内蒙古砒砂岩的性能及其对水泥力学性能影响的研究

2015-03-23董晶亮张婷婷王立久李长明

中国水土保持 2015年7期

关键词：胶砂水胶抗折

董晶亮，张婷婷，王立久，李长明

(大连理工大学建设工程学部，辽宁大连 116024)

内蒙古砒砂岩的性能及其对水泥力学性能影响的研究

董晶亮，张婷婷，王立久，李长明

(大连理工大学建设工程学部，辽宁大连 116024)

砒砂岩；矿物组成；初凝时间；水泥胶砂；抗折强度；抗压强度

砒砂岩地区是黄河泥沙的主要来源地之一。为了实现对砒砂岩的资源化利用，对砒砂岩基本物理化学性质进行了研究，并探讨了其作为混凝土掺合料的可行性。通过X射线荧光光谱分析(XRF)、X射线衍射分析(XRD)和扫描电镜(SEM)研究发现，红色、白色砒砂岩的矿物成分差别不大，主要包含石英、长石、蒙脱石、高岭土、方解石等，还含有一定量活性的SiO2、Al2O3和CaO(能够促进水泥水化)。砒砂岩作为水泥掺合料对水泥胶砂性能影响的研究试验结果表明，掺入砒砂岩会缩短水泥的初凝时间，掺量30%时初凝时间会缩短69%；当砒砂岩掺量不多于20%时水泥胶砂的28 d抗压强度和抗冻性能会提高，当掺量大于20%时水泥胶砂的抗压强度和抗冻性能(冻融循环后抗压强度)会显著降低。同时，研究还发现掺入砒砂岩会显著提高水泥胶砂28 d抗折强度。

内蒙古鄂尔多斯市东胜区、准格尔旗、伊金霍洛旗、达拉特旗和陕西省神木县、府谷县是黄河流域主要砒砂岩地区，面积约1.17万km2，也是黄河泥沙的主要来源地之一[1]。砒砂岩干燥时坚硬如石，但由于遇水迅速溃散，所以砒砂岩地区在雨水季节水土流失异常严重，每年向黄河的输沙量达1亿t。为此，黄河流域水土保持工作必须加强对砒砂岩地区的治理[2-5]，而当务之急是弄清砒砂岩的基本理化性质，进行砒砂岩改性研究(改变其遇水溃散的特点)或者实现其资源化利用。

许多学者对砒砂岩的性质和砒砂岩地区的治理进行了大量研究工作[5-9]，比如唐政洪等[10]研究表明砒砂岩地区严重的水土流失是由于风蚀、水蚀和重力侵蚀的交互作用引起的，而砒砂岩成岩程度及结构强度低，加剧了该地区的水土流失；石迎春等[11]研究表明砒砂岩主要的矿物为不稳定的亲水黏土物质，同时颗粒尺寸不同、无定向排列和高孔隙率的微观结构特征减弱了其抗侵蚀的能力。但是学者们关于砒砂岩矿物成分没有一致的结论，没有明确其遇水溃散的根本原因。本研究计划通过材料分析方法对砒砂岩基本理化性质进行系统研究，用土工试验方法分析其粒度构成，用X射线荧光光谱分析(XRF)、X射线衍射分析(XRD)和扫描电镜(SEM)明确其基本物理化学性能和微观结构，以探讨砒砂岩遇水溃散的机理。并且，通过研究砒砂岩粉末作为混凝土掺合料对混凝土凝结时间、抗折抗压强度和抗冻融性能的影响来探索砒砂岩作为混凝土掺合料的可行性，以期能为砒砂岩地区水土流失治理和砒砂岩资源化利用提供参考。

1 试验准备

1.1 试验材料

试验使用的水泥是来自大连小野田水泥有限公司的普通硅酸盐42.5级水泥。试验用砂为ISO标准砂。白色和红色砒砂岩均取自内蒙古鄂尔多斯市东胜区。

1.2 试验方法

按照土工试验规范测试了砒砂岩的原岩抗压强度，以及红色和白色砒砂岩的粒度分布，并利用X射线荧光光谱分析仪、X射线衍射仪和扫描电镜对砒砂岩进行氧化物、矿物成分和微观结构分析。

将红色和白色砒砂岩对半混合利用球磨机进行磨细，7 d后过80 μm筛，取过筛后的砒砂岩粉末作为水泥胶砂掺合料。按砒砂岩等量取代水泥(0、10%、20%、30%)和水胶比(0.28、0.32、0.36、0.40)进行试验。将固体料混合、预拌，利用胶砂搅拌机进行预搅拌，再加水搅拌45 s；将搅拌好的浆体装入40 mm×40 mm×160 mm的三联钢模中，放入养护箱(温度20 ℃、相对湿度95%)中养护，并测定初凝时间；第二天拆模，在水中养护28 d后进行测试。

2 试验结果与分析

2.1 砒砂岩的粒度分布

红色、白色砒砂岩的颗粒粒度分布见图1。由图1知，白色砒砂岩比红色砒砂岩颗粒分布更加均匀，约92%的颗粒分布在2.5 mm以下，主要集中在0.5～2.5 mm；红色砒砂岩约62%的颗粒分布在2.5 mm以下，其0.13 mm以下颗粒含量(20%)明显多于白色砒砂岩(9.5%)。

图1 红色、白色砒砂岩的颗粒粒度分布

2.2 X射线荧光光谱分析

用X射线荧光光谱仪分析红色、白色砒砂岩氧化物结果见表1。可以发现，红色、白色砒砂岩在氧化物成分上非常相似，都是以SiO2和 Al2O3为主(合计接近80%)；两者的SiO2、 Al2O3质量分数非常相似，相对来说CaO和Fe2O3质量分数差别较大，这可能就是造成红、白砒砂岩颜色不同的原因。

表1 红色和白色砒砂岩的化学成分 %

2.3 X射线衍射分析

图2为红色、白色砒砂岩的XRD衍射图谱。红色和白色砒砂岩都含有石英、蒙脱石、长石、沸石、云母、绿锥石、氧化铁、叶蜡石等。图谱显示除红色砒砂岩含有少量高岭土外，红色、白色砒砂岩的物相基本相同；白色砒砂岩石英衍射强度要远远高于红色砒砂岩，这说明白色砒砂岩中石英的结晶度要远高于红色砒砂岩，即白色砒砂岩中石英发育更好。

图2 红色、白色砒砂岩的衍射图谱

2.4 砒砂岩原岩的微观结构

图3为砒砂岩的SEM形貌图片。从图中可以看出，砒砂岩微观结构致密性非常差，基体充满大量宏观裂缝和孔洞；有些裂缝贯穿基体，裂缝宽度达到0.2 mm；颗粒和颗粒之间胶结很差，只能依靠颗粒与颗粒间的摩擦力和机械咬合力，以及亲水性黏土物质的弱胶结力结合在一起，导致其抗压强度很低。此外，通过原岩抗压强度测试白色砒砂岩抗压强度约为1.1 MPa，而红色砒砂岩约为2.2 MPa。

图3 砒砂岩的SEM形貌图片

2.5 砒砂岩掺量对水泥初凝时间的影响

砒砂岩掺量对水泥初凝时间影响的试验结果见图4。从图4可以看出，砒砂岩的掺入能够显著降低水泥的初凝时间，并且随着掺量的增加，其影响越显著。当砒砂岩掺量为0时，水泥初凝时间为65 min；随着掺量的增加(10%、20%、30%)，初凝时间逐渐降低为58、45、19 min。这可能是由于砒砂岩中含有亲水物质，能够吸附大量的自由水，使得水泥的流动性能大大降低，从而导致水泥初凝时间大幅度降低[12]。为满足国标规定的水泥初凝时间不小于45 min，砒砂岩在水泥中的掺量不能大于20%。

图4 砒砂岩掺量对初凝时间的影响

2.6 砒砂岩掺量、水胶比对水泥抗折、抗压强度的影响

图5是砒砂岩掺量和水胶比对水泥28 d抗折强度影响的试验结果。当砒砂岩掺量为0时，水泥净浆抗折强度随水胶比的增大呈现先减后增的趋势：当水胶比从0.28增大到0.36时，抗折强度降低了约25%；当水胶比从0.36增大到0.40时，抗折强度又有所提高。然而当掺入砒砂岩后，水泥胶砂抗折强度随水胶比增大大致呈现先增后减的趋势。当砒砂岩掺量为30%，水胶比为0.28～0.36时水泥胶砂的抗折强度随水胶比增大而提高，水胶比0.36时的抗折强度比水胶比0.28时提高了约25%，之后水胶比为0.36～0.40时水泥胶砂的抗折强度又随水胶比的增大而降低。在相同水胶比(0.32～0.40)情况下，掺入适量的砒砂岩可以提高水泥的抗折强度，尤其是在砒砂岩掺量10%、水胶比0.32的情况下效果最为明显，相比水泥净浆，其抗折强度增加了34.6%。但是砒砂岩对水泥抗折强度的这种提高作用会随着砒砂岩掺量的增加而减弱，在砒砂岩掺量为10%时其对抗折强度的增强效果最为明显。

图5 砒砂岩掺量和水胶比对水泥抗折强度的影响

图6是砒砂岩掺量和水胶比对水泥28 d抗压强度影响的试验结果，与两因素对水泥28 d抗折强度的影响规律有明显区别。总体来说，砒砂岩的掺入会降低水泥抗压强度，但是当砒砂岩掺量为10%、20%时，对抗压强度的影响不是很明显：掺量为10%时，会稍微提高水泥抗压强度，相比水泥净浆最大约提高10%；掺量为20%时，会稍微降低水泥抗压强度，相比水泥净浆约降低5%。但是当砒砂岩掺量为30%时，水泥胶砂抗压强度显著降低。随着水胶比增加水泥胶砂抗压强度呈先减后增的变化规律：水胶比0.32时，抗压强度比水胶比0.28时有比较明显的降低；随着水胶比继续增大，抗压强度逐渐提高；在砒砂岩掺量为30%、水胶比为0.40时，出现一个反常的抗压强度降低区域，这可能是砒砂岩和水分含量过高，大量蒙脱石吸收水分膨胀后对基体产生损伤导致的。

图6 砒砂岩掺量和水胶比对水泥抗压强度的影响

2.7 砒砂岩掺量和水胶比对水泥抗冻性能(耐久性)的影响

图7为水泥试样在冻融循环机中冻融循环25次后测试的28 d抗压强度结果。对比图6、7可以看出，经过冻融试验后水泥的抗压强度都出现了一定程度的降低。水胶比对抗压强度的影响规律并没有受到冻融的影响，但是砒砂岩掺量对抗压强度的影响在冻融试验后发生了显著的变化。在砒砂岩掺量为10%和20%时，试样冻融循环25次后的抗压强度要高于水泥净浆的抗压强度，但是当砒砂岩掺量为30%，试样冻融循环后的抗压强度出现大幅度降低，这是因为适量的砒砂岩能够促进水泥水化，并且基体内亲水黏土溶解可以为水结冰产生的体积膨胀提供空间从而减少对基体产生的损伤，但是当砒砂岩掺量过高时，水泥基体受到水结冰体积膨胀和蒙脱石遇水体积膨胀双重影响，因而强度出现大幅度下降。因此，当砒砂岩掺量不超过20%时，能够提高水泥的耐久性能。

图7 砒砂岩掺量和水胶比对水泥抗冻性能的影响

3 结论

综合砒砂岩物理化学分析结果可以得出：造成西北内蒙古地区砒砂岩遇水溃散的原因是砒砂岩成岩发育非常差，颗粒尺寸分布不均匀，基体存在大量的孔隙结构，孔隙率高，颗粒之间只是靠蒙脱石等亲水黏土物质和简单的机械咬合作用，以及颗粒间的摩擦力聚集在一起，由于其孔隙率高，外界的水和其他有害物质容易侵入基体内部，并对其造成侵蚀。砒砂岩遇水溃散过程可以概括为：当砒砂岩遇水时，由于砒砂岩孔隙率高，水会迅速扩散到基体内部，蒙脱石和高岭土等亲水黏土胶结物在水中发生溶解和膨胀(膨胀率达150%)，使基体结构塌陷且黏土胶结物完全丧失胶结能力，同时水也会降低颗粒间的摩擦力和机械咬合力，因此在自身重力作用下砒砂岩基体就会因完全丧失支撑能力而发生溃散。这也是砒砂岩遇水溃散的根本原因。

综合砒砂岩对水泥初凝时间、抗折抗压强度、抗冻性能影响的试验结果可以得出：砒砂岩粉末作为混凝土掺合料是可行的；在掺量不大于20%时，其能够提高水泥胶砂的抗折强度和耐久性(抗冻融性能)，并且对初凝时间和抗压强度没有明显影响，但是当其掺量超过30%时就会对水泥胶砂各方面性能产生危害，因而砒砂岩粉末的掺入量不能大于20%。砒砂岩作为混凝土掺合料不仅能够节约水泥用量，还能提高混凝土抗折强度和抗冻融性能，并且有助于砒砂岩地区水土流失治理，具有重要意义。

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