0前言

為解決天然砂資源稀缺、建設(shè)用砂緊俏的問題，工程上逐漸以機(jī)制砂取代天然砂開展生產(chǎn)。機(jī)制砂是將石料破碎和篩分后制成的細(xì)集料，原料來源廣泛、工藝簡(jiǎn)單、成品砂質(zhì)量可控。然而，在機(jī)制砂生產(chǎn)中，石料破碎篩分和輸送階段的石粉粉塵和泥土雜質(zhì)會(huì)導(dǎo)致環(huán)境污染。以漳州、徐大堡核電站干法機(jī)制砂生產(chǎn)線為例，其機(jī)制砂產(chǎn)量約2000t/d，副產(chǎn)物石料約860t/d，每年共計(jì)產(chǎn)生石粉34萬(wàn)t，大量石粉堆存占用場(chǎng)地，帶來環(huán)境污染問題，需要尋找石粉資料化利用途徑。

研究表明，在機(jī)制砂混凝土中摻加適量石粉，可利用其形態(tài)效應(yīng)、晶核效應(yīng)、填充效應(yīng)以及化學(xué)效應(yīng)，填充骨料間的空隱。增加漿體的體積，從而改善混凝土和易性,同時(shí)加速水泥水化,提高混凝土密實(shí)度、強(qiáng)度和耐久性,在資源化利用石粉固廢的同時(shí)，也可減少環(huán)境污染。但石粉在實(shí)際應(yīng)用時(shí)還存在如下問題: (1)石粉本身的火山灰活性較低，以取代膠凝材料的方式摻入混凝土對(duì)強(qiáng)度有一定的影響；(2)石粉在破碎過程中導(dǎo)致表面粗糙，其需水量較大,對(duì)混凝土拌合物性能有較大的影響。

基于石粉資源化利用需求,本文將花崗巖石粉、凝灰?guī)r石粉以不同替代方式和替代率應(yīng)用于C40機(jī)制砂混凝土,分析其對(duì)拌合物性能、抗壓強(qiáng)度和長(zhǎng)期耐久性能的影響，對(duì)石粉在普通混凝土中應(yīng)用的可行性與關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行研究。

1試驗(yàn)

1.1原材料

水泥(OPC)：紅獅P.042.5水泥，安定性合格，主要技術(shù)性能見表I；粉煤灰(FA)：寶鋼電廠，I級(jí)，主要技術(shù)性能見表2；礦粉(SF)：S95級(jí)，主要技術(shù)性能見表3；機(jī)制砂：細(xì)度模數(shù)2.5，主要技術(shù)性能見表4；天然碎石：5-25mm連續(xù)級(jí)配，針片狀顆粒含量1%；減水劑：浙江五龍牌聚羧酸減水劑，含固量17%，減水率21%；石粉：核電站干法機(jī)制砂生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物石粉，根據(jù)機(jī)制砂生產(chǎn)礦石巖相的不同分為花崗巖石粉(HG)和凝灰?guī)r石粉(NH)。石粉的表觀形貌見圖1，XRD圖譜見圖2,SEM照片見圖3，粒徑分布見圖4，石粉以及其他膠凝材料關(guān)鍵粒徑指標(biāo)對(duì)比見表5。

圖1  石粉的表觀形貌

圖2  石粉的XRD圖譜

圖3 石粉的SEM照片

圖4  石粉的粒徑分布

由圖1-圖4以及表5分析可知，2種石粉主要由石英鈉長(zhǎng)石、微斜長(zhǎng)石組成，凝灰?guī)r石粉中還含有少量方解石。2種石粉所含物質(zhì)相似晶相為主，無(wú)定形物質(zhì)含量很少，基本可視為惰性材料；凝灰?guī)r石粉比花崗巖石粉的表面更加粗糙；2種石粉的中位粒徑d50分別為79.2、32.8um,整體粒徑明顯大于水泥、粉煤灰、礦粉等膠凝材料；2種石粉的d90分別為188.3、138.0um，表明2種石粉中有大量的粗顆粒。按GB/T14684-2022《建設(shè)用砂》的規(guī)定，機(jī)制砂中的石粉含量是指<75um顆粒含量，因此本研究中石粉有較多的顆粒在砂的細(xì)端粒徑范疇，2種石粉中＞75um顆粒含量分別達(dá)到52%、28%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C40,基準(zhǔn)配合比（kg/m3）為：m(水泥)：m(粉煤灰)：m(礦粉)：m(機(jī)制砂)：m(碎石)：m(水)=300：80：50:716:1074:155，減水劑摻量為凝膠材料質(zhì)量的0.95%-1.3%，控制拌合物坍落度在（170±30）mm。

根據(jù)石粉的材性分析結(jié)果，石粉在混凝土中的應(yīng)用可采用取代粉煤灰作為膠凝材料和取代砂作為骨料2種方式。

(1)取代粉煤灰：采用等質(zhì)量取代法,取代量為20、40、60、80 kg/m3，總體取代量不超過粉煤灰用量。

(2)取代機(jī)制砂:將石粉取代部分機(jī)制砂后的機(jī)制砂作為復(fù)合機(jī)制砂，如花崗巖石粉取代配合比中的20kg/㎡機(jī)制砂后，20kg/㎡花崗巖石粉與剩余的69620kg/㎡機(jī)制砂組成復(fù)合機(jī)制砂，根據(jù)GB/T14684-2022對(duì)石粉含量的要求(.高限15%),經(jīng)計(jì)算，花崗巖石粉取代機(jī)制砂的取代量≤113kg/m3，凝灰?guī)r石粉取代砂的取代量≤70 kg/m3。本研究選擇花崗巖石粉取代量分別為45、90、115 kg/m3，凝灰?guī)r石粉取代量分別為30、60、90 kg/m3進(jìn)行分析。

1.3試驗(yàn)方法

按照GB/T 5081-2019《混凝上物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)試混凝土的抗壓強(qiáng)度；按照GB/T50082-2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn))測(cè)試混凝土的早期抗裂性能、28d氯離子擴(kuò)散系數(shù)和3d自收縮。

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1石粉取代粉煤灰對(duì)混凝土性能的影響

混凝土配合比中用水量不變，通過調(diào)整減水劑用量使拌合物坍落度控制在(170+30)mm，石粉等質(zhì)量取代粉煤灰對(duì)混凝土性能的影響見表6。

由表6可見：

(1)花崗巖石粉取代粉煤灰量≤60kg/m3時(shí)，對(duì)混凝土坍落度基本無(wú)影響，不需要增加減水劑摻量；取代量為80kg/m3時(shí)，需要增加減水劑摻量來達(dá)到目標(biāo)坍落度范圍。凝灰?guī)r石粉取代粉煤灰量≤60 kg/m3時(shí),拌合物坍落度與基準(zhǔn)組相近；當(dāng)取代量達(dá)到80kg/m3時(shí)，即使增加減水劑摻量，混凝土的坍落度也明顯降低，對(duì)坍落度影響較大。這主要是由于粉煤灰具有滾珠效應(yīng)，可以起到一定減水作用， 對(duì)坍落度有較好的改善效果?；◢弾r石粉雖然顆粒不規(guī)則，沒有滾珠效應(yīng)，但表面粗糙度相對(duì)較低，加上粒徑明顯大于粉煤灰，總的比表面積降低，吸水作用減弱網(wǎng)，因此在摻量較低時(shí)花崗巖石粉并未對(duì)坍落度

造成顯著影響。而凝灰?guī)r石粉的粒徑明顯小于花崗巖石粉,不具備比表面積小的優(yōu)勢(shì)，表面也更為粗糙，導(dǎo)致凝灰?guī)r石粉取代較多粉煤灰時(shí)，減水劑摻量堆加，樣合物黏度也增大。從拌合物性能來看,2種石粉取代粉煤灰超過60kg/m3后對(duì)混凝土拌合物性能均有負(fù)面影響。

(2)花崗巖石粉取代粉煤灰對(duì)混凝士早期強(qiáng)度基本無(wú)影響，但28、56d抗壓強(qiáng)度隨著花崗巖石粉取代量的增加面降低，取代量達(dá)到80 kg/m3時(shí),28、56d抗壓強(qiáng)度較基準(zhǔn)組分別降低了8.4%、10.6%。凝灰?guī)r石粉取代量≤40kg/m3時(shí)對(duì)混凝土早期強(qiáng)度基本無(wú)影響；取代量達(dá)到60 k/mf后，各齡期抗壓強(qiáng)度均較基準(zhǔn)組有所降低。石粉取代粉煤灰后早期強(qiáng)度未出現(xiàn)明顯降低，主要是由于粉煤灰早期的活性較低，而石粉的晶核效應(yīng)能吸附硅酸三鈣水化時(shí)釋放出的鈣離子，加速水泥水化，提供C-S-H析出的成核位點(diǎn)，從而增加混凝土密實(shí)度，提高早

期強(qiáng)度。而后期強(qiáng)度低于基準(zhǔn)混凝土主要是由于在中后期隨著粉煤灰火山灰反應(yīng)的不斷進(jìn)行，二次水化生成的C-S-H起到密實(shí)填充作用，使得混凝上強(qiáng)度提高。而石粉后期并無(wú)火山灰活性，導(dǎo)致強(qiáng)度提高不如粉煤灰。2種石粉相同取代量時(shí)，花崗巖石粉混凝土強(qiáng)度略高。總體來看，2種石粉取代粉煤灰量≤40kg/m3時(shí),抗壓強(qiáng)度不會(huì)出現(xiàn)明顯降低。

(3)從流動(dòng)性和抗壓強(qiáng)度綜合考慮,C40混凝土中2種石粉取代粉煤灰量不宜超過40kg/m3。

2.2石粉單獨(dú)取代機(jī)制砂對(duì)混凝土性能的影響

為保證混凝土在控制塌落度范圍內(nèi)，在可行的條件下只調(diào)節(jié)減水劑用量，在混凝土黏度過大時(shí)，調(diào)節(jié)混凝土用水量。2種石粉單獨(dú)等質(zhì)量取代機(jī)制砂對(duì)混凝土性能的影響見表7.

由表7可見：

(I)花崗巖石粉取代機(jī)制砂不超過90kg/m3時(shí)，可在不增加用水量的條件下F通過增加減水劑用量達(dá)到與基準(zhǔn)組相近的坍落度,但混凝士黏度顯著增大。取代量為45kg/m3時(shí),減水劑摻量需要增加0.10%-0.15%；取代量為90 kg/m3時(shí),減水劑摻量增加030%；取代量達(dá)到135 kg/m3時(shí)，即使同時(shí)增加5 kg/m3用水量以及0.25%減水劑摻量,坍落度仍明顯低于基準(zhǔn)組。

(2)凝灰?guī)r石粉取代機(jī)制砂達(dá)到60 kg/m3時(shí)，就器要同時(shí)增加用水量和減水劑摻量來達(dá)到目標(biāo)坍落度。當(dāng)凝灰?guī)r石粉取代量達(dá)到90 kg/m3時(shí)，用水量需增加I5 kg/m3，減水劑摻量需增加0.25%,才能達(dá)到目標(biāo)坍落度。這主要是由于凝灰?guī)r石粉取代部分機(jī)制砂后，砂中的細(xì)粉顆粒含量顯著增加，比表面積增大，需水量增加，導(dǎo)致混凝土中自由水量降低，需增加外加劑摻量釋放更多自由水,并合物黏度增大

(3)石粉取代機(jī)制砂后，各齡期抗壓強(qiáng)度均較基準(zhǔn)組有所提高,.大提高了11.8%。即使石粉摻量過大,增加了用水量導(dǎo)致混凝土水膠比增大，混凝土各齡期抗壓強(qiáng)度與基準(zhǔn)組相比也未降低。這主要是由于石粉粒徑位于膠凝材料與機(jī)制砂粒徑之間，填充在細(xì)集料間的空隙中，使整個(gè)體系級(jí)配更合理，提高了混凝土的堆積密實(shí)度。此外，石粉的吸水作用使混凝土拌合物內(nèi)部自由水量降低，毛細(xì)孔數(shù)量略有減少,提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度。

綜合來看，石粉取代機(jī)制砂主要對(duì)混凝土排合物性能影響較大，對(duì)強(qiáng)度無(wú)不利影響?？紤]樣合物性能，花崗巖石粉取代機(jī)制砂量不宜超過90 kg/m3,凝灰?guī)r石粉取代機(jī)制砂量不宜超過60 kg/m3。

2.3石粉復(fù)合取代機(jī)制砂和粉煤灰對(duì)混凝土性能的影響

為解決上述單獨(dú)取代方案中出現(xiàn)的問題，根據(jù)石粉粒徑分布特點(diǎn)提出了復(fù)合取代粉煤灰和機(jī)制砂的方式，采用石粉中≤75um顆粒取代粉煤灰,>75um顆粒取代機(jī)制砂。例如花崗巖石粉≤75um顆粒占比為48%、>75 pm顆粒占比為52%，總花崗巖石粉取代量設(shè)定為90 kg/m3，則花崗巖石粉取代粉煤灰43 kg/m3、取代機(jī)制砂47 kg/m3。同理凝灰?guī)r石粉取代量設(shè)定為60 kg/m3,凝灰?guī)r石粉中≤75um顆粒占比為72%、＞75um顆粒占比為28%，則凝灰?guī)r石粉取代粉煤灰43kg/m3、取代機(jī)制砂17 kg/m3。石粉復(fù)合取代機(jī)制砂和粉煤灰的試驗(yàn)配合比見表8，對(duì)混凝土力學(xué)性能和耐久性能的影響見表9。

由表8可知，由于基準(zhǔn)組C40混凝土在設(shè)計(jì)時(shí)強(qiáng)度比較大，水膠比僅為0.36，混凝土本身黏度較大，摻加石粉后混凝土配置C40混凝土應(yīng)優(yōu)先考慮拌合物黏度不出現(xiàn)增大。而提高減水劑摻量只能增大坍落度并不能降低混凝土黏度，因此需要通過增加用水量至160 kg/m3來使石粉混凝土黏度與基準(zhǔn)混凝土相近?；◢弾r石粉混凝土增加用水量后不需要額外增加減水劑摻量，而凝灰?guī)r石粉由于粒徑較細(xì)，需要同步增加減水劑摻量0.10%-0.15%，以達(dá)到與基準(zhǔn)組混凝土相近的坍落度

由表9可知：

(1)石粉復(fù)合取代粉煤灰和機(jī)制砂后，由于用水量的增加，水膠比由0.36提高至0.38,各齡期抗壓強(qiáng)度有所降低，降幅在5MPa左右，由于混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度富余較大，石粉混凝土仍能達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)。

(2)石粉混凝土的28d氯離子擴(kuò)散系數(shù)與基準(zhǔn)混凝土相比有所增大，主要是水膠比增大所致，但仍符合GB/T50476-2019《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)于嚴(yán)重氯鹽侵蝕環(huán)境下設(shè)計(jì)使用年限50年，混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)不大于10x10^-12㎡/s的要求?；◢弾r石粉混凝土的3d自收縮與基準(zhǔn)組相當(dāng)，而凝灰?guī)r石粉混凝土的3d自收縮由51x10^-6增大至124x10^-6，2種石粉混凝土的早期抗裂性能也未出現(xiàn)下降。

總體來看，石粉復(fù)合取代粉媒灰和機(jī)制砂時(shí)，為保證混凝土黏度不變，需要增加混凝土的單方用水量，混凝土強(qiáng)度和抗氯離子滲透性能略有下降，但對(duì)混凝土的早期抗裂性能無(wú)不利影響?？捎糜谠O(shè)計(jì)強(qiáng)度富余較大，且服役環(huán)境不是非常嚴(yán)酷的C40混凝土。，

3結(jié)論

(1)花崗巖和凝灰?guī)r干法機(jī)制砂副產(chǎn)物石粉與粉煤灰、礦粉等膠凝材料相比，平均粒徑較大，含有較多大于75um顆粒，主委為結(jié)晶態(tài)物質(zhì)，活性較低。根據(jù)粒徑特點(diǎn)可采用等質(zhì)量取代粉煤灰、等質(zhì)量取代機(jī)制砂或復(fù)合取代粉煤灰和機(jī)制砂的方式用于混凝土制備。

(2)石粉等質(zhì)量取代粉煤灰制備C40混凝土，取代量小于60   kg/m3時(shí)對(duì)混凝土坍落度影響較小，取代量大于40 kg/m3時(shí)混凝土各齡期強(qiáng)度降低。綜合拌合物性能和強(qiáng)度要求,2種石粉取代粉煤灰量不宜超過40kg/m3。

（3）石粉等質(zhì)量取代機(jī)制砂制備C40混凝土，拌合物黏度明顯增加，對(duì)強(qiáng)度無(wú)不利影響，花崗巖石粉取代機(jī)制砂量不宜超過90 kg/m3，凝灰?guī)r石粉取代機(jī)制砂量不宜超過60kg/m3。

(4)花崗巖石粉和凝灰?guī)r石粉宜采用復(fù)合取代粉煤灰和機(jī)制砂制備混凝上以減小單獨(dú)取代的不利影響，用水量增加10kg/m3可以使石粉混凝土黏度與基準(zhǔn)混凝土保持一致，雖然混凝土強(qiáng)度和抗氯離子滲透性能略有下降，但對(duì)混凝土的早起抗裂性能無(wú)不利影響，2種石粉可用于設(shè)計(jì)強(qiáng)度有一定富余且非嚴(yán)酷服役環(huán)境下的C40混凝土。