花崗巖石粉細(xì)度與砂漿強(qiáng)度灰熵分析

張?jiān)粕? 胡向楠, 薛翠真

(蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院, 甘肅 蘭州 730050)

隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的日益發(fā)展,對(duì)于砂的使用量越來越大,導(dǎo)致不少地區(qū)天然砂資源的短缺現(xiàn)象逐漸凸顯,因此使用機(jī)制砂代替天然砂勢(shì)在必行[1].機(jī)制砂在生產(chǎn)過程中不可避免地產(chǎn)生大量石粉,現(xiàn)階段對(duì)石粉在水泥基材料中作用的認(rèn)識(shí)不夠清晰和統(tǒng)一,導(dǎo)致行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)機(jī)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(yè)和混凝土砂漿行業(yè)需迫切解決的問題[2-3].

國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于石粉在水泥基材料中的應(yīng)用開展了一定的研究.陸宗平[4]研究表明,機(jī)制砂中的石粉能夠改善混凝土的和易性.杜雪劍[5]的試驗(yàn)結(jié)果表明機(jī)制砂的級(jí)配和粒徑會(huì)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(bǔ)機(jī)制砂中石粉帶來的負(fù)面影響.謝開仲等[7]認(rèn)為機(jī)制砂混凝土抗壓與抗折強(qiáng)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(fā)現(xiàn)石粉含量是影響機(jī)制砂混凝土強(qiáng)度的主要因素.王稷良等[10]研究表明機(jī)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(shí)性,提高混凝土的強(qiáng)度.但是就石粉本身而言,尤其是石粉基本顆粒特性及其對(duì)水泥基材料宏微觀性能影響的相關(guān)研究成果還比較少.

現(xiàn)階段,一般采用比表面積來表征礦物摻合料的細(xì)度,但這一指標(biāo)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(xì)度范圍內(nèi),即使比表面積一致,其顆粒形貌及分布狀態(tài)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(xì)到何種程度還未有定論.鑒于此,在測(cè)試分析石粉基本性質(zhì)、顆粒特征和摻石粉砂漿強(qiáng)度性能的基礎(chǔ)上,采用灰關(guān)聯(lián)熵分析方法,分析石粉顆粒特征對(duì)砂漿強(qiáng)度影響的顯著性,并采用SEM分析方法研究石粉對(duì)砂漿微觀形貌的影響規(guī)律.研究結(jié)論可揭示不同石粉顆粒特征對(duì)砂漿強(qiáng)度的影響規(guī)律,以對(duì)石粉顆粒分布進(jìn)行合理的控制,從而達(dá)到理想的活化效果.

1 原材料及實(shí)驗(yàn)方案

1.1 原材料

1) 水泥:采用祁連山水泥廠生產(chǎn)的P·O42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥.

2) 機(jī)制砂:采用榆中縣巴石溝采石場(chǎng)生產(chǎn)的細(xì)度模數(shù)為3.48的花崗巖機(jī)制砂.

3) 石粉:石粉是由實(shí)驗(yàn)室小規(guī)模加工而成,首先經(jīng)過0.075 mm的方孔篩篩得原狀石粉顆粒,再經(jīng)過行星式球磨機(jī)粉磨,最終根據(jù)粉磨時(shí)間的不同(20、40、60 min)得到3種不同細(xì)度的石粉.

采用X熒光衍射分析儀測(cè)試水泥和石粉的化學(xué)組成,測(cè)試結(jié)果見表1.

1.2 試驗(yàn)方法與方案

1) 試驗(yàn)方法

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

表1 水泥和石粉化學(xué)組成

(2) 砂漿強(qiáng)度測(cè)試:砂漿強(qiáng)度試驗(yàn)方法參照GB/T 17671—2021《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》和JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》.采用型號(hào)為WHY-3000Z的微機(jī)控制壓力試驗(yàn)機(jī)研究花崗巖石粉對(duì)砂漿強(qiáng)度的影響規(guī)律.

(3) 微結(jié)構(gòu)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(shí)間對(duì)砂漿微結(jié)構(gòu)特征的影響.并分析不同細(xì)度石粉和摻量對(duì)水泥砂漿7、28 d抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度的影響規(guī)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(shí)間的石粉進(jìn)行替換.

2) 實(shí)驗(yàn)方案

研究花崗巖石粉摻量及粉磨時(shí)間對(duì)砂漿7、28 d抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的影響規(guī)律試驗(yàn),具體試驗(yàn)方案見表2.

表2 花崗巖石粉砂漿強(qiáng)度試驗(yàn)方案

2 粉體材料顆粒特征

水泥與石粉顆粒參數(shù)試驗(yàn)結(jié)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(yàn)結(jié)果.

由表3和圖1可知,隨著粉磨時(shí)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(xì)小顆粒含量增加,表明隨粉磨時(shí)間的增大,石粉細(xì)度越細(xì).然而當(dāng)粉磨時(shí)間為40 min時(shí),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(jié)合表4以及試驗(yàn)過程中的現(xiàn)象分析可知,這可能是由于石粉顆粒之間的團(tuán)聚效應(yīng)導(dǎo)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(xì)程度,但影響粉體材料性能的因素不僅包括其細(xì)度、顆粒形態(tài),還與材料內(nèi)部顆粒分布有緊密關(guān)系.

表3 水泥和石粉顆粒參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

圖1 放大2 000倍不同粉磨時(shí)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(yàn)結(jié)果

由表4可知,未經(jīng)粉磨的原狀石粉中大于40 μm的顆粒體積分?jǐn)?shù)較多.隨著粉磨時(shí)間的增加,粒徑小于10 μm和10～20 μm的顆粒體積分?jǐn)?shù)逐漸上升,20～40 μm顆粒體積分?jǐn)?shù)變化不大,40～60 μm和大于60 μm的顆粒體積分?jǐn)?shù)逐漸減小.與原狀石粉相比,粉磨時(shí)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?jǐn)?shù)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?jǐn)?shù)最高,經(jīng)粉磨后的石粉顆粒粒徑在15 μm左右體積分?jǐn)?shù)最高.在同一粒徑下,粉磨后石粉對(duì)應(yīng)的顆粒累計(jì)體積分?jǐn)?shù)均大于原狀石粉,上述結(jié)果表明粉磨后的石粉,小粒徑顆粒體積分?jǐn)?shù)較原狀石粉相對(duì)增大.結(jié)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?jǐn)?shù)的增加和大于40 μm顆粒體積分?jǐn)?shù)的減小,表現(xiàn)為比表面積的增大和平均粒徑的減小.

圖2 不同粉磨時(shí)間下石粉顆粒分布圖

3 砂漿強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析

不同粉磨時(shí)間和摻量的砂漿試件在不同齡期下抗壓及抗折強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如圖3所示(H-0代表基準(zhǔn)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(shí)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(duì)砂漿7、28 d抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的影響規(guī)律基本一致,但影響程度不同.即當(dāng)粉磨時(shí)間相同時(shí),隨著石粉摻量的增加,砂漿強(qiáng)度呈現(xiàn)出先上升后下降的變化趨勢(shì).當(dāng)石粉摻量相同時(shí),砂漿強(qiáng)度隨石粉粉磨時(shí)間的增加而提升.

圖3 摻石粉砂漿強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Strength test results of mortar with granite powder

與基準(zhǔn)試件相比,當(dāng)石粉摻量為15%,粉磨時(shí)間為0 min時(shí),28 d砂漿抗壓和抗折強(qiáng)度分別降低14.8%、6.7%.這是由于石粉活性較低,由石粉密實(shí)填充產(chǎn)生的有利作用弱于由水泥含量降低而導(dǎo)致的內(nèi)部水化產(chǎn)物含量降低而產(chǎn)生的不利作用,同時(shí)石粉的大量存在破壞了材料體系的最緊密堆積,導(dǎo)致水泥砂漿內(nèi)部孔隙增多.當(dāng)石粉摻量低于10%時(shí),摻石粉砂漿試件7 d強(qiáng)度均高于基準(zhǔn)試件,這說明石粉的摻入提高了砂漿的早期強(qiáng)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(nèi)泌水現(xiàn)象,改善水泥漿體與砂子間界面過渡區(qū)結(jié)構(gòu);再次說明,石粉具有“晶核效應(yīng)”促使C-S-H凝膠結(jié)晶,使得水泥水化加快.宏觀上表現(xiàn)為砂漿早期強(qiáng)度的提高.

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

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

4 石粉砂漿力學(xué)性能灰關(guān)聯(lián)熵分析

灰關(guān)聯(lián)分析是貧信息系統(tǒng)分析的有效手段,是對(duì)動(dòng)態(tài)過程發(fā)展態(tài)勢(shì)整體接近性分析方法.但一般灰關(guān)聯(lián)分析方法在確定關(guān)聯(lián)度時(shí),是采用計(jì)算逐點(diǎn)關(guān)聯(lián)測(cè)度值平均值的辦法來確定關(guān)聯(lián)度,具有局部點(diǎn)關(guān)聯(lián)傾向和造成信息損失等缺點(diǎn)[13-14].灰關(guān)聯(lián)熵分析方法是在灰色關(guān)聯(lián)分析方法的基礎(chǔ)上提出的.灰關(guān)聯(lián)熵分析方法引入了灰熵的概念,在灰色關(guān)聯(lián)分析的基礎(chǔ)上運(yùn)用信息熵理論對(duì)系統(tǒng)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(guān)聯(lián)分析方法在確定灰關(guān)聯(lián)度時(shí),由局部點(diǎn)關(guān)聯(lián)度值控制整個(gè)灰關(guān)聯(lián)傾向而造成的損失[15].

鑒于此,以石粉摻量為15%時(shí),砂漿7、28 d的抗壓和抗折強(qiáng)度活性指數(shù)(摻石粉試件強(qiáng)度除以基準(zhǔn)試件強(qiáng)度的百分比)為母序列,以不同細(xì)度石粉的顆粒參數(shù)和顆粒分布參數(shù)為子序列進(jìn)行灰熵分析,以探求不同顆粒參數(shù)及粒徑分布對(duì)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(qiáng)度活性指數(shù)與石粉顆粒參數(shù)灰熵分析的結(jié)果.

由表5可知,顆粒參數(shù)對(duì)摻石粉砂漿強(qiáng)度的活性指數(shù)有顯著影響.石粉各顆粒參數(shù)對(duì)砂漿7、28 d抗壓強(qiáng)度活性指數(shù)和7、28 d抗折活性指數(shù)影響規(guī)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(duì)試件強(qiáng)度的影響最為顯著,是評(píng)價(jià)石粉參數(shù)的綜合指標(biāo).比表面積越大,石粉顆粒的表面形貌越復(fù)雜,這一方面可增大材料水化的反應(yīng)面積,另一方面可加強(qiáng)顆粒之間的黏結(jié)咬合力,使不同粉體材料顆粒之間形成最緊密堆積結(jié)構(gòu).宏觀上表現(xiàn)為力學(xué)性能的提高,與前述石粉越細(xì)砂漿強(qiáng)度越高相吻合.粒度累積分布(d(10)、d(50)、d(90))對(duì)石粉砂漿強(qiáng)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(duì)砂漿強(qiáng)度的影響還與其顆粒分布有一定的關(guān)系.

表6為砂漿強(qiáng)度活性指數(shù)與石粉顆粒分布的灰熵分析結(jié)果.由表6可知,砂漿強(qiáng)度活性指數(shù)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(duì)砂漿28 d抗壓和7、28 d抗折強(qiáng)度活性指數(shù)影響規(guī)律相同,順序?yàn)?20～40 μm)、(10～20 μm)、(<10 μm)、(40～60 μm)、(>60 μm),對(duì)砂漿7 d抗折強(qiáng)度活性指數(shù)影響規(guī)律順序?yàn)?10～20 μm)、(20～40 μm)、(<10 μm)、(40～60 μm)、(>60 μm).表明10～40 μm的石粉顆粒對(duì)砂漿強(qiáng)度活性指數(shù)的影響較為顯著,對(duì)于砂漿強(qiáng)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(qiáng)度活性指數(shù)與石粉顆粒參數(shù)灰熵值

表6 砂漿強(qiáng)度活性指數(shù)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(duì)石粉活性的積極貢獻(xiàn)最大.因此適當(dāng)增加10～40 μm石粉顆粒含量,減少大于60 μm的顆粒含量對(duì)于提高摻石粉砂漿的強(qiáng)度活性指數(shù)是有益的.

5 微觀機(jī)理分析

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

圖4 5 000倍砂漿的微觀形貌圖

6 結(jié)論

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

2) 花崗巖石粉比表面積及面積平均粒徑對(duì)砂漿強(qiáng)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(qiáng)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(nèi)部微觀形貌,提高其密實(shí)度,如具有凝膠作用的 C-S-H 增多,裂紋數(shù)量和寬度及孔洞明顯減少等.同時(shí)較細(xì)的石粉進(jìn)一步提高了砂漿試件內(nèi)部密實(shí)度,水化產(chǎn)物形貌及數(shù)量更為合理.