0前言

為解決天然砂資源稀缺、建設用砂緊俏的問題，工程上逐漸以機制砂取代天然砂開展生產(chǎn)。機制砂是將石料破碎和篩分后制成的細集料，原料來源廣泛、工藝簡單、成品砂質量可控。然而，在機制砂生產(chǎn)中，石料破碎篩分和輸送階段的石粉粉塵和泥土雜質會導致環(huán)境污染。以漳州、徐大堡核電站干法機制砂生產(chǎn)線為例，其機制砂產(chǎn)量約2000t/d，副產(chǎn)物石料約860t/d，每年共計產(chǎn)生石粉34萬t，大量石粉堆存占用場地，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，在機制砂混凝土中摻加適量石粉，可利用其形態(tài)效應、晶核效應、填充效應以及化學效應，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,同時加速水泥水化,提高混凝土密實度、強度和耐久性,在資源化利用石粉固廢的同時，也可減少環(huán)境污染。但石粉在實際應用時還存在如下問題: (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強度有一定的影響；(2)石粉在破碎過程中導致表面粗糙，其需水量較大,對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用于C40機制砂混凝土,分析其對拌合物性能、抗壓強度和長期耐久性能的影響，對石粉在普通混凝土中應用的可行性與關鍵技術問題進行研究。

1試驗

1.1原材料

水泥(OPC)：紅獅P.042.5水泥，安定性合格，主要技術性能見表I；粉煤灰(FA)：寶鋼電廠，I級，主要技術性能見表2；礦粉(SF)：S95級，主要技術性能見表3；機制砂：細度模數(shù)2.5，主要技術性能見表4；天然碎石：5-25mm連續(xù)級配，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：核電站干法機制砂生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物石粉，根據(jù)機制砂生產(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鍵粒徑指標對比見表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石、微斜長石組成，凝灰?guī)r石粉中還含有少量方解石。2種石粉所含物質相似晶相為主，無定形物質含量很少，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《建設用砂》的規(guī)定，機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端粒徑范疇，2種石粉中＞75um顆粒含量分別達到52%、28%。

1.2 試驗設計

混凝土設計強度等級為C40,基準配合比（kg/m3）為：m(水泥)：m(粉煤灰)：m(礦粉)：m(機制砂)：m(碎石)：m(水)=300：80：50:716:1074:155，減水劑摻量為凝膠材料質量的0.95%-1.3%，控制拌合物坍落度在（170±30）mm。

根據(jù)石粉的材性分析結果，石粉在混凝土中的應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)取代機制砂:將石粉取代部分機制砂后的機制砂作為復合機制砂，如花崗巖石粉取代配合比中的20kg/㎡機制砂后，20kg/㎡花崗巖石粉與剩余的69620kg/㎡機制砂組成復合機制砂，根據(jù)GB/T14684-2022對石粉含量的要求(.高限15%),經(jīng)計算，花崗巖石粉取代機制砂的取代量≤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進行分析。

1.3試驗方法

按照GB/T 5081-2019《混凝上物理力學性能試驗方法標準》測試混凝土的抗壓強度；按照GB/T50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準)測試混凝土的早期抗裂性能、28d氯離子擴散系數(shù)和3d自收縮。

2試驗結果與分析

2.1石粉取代粉煤灰對混凝土性能的影響

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，石粉等質量取代粉煤灰對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，對混凝土坍落度基本無影響，不需要增加減水劑摻量；取代量為80kg/m3時，需要增加減水劑摻量來達到目標坍落度范圍。凝灰?guī)r石粉取代粉煤灰量≤60 kg/m3時,拌合物坍落度與基準組相近；當取代量達到80kg/m3時，即使增加減水劑摻量，混凝土的坍落度也明顯降低，對坍落度影響較大。這主要是由于粉煤灰具有滾珠效應，可以起到一定減水作用， 對坍落度有較好的改善效果。花崗巖石粉雖然顆粒不規(guī)則，沒有滾珠效應，但表面粗糙度相對較低，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)，因此在摻量較低時花崗巖石粉并未對坍落度

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，表面也更為粗糙，導致凝灰?guī)r石粉取代較多粉煤灰時，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后對混凝土拌合物性能均有負面影響。

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

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

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

2.2石粉單獨取代機制砂對混凝土性能的影響

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，調(diào)節(jié)混凝土用水量。2種石粉單獨等質量取代機制砂對混凝土性能的影響見表7.

由表7可見：

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

(2)凝灰?guī)r石粉取代機制砂達到60 kg/m3時，就器要同時增加用水量和減水劑摻量來達到目標坍落度。當凝灰?guī)r石粉取代量達到90 kg/m3時，用水量需增加I5 kg/m3，減水劑摻量需增加0.25%,才能達到目標坍落度。這主要是由于凝灰?guī)r石粉取代部分機制砂后，砂中的細粉顆粒含量顯著增加，比表面積增大，需水量增加，導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)石粉取代機制砂后，各齡期抗壓強度均較基準組有所提高,.大提高了11.8%。即使石粉摻量過大,增加了用水量導致混凝土水膠比增大，混凝土各齡期抗壓強度與基準組相比也未降低。這主要是由于石粉粒徑位于膠凝材料與機制砂粒徑之間，填充在細集料間的空隙中，使整個體系級配更合理，提高了混凝土的堆積密實度。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，毛細孔數(shù)量略有減少,提高了混凝土的抗壓強度。

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

2.3石粉復合取代機制砂和粉煤灰對混凝土性能的影響

為解決上述單獨取代方案中出現(xiàn)的問題，根據(jù)石粉粒徑分布特點提出了復合取代粉煤灰和機制砂的方式，采用石粉中≤75um顆粒取代粉煤灰,>75um顆粒取代機制砂。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定為90 kg/m3，則花崗巖石粉取代粉煤灰43 kg/m3、取代機制砂47 kg/m3。同理凝灰?guī)r石粉取代量設定為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、取代機制砂17 kg/m3。石粉復合取代機制砂和粉煤灰的試驗配合比見表8，對混凝土力學性能和耐久性能的影響見表9。

由表8可知，由于基準組C40混凝土在設計時強度比較大，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，需要同步增加減水劑摻量0.10%-0.15%，以達到與基準組混凝土相近的坍落度

由表9可知：

(1)石粉復合取代粉煤灰和機制砂后，由于用水量的增加，水膠比由0.36提高至0.38,各齡期抗壓強度有所降低，降幅在5MPa左右，由于混凝土設計強度富余較大，石粉混凝土仍能達到設計強度等級。

(2)石粉混凝土的28d氯離子擴散系數(shù)與基準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《混凝土結構耐久性設計標準》對于嚴重氯鹽侵蝕環(huán)境下設計使用年限50年，混凝土氯離子擴散系數(shù)不大于10x10^-12㎡/s的要求。花崗巖石粉混凝土的3d自收縮與基準組相當，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，石粉復合取代粉媒灰和機制砂時，為保證混凝土黏度不變，需要增加混凝土的單方用水量，混凝土強度和抗氯離子滲透性能略有下降，但對混凝土的早期抗裂性能無不利影響。可用于設計強度富余較大，且服役環(huán)境不是非常嚴酷的C40混凝土。，

3結論

(1)花崗巖和凝灰?guī)r干法機制砂副產(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，主委為結晶態(tài)物質，活性較低。根據(jù)粒徑特點可采用等質量取代粉煤灰、等質量取代機制砂或復合取代粉煤灰和機制砂的方式用于混凝土制備。

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

（3）石粉等質量取代機制砂制備C40混凝土，拌合物黏度明顯增加，對強度無不利影響，花崗巖石粉取代機制砂量不宜超過90 kg/m3，凝灰?guī)r石粉取代機制砂量不宜超過60kg/m3。

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