机制砂中的石粉特性统计分析研究

章从旭，刘战鳌，李北星

(1.中交路桥建设有限公司，北京 101121；2.武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室，武汉 430070)

机制砂区别于天然砂最显著特点是其破碎生产中产生质量15%～25%的粒径小于 75 μm的石粉[1]。鉴于机制砂中的石粉，尤其是当石粉中混杂有一定量的膨胀性粘土矿物时，将对混凝土拌合物的工作性、外加剂的适应性及硬化混凝土的力学性能、长期性能和耐久性能产生不同程度的有害影响，世界各国或地区标准均对机制砂中石粉含量均进行了限定。其中，中、美、日等国的标准分别规定机制砂石粉含量限值为10%、7%、9%，与印、英、法、澳等国标准中15%～25%的限值相比要严格得多[2,3]。关于机制砂石粉含量限值一直广受争议，不仅不同国家的标准，甚至我国不同地方或不同行业标准相互之间差别也很大[3]，目前尚无一个广泛认可或为大众接受的石粉限值标准。国内外大量研究表明[4-8]，机制砂中不含粘土的石粉是无害甚至是有益的，采用石粉含量高达15%～20%的机制砂亦可以制备出优良性能的混凝土。因此，为在混凝土中有效利用石粉资源，众多学者建议放宽机制砂中石粉的容许含量。然而，机制砂中石粉的来源和岩性往往较为复杂，其理化特性及有害性差异较大。某些粘土矿物譬如伊利土、高岭土，对混凝土的影响基本上是无害或少害的，而某些粘土矿物特别是蒙脱土，由于其高吸附性和高膨胀性，即使含量很低也具有多害性[9-11]。

目前相关标准仅将机制砂亚甲蓝值(MBV)作为评价石粉特性的技术指标，而忽视了石粉的岩性、活性、粒形、粒度、细度与需水性等关键指标及其它们之间的相互关系。事实上，由于机制砂生产工艺的差异性和母岩选材的广泛性，会导致机制砂生产时产生不同性能特点的石粉。为更好地将有益或无害石粉资源用于混凝土中，理解和掌握机制砂中石粉对混凝土性能的影响机制，研究选取多个性能表征指标，对收集的30个机制砂石粉样本的理化特性进行系统测试和表征，并对不同石粉特性指标的变化范围和分布规律进行统计分析。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

1)石粉：石粉系从收集的机制砂样品中采用75 μm方孔筛干筛分离所得，机制砂样有30个，岩性包括石灰岩、花岗岩、白云岩、砂岩、辉绿岩、石英岩、玄武岩、铁尾矿等8种。

2)水泥：PO 42.5水泥，水泥3 d、28 d抗压强度分别为30.3 MPa、51.2 MPa。

3)粉煤灰：F类Ⅱ级粉煤灰，45 μm方孔筛筛余15.5%，需水量比96.0%，SO3含量1.0%，烧失量2.6%，活性指数82.9%。

1.2 试验方法

1)岩性：采用X-射线衍射仪(XRD)对石粉的矿物成分进行定性分析，X-射线荧光分析仪(XRF)对石粉的化学成分进行定量分析。

2)细度：石粉的细度采用45 μm方孔筛筛余和比表面积分别表征。45 μm筛余按GB/T 1345—2005中45 μm负压筛析法进行测定，比表面积按GB/T 8074—2008进行测定。

3)粒度分布：石粉的粒度分布采用Mastersizer 2000型激光粒度仪进行测试，并通过中值粒径D50表征石粉粒度大小。D50表示通过率为50%时所对应的颗粒粒径。

4)粒形：通过扫描电子显微镜(SEM)拍摄石粉颗粒的微观形貌图片，然后使用Image Tool (IT)图像处理软件计算得到石粉颗粒的长径比、圆度和粗糙度等粒形参数[12]。

5)需水性与活性：石粉的需水性与活性分别采用掺石粉胶砂的流动度比和活性指数进行表征，流动度比与活性指数试验按GB/T51003—2014《矿物掺合料应用技术规范》附录B进行，试验样品为石粉和水泥按质量比3∶7混合而成。

6)吸附性：石粉的吸附性采用亚甲蓝值(MBVF)进行表征，旨在反映石粉中的含泥量高低。石粉亚甲蓝值参照EN 933-9:1998[13]进行测试。石粉的MBVF按公式(1)计算

(1)

式中,MBVF为石粉的亚甲蓝值，g/kg，表示每千克0～0.075 mm石粉试样所吸附的亚甲蓝克数；m为石粉试样质量，g；V为所加入亚甲蓝溶液体积，mL。

2 结果与分析

表1是30个石粉样品的主要理化性能测定结果，为对比，表中也列出水泥、粉煤灰两个粉体材料相应的性能结果。

表1 机制砂石粉性能的测试结果

2.1 石粉岩性

不同岩性石粉的本质区别在于矿物成分及含量的不同。图1是基于石粉的矿物组成XRD定性分析和化学成分XRF定量分析的岩性统计分布图(受篇幅所限，XRD和XRF分析结果略)。从图1可以看出：试验所选取的30个机制砂石粉试样中，石灰岩(LS)比例为44%，占比最高，砂岩(SS)、花岗岩(GR)和石英岩(QZ)比例分别为17%、13%和10%，占比排第2、3和4位，而辉绿岩(DB)、玄武岩(BA)、白云岩(DL)等占比较小。上述石粉岩性分布结果与实际情况较为相符，我国机制砂生产与应用使用最为广泛的母岩是石灰岩，其次是花岗岩。

2.2 石粉细度

采用Minitab软件对30个石粉的比表面积和45 μm方孔筛筛余测定结果进行了统计分析。由图2的45 μm筛余统计分布结果可以看出：石粉45 μm筛余分布在9.3%～73.7%之间，平均值为36.4%；45 μm筛余小于45%的石粉占比70%，45 μm筛余小于25%的占比30%。

由图3比表面积统计分布结果显示，石粉比表面积处于104.0～405.2 m2/kg范围，平均值270.9 m2/kg；比表面积超过200 m2/kg 的石粉占比为73.3%，其中比表面积介于300～350 m2/kg(与PO 42.5水泥比表面积相近)的石粉占比为19.2%，比表面积超过350 m2/kg(与Ⅱ级粉煤灰比表面积相近)的石粉占比为17.2%。因此，绝大多数(近80%)石粉的细度低于PO 42.5水泥和Ⅱ级粉煤灰。由此可见，虽然石粉被统一定义为粒径低于75 μm的颗粒，但不同来源石粉的细度差异较大。石粉较大的细度差异，与机制砂母岩岩性、制砂工艺及设备的不同有很大关系。

2.3 石粉粒度分布

从30个石粉样品中选取24个进行激光粒度分布测定，并与水泥和粉煤灰进行对比。根据表1的石粉样品的中值粒径D50结果和图4的统计分布结果可知，石粉D50在 9.4～56.3 μm范围分布，平均值为21.5 μm，标准差为11.32 μm，变异系数为0.527，说明不同石粉的中值粒径变异性较大，粒度分布差异明显。在24个石粉样品中，54.2%的石粉样本的D50低于水泥(为19.6 μm)，91.7%的石粉的D50高于粉煤灰(为10.6 μm)。另外，与水泥粒度分布相比，多数石粉的粒度分布范围更宽，显示石粉在混凝土中具有完善细骨料颗粒级配和填充水泥颗粒空隙的潜在作用[14,15]，进而影响新拌和硬化混凝土的性能。

2.4 石粉粒形

选取8个不同岩性的石粉颗粒进行微观形貌测试，可知不同石粉的圆度值和长径比差异较大，而粗糙度差别较小。SS1(砂岩)和LS1(石灰岩)等沉积岩石粉的圆度值和长径比相对较小，反映其粒形较为圆润，而DB1(辉绿岩)、TL(铁尾矿)和BA(玄武岩)等火成岩石粉的圆度值和长径比相对较大，说明其粒形较为尖锐、棱角性较强。上述结果表明不同石粉的颗粒形貌存在较大差异，而石粉的颗粒形貌会影响其比表面积、堆积空隙率及在混凝土中的流动摩阻力，从而对混凝土的用水量和工作性产生影响[8,12]。

2.5 石粉需水性

30个石粉试样的流动度比分布于69.7%～101.0%范围，平均值87.3%，标准差8.7%，变异系数0.1，表明不同石粉的需水性存在一定差异。30个石粉试样中，占比41.8%的石粉流动度比≥90%(相当于GB/T 20491—2006标准要求的钢渣粉流动度比)，占比18.2%的石粉流动度比≥95%(GB/T 35164—2017标准要求的石灰石粉流动度比)，占比3.3%的石粉流动度比超过100%，所有石粉的流动度比低于Ⅱ级粉煤灰的108.0%。

2.6 石粉活性

不同石粉的活性指数介于55.8%～75.1%之间，平均值64.5%，标准差4.43%，变异系数很小，仅为0.069，说明不同石粉的活性差异不大。统计分析结果表明，30个石粉中，活性指数≥60%(GB/T 35164—2017标准要求的石灰石粉活性指数)的石粉占比为84.5%，≥65%(GB/T 20491—2017标准要求的二级钢渣粉活性指数)的石粉占比为45.5%。

2.7 石粉吸附性

由石粉吸附性统计分析结果可以看出，30个石粉样品的亚甲蓝值(MBVF)分布范围为1.67～9.0 g/kg，平均值为3.87 g/kg，标准差为2.41 g/kg，变异系数为0.623。MBVF较宽的分布范围和高变异系数表明，不同来源石粉的吸附性差异很大，预示不同石粉中含泥量差别也很大。另外，统计分析表明，MBVF不高于7 g/kg的石粉占比为90.4%。美国AASHTO T330—07标准[16]根据石粉MBVF的大小，将石粉的品质分为四级：良好、勉强可以接受、存在或可能存在问题、不合格，相应的MBVF分别为：≤7 g/kg、7～12 g/kg、13～19 g/kg，≥20 g/kg。因此，90.4%的石粉样品能够满足AASHTO T330—07中关于良好石粉的MBVF要求，其中MBVF处于3～7 g/kg范围的石粉占比为54.4%。

3 结 论

a.机制砂中看似粒径相近的石粉，但因母岩种类和生产工艺不同，不同机制砂中石粉实质在细度、粒度、粒形、需水性、活性、吸附性等理化特性上存在较大差异。

b.30个机制砂石粉样品的主要特性指标的统计分布规律为：比表面积分布范围104.0～405.2 m2/kg，比表面积超过200 m2/kg的石粉占比为73.3%；45 μm筛余分布范围9.3～73.7%，45 μm筛余小于45%的占比为70%；流动度比分布范围69.7～101.0%，流动度比低于95%的石粉占比为81.8%；活性指数分布范围为55.8～75.1%，活性指数高于60%的石粉占比84.5%；MBVF分布范围1.67～9.0 g/kg，MBVF不高于7 g/kg的石粉占比90.4%。几乎所有石粉样本的需水性都高于PO42.5水泥和Ⅱ级粉煤灰，而活性指数低于Ⅱ级粉煤灰。

c.不同石粉流动度比和活性指数指标的差异性显著低于吸附性和细度指标(45 μm筛余、比表面积)或粒度指标D50的差异性。