不同岩性石粉细度评价方法的对比研究

李晓宁，李婷，朱玉雪，瞿海洋，陈家继

（1. 中国建筑材料科学研究总院有限公司，北京 100024；2. 中建材中岩科技有限公司，北京 100024）

0 引言

随着我国基础设施建设的快速发展，预拌混凝土成为用量最大的建筑材料。混凝土中常用细骨料主要包括天然砂和机制砂两种，作为混凝土主要组成部分之一，砂的品质对混凝土拌合物的物理力学性能和耐久性有着重要影响[1]。随着混凝土工业的日益发展，江河中的天然砂已经很难满足需求，在天然砂难获得的情况下，采用机制砂配制混凝土已成为一种发展趋势。相比于天然砂，机制砂颗粒有棱角、级配差，在混凝土制作时和易性不好，易发生离析现象[2-3]。在机制砂中粒径小于 75μm 的颗粒被称作为石粉，由于生产机制砂采用的岩石种类、破碎方式、分选工艺不同，机制砂中石粉的含量各不相同。在机制砂应用过程中，存在因将石粉与泥混为一谈而对机制砂进行冲洗的现象，在洗掉泥的同时带走了大量石粉，破坏了机制砂的天然级配，达不到砂的堆积密度。实际上，石粉在一定的应用条件下，不但不会降低混凝土强度，还会填补混凝土骨料之间的空隙，作为机制砂的微细级配，起到一定的润滑作用，从而在一定程度上混凝土保水性和粘聚性[4-6]。

影响石粉的质量与性能的关键物性参数有：岩性、颗粒大小及分布、比表面积、含泥量和反应活性。其中，细度作为划分不同石粉品质的要素之一，是石粉质量控制的重要指标，本文针对不同岩性石粉细度进行检测，利用勃式透气法、筛分法、激光法和 BET 氮吸附法进行研究。

1 试验原材料与测试方法

1.1 试验原材料

石粉：石灰石 1 种、花岗岩 1 种、尾矿 1 种、白云岩 1 种、重晶石 1 种以及玄武岩 3 种，其中石灰石粉来自试验室购买的外加剂检验用细集料经破碎粉磨制得；花岗岩与重晶石粉为市售石粉；玄武岩石粉为市售细集料经试验室破碎粉磨制得。

不同岩性石粉矿物相组成 XRF 测试结果见表 1。

1.2 试验测试方法

筛分法：使用 FSY-150 型水泥细度负压筛析仪对石粉的筛余量进行测定，参照 GB/T 30190—2013《石灰石粉混凝土》，采用 45μm 的筛余来表征。

激光法：采用激光粒度分析仪对石粉的粒径分布及比表面积进行测试。

勃氏透气法：参照 GB/T 8074—2008《水泥比表面积测定方法 勃氏法》，进行石粉比表面积的测定。

BET 氮吸附法：采用 TriStar II 3020 高速自动比表面积及孔隙度分析仪进行测试。

2 结果与讨论

2.1 筛分法与激光法表征石粉细度

采用筛分法测定石粉 45μm 的筛余值，结果见表2。筛余越小，说明石粉越细。由图 1 可知，8 种石粉中石灰石粉的筛余最小、重晶石次之、尾矿石粉最大。

由于各类石粉筛余量较低，故在使用毛刷清理、称量筛余等操作环节中存在误差，会对检测结果产生影响。当样品在筛分过程中出现团聚现象时，应加长检测时间，降低误差。在 GB/T 30190—2013 规定，当出现颗粒粘筛或颗粒沉积在筛边缘时，应用毛刷轻轻刷开再筛 1～3min 直至彻底筛分为止，但有可能样品附着在毛刷刷毛上，对最终筛余称重造成影响，故加长负压筛筛分时长。

采用激光法测定的石粉粒度分布结果见表 3。其中0～11μm、11～50μm 和＞50μm 是激光粒度仪测试的结果，其它是为了更好地对比各粒径段的数据而列出。

表 1 不同岩性石粉矿物相组成-XRF 测试结果

表 2 筛分法测定不同岩性石粉筛余值 %

图 1 筛分法不同岩性石粉的 45μm 筛余

表 3 不同岩性石粉的激光法测试结果 %

图 2 不同岩性激光粒度仪测得粒径范围图

由表 3 测试结果可知，石灰石粉在 0～50μm 的颗粒占比达到 100%，与筛余结果较为吻合；花岗岩大于11μm 的颗粒占比达 99% 以上，大于 50μm 的颗粒占比达超过 64%，说明其大尺寸颗粒的分布较大，与 45μm筛余结果差距较大；尾矿砂 0～50μm 的颗粒占比约67%，筛分法测得的 0～45μm 的颗粒占比约 22%，二者差距较大；白云岩在 0～50μm 的颗粒占比达 92%，筛分法测得的 0～45μm 的颗粒占比约 48%，二者差距较大；重晶石 0～50μm 的颗粒占比约 73%，筛分法测得的 0～45μm 的颗粒占比约 90%，二者差距相对较小；3 种玄武岩石粉采用激光法测得的 0～50μm 的颗粒占比为 63% 左右，采用筛分法测得的 0～45μm 的颗粒占比为 81% 左右，规律相似，且颗粒大小均处于石灰石和花岗岩之间。

筛分法只能测出规定目数筛子的筛余，适合制备一定目数的石粉样品，因此用于评价样品细度较为合适，而激光法将一种样品的粒径分布和粒径大小以数值直观地表现出来，适合用来评价石粉的粒径分布，对设计优化颗粒级配具有指导意义。

2.2 石粉比表面积测试方法对比

分别采用 BET 氮吸附法、勃氏比表面积测试法及激光粒度分析计算法测定石粉的比表面积，结果见表4，对比结果见图 3。

表 4 不同岩性石粉用不同测试方法测定的比表面积

图 3 不同岩性石粉不同测试方法下比表面积

由图 3 的对比结果可知，三种测试方法的结果值没有可比性。BET 氮吸附法采用气体吸附，石粉颗粒表面的细小空隙也会将氮气吸附，因此测试结果会偏大，此外 BET 氮吸附法需经高温脱气数小时，耗时较长且操作繁琐；勃氏法因受到比表面积仪参数、试验人员压实手法、石粉密度测定等中间过程的影响，导致测试结果会存在偏差；激光法是通过测试粒度分布形成的曲线，计算曲线积分面积从而得到比表面积，受其它条件影响较小，并且可将石粉的不同粒度分布范围直观地测试出来，同时得到石粉颗粒粒度分布和比表面积结果。

2.3 小结

通过对比不同测试方法测得的比表面积、颗粒大小及粒径分布的结果，45μm 筛余小、小粒径石粉范围大，但比表面积不一定大，比表面积值还跟石粉破碎时形成的颗粒形状有关系，石粉圆形表面，相同质量的样品表面积较大，石粉颗粒表面棱角分明，相同质量表面积较小，相同的，比表面积大或小，均不能说明石粉的颗粒大小或筛余大小，因此，表征石粉的细度以筛余或激光法测得粒径分布较合适，二者再进一步对比，激光法测得的数据更能直观的表征石粉的细度，且可以将石粉的粒径分布范围全部表现出来，对设计颗粒级配具有指导意义。

3 结论

针对不同岩性的石粉，对比了筛分法与激光法表征石粉细度的优缺点，并结合比表面积测试方法，得到以下结论：

（1）用石粉粒度分布来表征细度比比表面积表征细度更合适。

（2）筛分法操作简易、快速有效，但由于受操作中造成的影响误差较大，故检测结果波动大。筛分法只能测出规定目数筛子的筛余，适合制备一定目数的石粉样品，因此用于评价样品细度较为合适。

（3）在对石粉进行粒度分布等检测时，推荐使用激光法进行检测，该方法能将一种样品的粒径分布和粒径大小以数值直观地表现出来，适合用来评价石粉的粒径分布，对设计优化颗粒级配具有指导意义。