玄武岩石粉部分取代机制砂对干混砂浆性能的影响研究

汪丽娟 孙呈鹏 彭金贵 杨家福 吕汶霞 李元可 乔宏霞

（1甘肃建投矿业有限公司，甘肃 兰州730050；2兰州理工大学土木工程学院，甘肃 兰州730050）

0 引言

砂是建筑行业中最重要的原材料之一，由于建筑用量越来越大，天然砂资源短缺，已难以满足建筑生产需求，使用机制砂取代天然砂成为行业的发展趋势。玄武岩系火山喷发地表之产物，因其出色的抗压抗折条件性能，且耐磨性好，吸水率低，被广泛应用于室外装饰。兰州地区由于玄武岩矿物储量充足，有多家玄武岩矿物开采加工企业，以生产玄武岩碎石和玄武岩机制砂为主。但是在生产加工过程中，产生了大量尾矿即玄武岩石粉，该石粉目前没有成熟的大规模利用手段，且易造成环境污染，严重制约企业的发展。

干混砂浆是一种新型建筑材料，由于其在工厂集中生产，具有应用种类多、质量稳定且绿色环保等特点，被国家广泛推广使用[1-3]。干混砂浆的发展可推动利用尾矿废石、矿渣等固体废料，带动社会经济效应[4-5]。路齐英、杜纪锋等[6]研究了铁尾矿砂对干混砂浆性能的影响，结果表明铁尾矿砂可部分取代天然砂。封培然等[7]研究了固硫灰取代石粉对干混砂浆性能的影响，得出固硫灰的最佳掺量。谢汝朋、李秋义等[8]研究了再生砂对干混砂浆保水性的影响，结果表明通过调整配合比可使砂浆保水性满足要求。为降低干混砂浆生产成本及保护环境，提出了一种使用玄武岩石粉部分取代机制砂作为原材料生产干混砂浆的方法。本文研究了不同强度等级下，玄武岩石粉取代机制砂比率变化对干混砂浆工作性能及力学性能的影响，为玄武岩石粉的大规模运用提供基础。

1 试验原材料及试验方案

1.1 试验原材料

1）水泥：试验所用水泥为P·O42.5普通硅酸盐水泥，其主要性能指标见表1。

表1 水泥性能指标

2）玄武岩机制砂：试验所用机制砂由甘肃建投矿业有限公司生产，其主要性能见表2。

表2 砂子性能指标

3）玄武岩石粉：试验所用玄武岩石粉为机制砂生产过程中的尾矿，取自甘肃建投矿业有限公司。采用0.08mm的筛网筛余率为15.4%，采用0.045mm的筛余率为22.0%。玄武岩石粉的主要化学成分见表3。

表3 玄武岩石粉化学成分

4）粉煤灰：试验选用性能良好的II级粉煤灰，由兰州二热厂生产，其主要性能指标见表4。

表4 粉煤灰性能指标

5）外加剂和水：外加剂选用江苏苏博特公司生产的SJJ®-M（I）（增强、保水）水泥砂浆增塑剂，砂浆所用的拌合水为甘肃省兰州市自来水，各项指标均满足规范要求。

1.2 试验方案

采用上述原材料配制强度等级为M5、M10、M15和M20的干混砌筑砂浆，设计使用不同比例的玄武岩石粉取代机制砂，研究以0%、10%、20%、30%、40%、50%玄武岩石粉取代机制砂对干混砌筑砂浆工作性能和力学性能的影响。试验所用配合比见表5。

表5 玄武岩石粉干混砌筑砂浆配合比

试验步骤如下：首先将原材料按照表4的用量准确称取后放入搅拌机内搅拌1～2min得到干粉料拌合物，再加入水搅拌3min后得到砂浆拌合物，之后进行砂浆的稠度测试。根据JGJT98-2010《砌筑砂浆配合比设计规程》[9]规定，在试配干混砌筑砂浆时，砂浆稠度应保持在70～80mm。待确定满足规范稠度的用水量后，对砂浆进行保水性、凝结时间以及表观密度的测试，之后制备28d抗压强度试块并放入养护箱养护，待龄期达到规范要求后进行强度测试。干混砌筑砂浆各性能的按照JGJ/T70-2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》的规定进行测试。

2 试验结果及分析

2.1 石粉对水泥性能影响

玄武岩石粉部分取代水泥对水泥性能的影响如图1。

图1 玄武岩石粉取代率对水泥性能影响

由图1可知，随玄武岩石粉取代率升高，水泥的标准稠度用水量上升，水泥的初凝和终凝时间均有所提高，初凝终凝时间间隔变化不大。这是因为由表3可得玄武岩石粉主要成分是二氧化硅，其活性较低，未经碱激发的玄武岩石粉仅起到惰性填料作用，对水泥水化影响较小，而掺入玄武岩石粉后由于标准稠度用水量的变化导致水泥净浆水灰比提高，使水泥初凝终凝时间提高。

2.2 石粉掺量对干混砌筑砂浆工作性能的影响

根据上述试验方案及试验步骤，不同强度等级掺玄武岩石粉干混砌筑砂浆在保持稠度为70-80mm时所需用水量及保水性能的变化趋势如图2所示。

由图2可得，使用玄武岩石粉取代机制砂后，随取代率的增加，砂浆保持规定稠度所需的拌合用水不断增加。未掺加玄武岩石粉时，砂浆的用水量最低。砂浆的保水性指砂浆保全水分的能力，保水性差的砂浆容易出现泌水和离析，本次试验中的各配合比砂浆保水性均大于90%，凝结时间均在4-8h之间，满足GB/T25181-2010《预拌砂浆》[10]中所规定的干混砌筑砂浆保水性≥88%以及凝结时间在3-9h之间的要求。从图2还可以看出，在相同替代率下，干混砂浆的强度等级越高，保持规定稠度所需的用水量越多，使用玄武岩石粉部分取代机制砂后，干混砂浆的保水性总体呈增加趋势。

造成砂浆性能变化的原因是与机制砂相比，玄武岩石粉的粒径小，在使用玄武岩石粉取代机制砂后，骨料的总比表面积增大，使干混砂浆达到规定稠度所需的拌合用水增加。当强度等级相同时，玄武岩石粉的掺量越多，集料中的细颗粒含量越多，且石粉对水的吸附能力较机制砂更强，则砂浆的保水性提高。

不同强度等级的掺玄武岩石粉干混砌筑砂浆的凝结时间及表观密度随石粉取代率的变化见图3。

图2 干混砂浆的用水量和保水性随石粉替代率的变化曲线

图3 干混砂浆的凝结时间和表观密度随石粉替代率 的变化曲线

水泥与水之间的水化反应是影响砂浆凝结的主要原因，然而干混砂浆的凝结时间与砂浆所用水泥的凝结时间大部分情况下是不一致的。由图3中干混砂浆凝结时间变化曲线可得，使用玄武岩石粉取代机制砂后，砂浆的凝结时间有所降低，但降低幅度较小。随着砂浆强度等级的变化，凝结时间的变化幅度较大。由图3还可得，在使用玄武岩石粉取代机制砂后，干混砂浆的表观密度呈下降趋势。在取代率为30%之内时，砂浆表观密度下降幅度较小。未使用玄武岩石粉时，M5、M10、M15、M20砂浆的表观密度分别为2285.6、2283.4、2298.3、2264.1kg×m-3，玄武岩石粉取代率为30%时，表观密度分别为2246.3、2266.1、2285.4、2281.6kg×m-3。在玄武岩石粉取代机制砂的比率超过30%后，干混砂浆表观密度下降幅度较大。

这是因为砂浆的凝结硬化主要受到水泥水化产物向空间的填充作用影响，即凝结时间主要由水灰比影响，故玄武岩石粉取代率变化对凝结时间影响较小，砂浆的强度等级对凝结时间影响较大。而干混砂浆表观密度的变化是因为拌合水用量增加后使得砂浆的孔隙率增大，故表观密度降低。

2.3 石粉掺量对干混砌筑砂浆力学性能的影响

使用玄武岩石粉取代机制砂所制备的干混砂浆28d抗压强度的变化规律如图4所示。

图4 干混砂浆28d抗压强度随石粉替代率的变化曲线

由图4可得，使用玄武岩石粉部分取代机制砂后，各强度等级干混砂浆的28d抗压强度均低于未使用玄武岩石粉时的28d抗压强度。这种趋势与混凝土有所差别，在混凝土中掺加适量石粉有利于混凝土的抗压强度[12-13]。同时由图可得，在玄武岩石粉取代机制砂的比率在30%以内时，砂浆抗压强度虽然有所降低，但降低的幅度较小，强度等级M5、M10、M15、M20在玄武岩石粉取代率为30%时的抗压强度分别为7.1MPa、13.8MPa、18.3MPa、22.6MPa，除M20强度干混砂浆外，均满足规范所要求的强度，而当玄武岩石粉取代机制砂的比率大于30%后，砂浆抗压强度降低幅度较大，抗压强度不能满足规范的要求。故使用玄武岩石粉取代机制砂制备干混砂浆时，玄武岩石粉的取代率不宜大于30%。

造成砂浆与混凝土趋势不同的原因主要是砂浆未使用粗骨料，石粉对骨料间空隙填充的效果不明显，且由于石粉含量的增加，为使砂浆和易性满足使用要求，砂浆拌合用水增加，强度等级相同时砂浆的胶凝材料用量不变，即砂浆的水灰比随玄武岩石粉含量增加而变大，使干混砂浆抗压强度降低[14]。

2.4 石粉对干混砌筑砂浆形貌影响

取玄武岩石粉试样以及未掺加玄武岩石粉和使用玄武岩石粉50%等量取代机制砂所制备的干混砂浆养护28d后试样，进行扫描电镜试验。玄武岩石粉、未掺加玄武岩石粉干混砂浆及掺加玄武岩石粉干混砂浆的SEM图如图5所示。

由图5可得，玄武岩石粉颗粒较为圆滑，针状颗粒含量较少，表明石粉受力性能较好，可作为砂浆原材料。而从SEM图中可得，石粉对砂浆的微观结构并未产生明显影响，表明玄武岩石粉活性低，对水泥水化影响较小，不能明显改善砂浆的微结构。

图5 玄武岩石粉及干混砂浆微观形貌

4 结论

1）通过玄武岩石粉化学成分分析以及使用玄武岩石粉所制备干混砂浆的微观结构分析可得，玄武岩石粉本身活性较低，未经碱激发的石粉加入干混砂浆中时仅可充当惰性填料，对水泥水化影响较小。

2）使用玄武岩石粉取代机制砂后，干混砂浆的各项工作性能有所变化，其中砂浆的保水性能有所提高，而凝结时间和表观密度有部分降低，但均可满足规范要求。砂浆拌合用水及表观密度在玄武岩石粉取代率为30%之前，变化幅度较小，取代率超过30%之后变化幅度较大。

3）使用玄武岩石粉取代机制砂时，石粉对骨料间空隙填充效果较小，砂浆的28d抗压强度有所降低，同样在取代率为30%之前，降低幅度较小，砂浆力学性能满足规范要求，在取代率超过30%后，抗压强度降低幅度较大，不能满足规范要求。

4）综合分析玄武岩石粉对干混砂浆各性能的影响规律可得，使用玄武岩石粉部分取代机制砂可以得到满足规范要求和使用要求的干混砂浆配合比，玄武岩石粉取代机制砂的比率不宜超过30%。