠作用的 C-S-H 增多,裂紋數量和寬度及孔洞明顯減少等.同時較細的石粉進一步提高了砂漿試件內部密實度,水化產物形貌及數量更為合理.