內(nèi)蒙古砒砂巖的性能及其對(duì)水泥力學(xué)性能影響的研究

董晶亮，張婷婷，王立久，李長(zhǎng)明

(大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部，遼寧 大連 116024)

內(nèi)蒙古砒砂巖的性能及其對(duì)水泥力學(xué)性能影響的研究

董晶亮，張婷婷，王立久，李長(zhǎng)明

(大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部，遼寧 大連 116024)

砒砂巖；礦物組成；初凝時(shí)間；水泥膠砂；抗折強(qiáng)度；抗壓強(qiáng)度

砒砂巖地區(qū)是黃河泥沙的主要來(lái)源地之一。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)砒砂巖的資源化利用，對(duì)砒砂巖基本物理化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究，并探討了其作為混凝土摻合料的可行性。通過(guò)X射線(xiàn)熒光光譜分析(XRF)、X射線(xiàn)衍射分析(XRD)和掃描電鏡(SEM)研究發(fā)現(xiàn)，紅色、白色砒砂巖的礦物成分差別不大，主要包含石英、長(zhǎng)石、蒙脫石、高嶺土、方解石等，還含有一定量活性的SiO2、Al2O3和CaO(能夠促進(jìn)水泥水化)。砒砂巖作為水泥摻合料對(duì)水泥膠砂性能影響的研究試驗(yàn)結(jié)果表明，摻入砒砂巖會(huì)縮短水泥的初凝時(shí)間，摻量30%時(shí)初凝時(shí)間會(huì)縮短69%；當(dāng)砒砂巖摻量不多于20%時(shí)水泥膠砂的28 d抗壓強(qiáng)度和抗凍性能會(huì)提高，當(dāng)摻量大于20%時(shí)水泥膠砂的抗壓強(qiáng)度和抗凍性能(凍融循環(huán)后抗壓強(qiáng)度)會(huì)顯著降低。同時(shí)，研究還發(fā)現(xiàn)摻入砒砂巖會(huì)顯著提高水泥膠砂28 d抗折強(qiáng)度。

內(nèi)蒙古鄂爾多斯市東勝區(qū)、準(zhǔn)格爾旗、伊金霍洛旗、達(dá)拉特旗和陜西省神木縣、府谷縣是黃河流域主要砒砂巖地區(qū)，面積約1.17萬(wàn)km2，也是黃河泥沙的主要來(lái)源地之一[1]。砒砂巖干燥時(shí)堅(jiān)硬如石，但由于遇水迅速潰散，所以砒砂巖地區(qū)在雨水季節(jié)水土流失異常嚴(yán)重，每年向黃河的輸沙量達(dá)1億t。為此，黃河流域水土保持工作必須加強(qiáng)對(duì)砒砂巖地區(qū)的治理[2-5]，而當(dāng)務(wù)之急是弄清砒砂巖的基本理化性質(zhì)，進(jìn)行砒砂巖改性研究(改變其遇水潰散的特點(diǎn))或者實(shí)現(xiàn)其資源化利用。

許多學(xué)者對(duì)砒砂巖的性質(zhì)和砒砂巖地區(qū)的治理進(jìn)行了大量研究工作[5-9]，比如唐政洪等[10]研究表明砒砂巖地區(qū)嚴(yán)重的水土流失是由于風(fēng)蝕、水蝕和重力侵蝕的交互作用引起的，而砒砂巖成巖程度及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低，加劇了該地區(qū)的水土流失；石迎春等[11]研究表明砒砂巖主要的礦物為不穩(wěn)定的親水黏土物質(zhì)，同時(shí)顆粒尺寸不同、無(wú)定向排列和高孔隙率的微觀結(jié)構(gòu)特征減弱了其抗侵蝕的能力。但是學(xué)者們關(guān)于砒砂巖礦物成分沒(méi)有一致的結(jié)論，沒(méi)有明確其遇水潰散的根本原因。本研究計(jì)劃通過(guò)材料分析方法對(duì)砒砂巖基本理化性質(zhì)進(jìn)行系統(tǒng)研究，用土工試驗(yàn)方法分析其粒度構(gòu)成，用X射線(xiàn)熒光光譜分析(XRF)、X射線(xiàn)衍射分析(XRD)和掃描電鏡(SEM)明確其基本物理化學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)，以探討砒砂巖遇水潰散的機(jī)理。并且，通過(guò)研究砒砂巖粉末作為混凝土摻合料對(duì)混凝土凝結(jié)時(shí)間、抗折抗壓強(qiáng)度和抗凍融性能的影響來(lái)探索砒砂巖作為混凝土摻合料的可行性，以期能為砒砂巖地區(qū)水土流失治理和砒砂巖資源化利用提供參考。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)使用的水泥是來(lái)自大連小野田水泥有限公司的普通硅酸鹽42.5級(jí)水泥。試驗(yàn)用砂為ISO標(biāo)準(zhǔn)砂。白色和紅色砒砂巖均取自?xún)?nèi)蒙古鄂爾多斯市東勝區(qū)。

1.2 試驗(yàn)方法

按照土工試驗(yàn)規(guī)范測(cè)試了砒砂巖的原巖抗壓強(qiáng)度，以及紅色和白色砒砂巖的粒度分布，并利用X射線(xiàn)熒光光譜分析儀、X射線(xiàn)衍射儀和掃描電鏡對(duì)砒砂巖進(jìn)行氧化物、礦物成分和微觀結(jié)構(gòu)分析。

將紅色和白色砒砂巖對(duì)半混合利用球磨機(jī)進(jìn)行磨細(xì)，7 d后過(guò)80 μm篩，取過(guò)篩后的砒砂巖粉末作為水泥膠砂摻合料。按砒砂巖等量取代水泥(0、10%、20%、30%)和水膠比(0.28、0.32、0.36、0.40)進(jìn)行試驗(yàn)。將固體料混合、預(yù)拌，利用膠砂攪拌機(jī)進(jìn)行預(yù)攪拌，再加水?dāng)嚢?5 s；將攪拌好的漿體裝入40 mm×40 mm×160 mm的三聯(lián)鋼模中，放入養(yǎng)護(hù)箱(溫度20 ℃、相對(duì)濕度95%)中養(yǎng)護(hù)，并測(cè)定初凝時(shí)間；第二天拆模，在水中養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行測(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 砒砂巖的粒度分布

紅色、白色砒砂巖的顆粒粒度分布見(jiàn)圖1。由圖1知，白色砒砂巖比紅色砒砂巖顆粒分布更加均勻，約92%的顆粒分布在2.5 mm以下，主要集中在0.5～2.5 mm；紅色砒砂巖約62%的顆粒分布在2.5 mm以下，其0.13 mm以下顆粒含量(20%)明顯多于白色砒砂巖(9.5%)。

圖1 紅色、白色砒砂巖的顆粒粒度分布

2.2 X射線(xiàn)熒光光譜分析

用X射線(xiàn)熒光光譜儀分析紅色、白色砒砂巖氧化物結(jié)果見(jiàn)表1?？梢园l(fā)現(xiàn)，紅色、白色砒砂巖在氧化物成分上非常相似，都是以SiO2和 Al2O3為主(合計(jì)接近80%)；兩者的SiO2、 Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)非常相似，相對(duì)來(lái)說(shuō)CaO和Fe2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)差別較大，這可能就是造成紅、白砒砂巖顏色不同的原因。

表1 紅色和白色砒砂巖的化學(xué)成分 %

2.3 X射線(xiàn)衍射分析

圖2為紅色、白色砒砂巖的XRD衍射圖譜。紅色和白色砒砂巖都含有石英、蒙脫石、長(zhǎng)石、沸石、云母、綠錐石、氧化鐵、葉蠟石等。圖譜顯示除紅色砒砂巖含有少量高嶺土外，紅色、白色砒砂巖的物相基本相同；白色砒砂巖石英衍射強(qiáng)度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于紅色砒砂巖，這說(shuō)明白色砒砂巖中石英的結(jié)晶度要遠(yuǎn)高于紅色砒砂巖，即白色砒砂巖中石英發(fā)育更好。

圖2 紅色、白色砒砂巖的衍射圖譜

2.4 砒砂巖原巖的微觀結(jié)構(gòu)

圖3為砒砂巖的SEM形貌圖片。從圖中可以看出，砒砂巖微觀結(jié)構(gòu)致密性非常差，基體充滿(mǎn)大量宏觀裂縫和孔洞；有些裂縫貫穿基體，裂縫寬度達(dá)到0.2 mm；顆粒和顆粒之間膠結(jié)很差，只能依靠顆粒與顆粒間的摩擦力和機(jī)械咬合力，以及親水性黏土物質(zhì)的弱膠結(jié)力結(jié)合在一起，導(dǎo)致其抗壓強(qiáng)度很低。此外，通過(guò)原巖抗壓強(qiáng)度測(cè)試白色砒砂巖抗壓強(qiáng)度約為1.1 MPa，而紅色砒砂巖約為2.2 MPa。

圖3 砒砂巖的SEM形貌圖片

2.5 砒砂巖摻量對(duì)水泥初凝時(shí)間的影響

砒砂巖摻量對(duì)水泥初凝時(shí)間影響的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。從圖4可以看出，砒砂巖的摻入能夠顯著降低水泥的初凝時(shí)間，并且隨著摻量的增加，其影響越顯著。當(dāng)砒砂巖摻量為0時(shí)，水泥初凝時(shí)間為65 min；隨著摻量的增加(10%、20%、30%)，初凝時(shí)間逐漸降低為58、45、19 min。這可能是由于砒砂巖中含有親水物質(zhì)，能夠吸附大量的自由水，使得水泥的流動(dòng)性能大大降低，從而導(dǎo)致水泥初凝時(shí)間大幅度降低[12]。為滿(mǎn)足國(guó)標(biāo)規(guī)定的水泥初凝時(shí)間不小于45 min，砒砂巖在水泥中的摻量不能大于20%。

圖4 砒砂巖摻量對(duì)初凝時(shí)間的影響

2.6 砒砂巖摻量、水膠比對(duì)水泥抗折、抗壓強(qiáng)度的影響

圖5是砒砂巖摻量和水膠比對(duì)水泥28 d抗折強(qiáng)度影響的試驗(yàn)結(jié)果。當(dāng)砒砂巖摻量為0時(shí)，水泥凈漿抗折強(qiáng)度隨水膠比的增大呈現(xiàn)先減后增的趨勢(shì)：當(dāng)水膠比從0.28增大到0.36時(shí)，抗折強(qiáng)度降低了約25%；當(dāng)水膠比從0.36增大到0.40時(shí)，抗折強(qiáng)度又有所提高。然而當(dāng)摻入砒砂巖后，水泥膠砂抗折強(qiáng)度隨水膠比增大大致呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)。當(dāng)砒砂巖摻量為30%，水膠比為0.28～0.36時(shí)水泥膠砂的抗折強(qiáng)度隨水膠比增大而提高，水膠比0.36時(shí)的抗折強(qiáng)度比水膠比0.28時(shí)提高了約25%，之后水膠比為0.36～0.40時(shí)水泥膠砂的抗折強(qiáng)度又隨水膠比的增大而降低。在相同水膠比(0.32～0.40)情況下，摻入適量的砒砂巖可以提高水泥的抗折強(qiáng)度，尤其是在砒砂巖摻量10%、水膠比0.32的情況下效果最為明顯，相比水泥凈漿，其抗折強(qiáng)度增加了34.6%。但是砒砂巖對(duì)水泥抗折強(qiáng)度的這種提高作用會(huì)隨著砒砂巖摻量的增加而減弱，在砒砂巖摻量為10%時(shí)其對(duì)抗折強(qiáng)度的增強(qiáng)效果最為明顯。

圖5 砒砂巖摻量和水膠比對(duì)水泥抗折強(qiáng)度的影響

圖6是砒砂巖摻量和水膠比對(duì)水泥28 d抗壓強(qiáng)度影響的試驗(yàn)結(jié)果，與兩因素對(duì)水泥28 d抗折強(qiáng)度的影響規(guī)律有明顯區(qū)別?？傮w來(lái)說(shuō)，砒砂巖的摻入會(huì)降低水泥抗壓強(qiáng)度，但是當(dāng)砒砂巖摻量為10%、20%時(shí)，對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響不是很明顯：摻量為10%時(shí)，會(huì)稍微提高水泥抗壓強(qiáng)度，相比水泥凈漿最大約提高10%；摻量為20%時(shí)，會(huì)稍微降低水泥抗壓強(qiáng)度，相比水泥凈漿約降低5%。但是當(dāng)砒砂巖摻量為30%時(shí)，水泥膠砂抗壓強(qiáng)度顯著降低。隨著水膠比增加水泥膠砂抗壓強(qiáng)度呈先減后增的變化規(guī)律：水膠比0.32時(shí)，抗壓強(qiáng)度比水膠比0.28時(shí)有比較明顯的降低；隨著水膠比繼續(xù)增大，抗壓強(qiáng)度逐漸提高；在砒砂巖摻量為30%、水膠比為0.40時(shí)，出現(xiàn)一個(gè)反常的抗壓強(qiáng)度降低區(qū)域，這可能是砒砂巖和水分含量過(guò)高，大量蒙脫石吸收水分膨脹后對(duì)基體產(chǎn)生損傷導(dǎo)致的。

圖6 砒砂巖摻量和水膠比對(duì)水泥抗壓強(qiáng)度的影響

2.7 砒砂巖摻量和水膠比對(duì)水泥抗凍性能(耐久性)的影響

圖7為水泥試樣在凍融循環(huán)機(jī)中凍融循環(huán)25次后測(cè)試的28 d抗壓強(qiáng)度結(jié)果。對(duì)比圖6、7可以看出，經(jīng)過(guò)凍融試驗(yàn)后水泥的抗壓強(qiáng)度都出現(xiàn)了一定程度的降低。水膠比對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律并沒(méi)有受到凍融的影響，但是砒砂巖摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響在凍融試驗(yàn)后發(fā)生了顯著的變化。在砒砂巖摻量為10%和20%時(shí)，試樣凍融循環(huán)25次后的抗壓強(qiáng)度要高于水泥凈漿的抗壓強(qiáng)度，但是當(dāng)砒砂巖摻量為30%，試樣凍融循環(huán)后的抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)大幅度降低，這是因?yàn)檫m量的砒砂巖能夠促進(jìn)水泥水化，并且基體內(nèi)親水黏土溶解可以為水結(jié)冰產(chǎn)生的體積膨脹提供空間從而減少對(duì)基體產(chǎn)生的損傷，但是當(dāng)砒砂巖摻量過(guò)高時(shí)，水泥基體受到水結(jié)冰體積膨脹和蒙脫石遇水體積膨脹雙重影響，因而強(qiáng)度出現(xiàn)大幅度下降。因此，當(dāng)砒砂巖摻量不超過(guò)20%時(shí)，能夠提高水泥的耐久性能。

圖7 砒砂巖摻量和水膠比對(duì)水泥抗凍性能的影響

3 結(jié) 論

綜合砒砂巖物理化學(xué)分析結(jié)果可以得出：造成西北內(nèi)蒙古地區(qū)砒砂巖遇水潰散的原因是砒砂巖成巖發(fā)育非常差，顆粒尺寸分布不均勻，基體存在大量的孔隙結(jié)構(gòu)，孔隙率高，顆粒之間只是靠蒙脫石等親水黏土物質(zhì)和簡(jiǎn)單的機(jī)械咬合作用，以及顆粒間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質(zhì)容易侵入基體內(nèi)部，并對(duì)其造成侵蝕。砒砂巖遇水潰散過(guò)程可以概括為：當(dāng)砒砂巖遇水時(shí)，由于砒砂巖孔隙率高，水會(huì)迅速擴(kuò)散到基體內(nèi)部，蒙脫石和高嶺土等親水黏土膠結(jié)物在水中發(fā)生溶解和膨脹(膨脹率達(dá)150%)，使基體結(jié)構(gòu)塌陷且黏土膠結(jié)物完全喪失膠結(jié)能力，同時(shí)水也會(huì)降低顆粒間的摩擦力和機(jī)械咬合力，因此在自身重力作用下砒砂巖基體就會(huì)因完全喪失支撐能力而發(fā)生潰散。這也是砒砂巖遇水潰散的根本原因。

綜合砒砂巖對(duì)水泥初凝時(shí)間、抗折抗壓強(qiáng)度、抗凍性能影響的試驗(yàn)結(jié)果可以得出：砒砂巖粉末作為混凝土摻合料是可行的；在摻量不大于20%時(shí)，其能夠提高水泥膠砂的抗折強(qiáng)度和耐久性(抗凍融性能)，并且對(duì)初凝時(shí)間和抗壓強(qiáng)度沒(méi)有明顯影響，但是當(dāng)其摻量超過(guò)30%時(shí)就會(huì)對(duì)水泥膠砂各方面性能產(chǎn)生危害，因而砒砂巖粉末的摻入量不能大于20%。砒砂巖作為混凝土摻合料不僅能夠節(jié)約水泥用量，還能提高混凝土抗折強(qiáng)度和抗凍融性能，并且有助于砒砂巖地區(qū)水土流失治理，具有重要意義。

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(責(zé)任編輯 李楊楊)

國(guó)家“十二五”重大科技支撐項(xiàng)目“砒砂巖改性筑壩技術(shù)研發(fā)”(2013BAC05B03)

S157.1

A

1000-0941(2015)07-0046-04

董晶亮(1988—)，男，江西修水縣人，博士研究生，主要從事砒砂巖礦物成分分析及其改性筑壩材料研究；通信作者王立久(1945—)，男，吉林長(zhǎng)春市人，教授，碩士，主要從事砒砂巖礦物成分分析及其改性筑壩材料研究。

2015-02-13