0前言

为解决天然砂资源稀缺、建设用砂紧俏的问题，工程上逐渐以机制砂取代天然砂开展生产。机制砂是将石料破碎和筛分后制成的细集料，原料来源广泛、工艺简单、成品砂质量可控。然而，在机制砂生产中，石料破碎筛分和输送阶段的石粉粉尘和泥土杂质会导致环境污染。以漳州、徐大堡核电站干法机制砂生产线为例，其机制砂产量约2000t/d，副产物石料约860t/d，每年共计产生石粉34万t，大量石粉堆存占用场地，带来环境污染问题，需要寻找石粉资料化利用途径。

研究表明，在机制砂混凝土中掺加适量石粉，可利用其形态效应、晶核效应、填充效应以及化学效应，填充骨料间的空隐。增加浆体的体积，从而改善混凝土和易性,同时加速水泥水化,提高混凝土密实度、强度和耐久性,在资源化利用石粉固废的同时，也可减少环境污染。但石粉在实际应用时还存在如下问题: (1)石粉本身的火山灰活性较低，以取代胶凝材料的方式掺入混凝土对强度有一定的影响；(2)石粉在破碎过程中导致表面粗糙，其需水量较大,对混凝土拌合物性能有较大的影响。

基于石粉资源化利用需求,本文将花岗岩石粉、凝灰岩石粉以不同替代方式和替代率应用于C40机制砂混凝土,分析其对拌合物性能、抗压强度和长期耐久性能的影响，对石粉在普通混凝土中应用的可行性与关键技术问题进行研究。

1试验

1.1原材料

水泥(OPC)：红狮P.042.5水泥，安定性合格，主要技术性能见表I；粉煤灰(FA)：宝钢电厂，I级，主要技术性能见表2；矿粉(SF)：S95级，主要技术性能见表3；机制砂：细度模数2.5，主要技术性能见表4；天然碎石：5-25mm连续级配，针片状颗粒含量1%；减水剂：浙江五龙牌聚羧酸减水剂，含固量17%，减水率21%；石粉：核电站干法机制砂生产过程中产生的副产物石粉，根据机制砂生产矿石岩相的不同分为花岗岩石粉(HG)和凝灰岩石粉(NH)。石粉的表观形貌见图1，XRD图谱见图2,SEM照片见图3，粒径分布见图4，石粉以及其他胶凝材料关键粒径指标对比见表5。

图1  石粉的表观形貌

图2  石粉的XRD图谱

图3 石粉的SEM照片

图4  石粉的粒径分布

由图1-图4以及表5分析可知，2种石粉主要由石英钠长石、微斜长石组成，凝灰岩石粉中还含有少量方解石。2种石粉所含物质相似晶相为主，无定形物质含量很少，基本可视为惰性材料；凝灰岩石粉比花岗岩石粉的表面更加粗糙；2种石粉的中位粒径d50分别为79.2、32.8um,整体粒径明显大于水泥、粉煤灰、矿粉等胶凝材料；2种石粉的d90分别为188.3、138.0um，表明2种石粉中有大量的粗颗粒。按GB/T14684-2022《建设用砂》的规定，机制砂中的石粉含量是指<75um颗粒含量，因此本研究中石粉有较多的颗粒在砂的细端粒径范畴，2种石粉中＞75um颗粒含量分别达到52%、28%。

1.2 试验设计

混凝土设计强度等级为C40,基准配合比（kg/m³）为：m(水泥)：m(粉煤灰)：m(矿粉)：m(机制砂)：m(碎石)：m(水)=300：80：50:716:1074:155，减水剂掺量为凝胶材料质量的0.95%-1.3%，控制拌合物坍落度在（170±30）mm。

根据石粉的材性分析结果，石粉在混凝土中的应用可采用取代粉煤灰作为胶凝材料和取代砂作为骨料2种方式。

(1)取代粉煤灰：采用等质量取代法,取代量为20、40、60、80 kg/m³，总体取代量不超过粉煤灰用量。

(2)取代机制砂:将石粉取代部分机制砂后的机制砂作为复合机制砂，如花岗岩石粉取代配合比中的20kg/㎡机制砂后，20kg/㎡花岗岩石粉与剩余的69620kg/㎡机制砂组成复合机制砂，根据GB/T14684-2022对石粉含量的要求(.高限15%),经计算，花岗岩石粉取代机制砂的取代量≤113kg/m³，凝灰岩石粉取代砂的取代量≤70 kg/m³。本研究选择花岗岩石粉取代量分别为45、90、115 kg/m³，凝灰岩石粉取代量分别为30、60、90 kg/m³进行分析。

1.3试验方法

按照GB/T 5081-2019《混凝上物理力学性能试验方法标准》测试混凝土的抗压强度；按照GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准)测试混凝土的早期抗裂性能、28d氯离子扩散系数和3d自收缩。

2试验结果与分析

2.1石粉取代粉煤灰对混凝土性能的影响

混凝土配合比中用水量不变，通过调整减水剂用量使拌合物坍落度控制在(170+30)mm，石粉等质量取代粉煤灰对混凝土性能的影响见表6。

由表6可见：

(1)花岗岩石粉取代粉煤灰量≤60kg/m³时，对混凝土坍落度基本无影响，不需要增加减水剂掺量；取代量为80kg/m³时，需要增加减水剂掺量来达到目标坍落度范围。凝灰岩石粉取代粉煤灰量≤60 kg/m³时,拌合物坍落度与基准组相近；当取代量达到80kg/m³时，即使增加减水剂掺量，混凝土的坍落度也明显降低，对坍落度影响较大。这主要是由于粉煤灰具有滚珠效应，可以起到一定减水作用， 对坍落度有较好的改善效果。花岗岩石粉虽然颗粒不规则，没有滚珠效应，但表面粗糙度相对较低，加上粒径明显大于粉煤灰，总的比表面积降低，吸水作用减弱网，因此在掺量较低时花岗岩石粉并未对坍落度

造成显著影响。而凝灰岩石粉的粒径明显小于花岗岩石粉,不具备比表面积小的优势，表面也更为粗糙，导致凝灰岩石粉取代较多粉煤灰时，减水剂掺量堆加，样合物黏度也增大。从拌合物性能来看,2种石粉取代粉煤灰超过60kg/m³后对混凝土拌合物性能均有负面影响。

(2)花岗岩石粉取代粉煤灰对混凝士早期强度基本无影响，但28、56d抗压强度随着花岗岩石粉取代量的增加面降低，取代量达到80 kg/m³时,28、56d抗压强度较基准组分别降低了8.4%、10.6%。凝灰岩石粉取代量≤40kg/m³时对混凝土早期强度基本无影响；取代量达到60 k/mf后，各龄期抗压强度均较基准组有所降低。石粉取代粉煤灰后早期强度未出现明显降低，主要是由于粉煤灰早期的活性较低，而石粉的晶核效应能吸附硅酸三钙水化时释放出的钙离子，加速水泥水化，提供C-S-H析出的成核位点，从而增加混凝土密实度，提高早

期强度。而后期强度低于基准混凝土主要是由于在中后期随着粉煤灰火山灰反应的不断进行，二次水化生成的C-S-H起到密实填充作用，使得混凝上强度提高。而石粉后期并无火山灰活性，导致强度提高不如粉煤灰。2种石粉相同取代量时，花岗岩石粉混凝土强度略高。总体来看，2种石粉取代粉煤灰量≤40kg/m³时,抗压强度不会出现明显降低。

(3)从流动性和抗压强度综合考虑,C40混凝土中2种石粉取代粉煤灰量不宜超过40kg/m³。

2.2石粉单独取代机制砂对混凝土性能的影响

为保证混凝土在控制塌落度范围内，在可行的条件下只调节减水剂用量，在混凝土黏度过大时，调节混凝土用水量。2种石粉单独等质量取代机制砂对混凝土性能的影响见表7.

由表7可见：

(I)花岗岩石粉取代机制砂不超过90kg/m³时，可在不增加用水量的条件下F通过增加减水剂用量达到与基准组相近的坍落度,但混凝士黏度显著增大。取代量为45kg/m³时,减水剂掺量需要增加0.10%-0.15%；取代量为90 kg/m³时,减水剂掺量增加030%；取代量达到135 kg/m³时，即使同时增加5 kg/m³用水量以及0.25%减水剂掺量,坍落度仍明显低于基准组。

(2)凝灰岩石粉取代机制砂达到60 kg/m³时，就器要同时增加用水量和减水剂掺量来达到目标坍落度。当凝灰岩石粉取代量达到90 kg/m³时，用水量需增加I5 kg/m³，减水剂掺量需增加0.25%,才能达到目标坍落度。这主要是由于凝灰岩石粉取代部分机制砂后，砂中的细粉颗粒含量显著增加，比表面积增大，需水量增加，导致混凝土中自由水量降低，需增加外加剂掺量释放更多自由水,并合物黏度增大

(3)石粉取代机制砂后，各龄期抗压强度均较基准组有所提高,.大提高了11.8%。即使石粉掺量过大,增加了用水量导致混凝土水胶比增大，混凝土各龄期抗压强度与基准组相比也未降低。这主要是由于石粉粒径位于胶凝材料与机制砂粒径之间，填充在细集料间的空隙中，使整个体系级配更合理，提高了混凝土的堆积密实度。此外，石粉的吸水作用使混凝土拌合物内部自由水量降低，毛细孔数量略有减少,提高了混凝土的抗压强度。

综合来看，石粉取代机制砂主要对混凝土排合物性能影响较大，对强度无不利影响。考虑样合物性能，花岗岩石粉取代机制砂量不宜超过90 kg/m³,凝灰岩石粉取代机制砂量不宜超过60 kg/m³。

2.3石粉复合取代机制砂和粉煤灰对混凝土性能的影响

为解决上述单独取代方案中出现的问题，根据石粉粒径分布特点提出了复合取代粉煤灰和机制砂的方式，采用石粉中≤75um颗粒取代粉煤灰,>75um颗粒取代机制砂。例如花岗岩石粉≤75um颗粒占比为48%、>75 pm颗粒占比为52%，总花岗岩石粉取代量设定为90 kg/m³，则花岗岩石粉取代粉煤灰43 kg/m³、取代机制砂47 kg/m³。同理凝灰岩石粉取代量设定为60 kg/m³,凝灰岩石粉中≤75um颗粒占比为72%、＞75um颗粒占比为28%，则凝灰岩石粉取代粉煤灰43kg/m³、取代机制砂17 kg/m³。石粉复合取代机制砂和粉煤灰的试验配合比见表8，对混凝土力学性能和耐久性能的影响见表9。

由表8可知，由于基准组C40混凝土在设计时强度比较大，水胶比仅为0.36，混凝土本身黏度较大，掺加石粉后混凝土配置C40混凝土应优先考虑拌合物黏度不出现增大。而提高减水剂掺量只能增大坍落度并不能降低混凝土黏度，因此需要通过增加用水量至160 kg/m³来使石粉混凝土黏度与基准混凝土相近。花岗岩石粉混凝土增加用水量后不需要额外增加减水剂掺量，而凝灰岩石粉由于粒径较细，需要同步增加减水剂掺量0.10%-0.15%，以达到与基准组混凝土相近的坍落度

由表9可知：

(1)石粉复合取代粉煤灰和机制砂后，由于用水量的增加，水胶比由0.36提高至0.38,各龄期抗压强度有所降低，降幅在5MPa左右，由于混凝土设计强度富余较大，石粉混凝土仍能达到设计强度等级。

(2)石粉混凝土的28d氯离子扩散系数与基准混凝土相比有所增大，主要是水胶比增大所致，但仍符合GB/T50476-2019《混凝土结构耐久性设计标准》对于严重氯盐侵蚀环境下设计使用年限50年，混凝土氯离子扩散系数不大于10x10^-12㎡/s的要求。花岗岩石粉混凝土的3d自收缩与基准组相当，而凝灰岩石粉混凝土的3d自收缩由51x10^-6增大至124x10^-6，2种石粉混凝土的早期抗裂性能也未出现下降。

总体来看，石粉复合取代粉媒灰和机制砂时，为保证混凝土黏度不变，需要增加混凝土的单方用水量，混凝土强度和抗氯离子渗透性能略有下降，但对混凝土的早期抗裂性能无不利影响。可用于设计强度富余较大，且服役环境不是非常严酷的C40混凝土。，

3结论

(1)花岗岩和凝灰岩干法机制砂副产物石粉与粉煤灰、矿粉等胶凝材料相比，平均粒径较大，含有较多大于75um颗粒，主委为结晶态物质，活性较低。根据粒径特点可采用等质量取代粉煤灰、等质量取代机制砂或复合取代粉煤灰和机制砂的方式用于混凝土制备。

(2)石粉等质量取代粉煤灰制备C40混凝土，取代量小于60   kg/m³时对混凝土坍落度影响较小，取代量大于40 kg/m³时混凝土各龄期强度降低。综合拌合物性能和强度要求,2种石粉取代粉煤灰量不宜超过40kg/m³。

（3）石粉等质量取代机制砂制备C40混凝土，拌合物黏度明显增加，对强度无不利影响，花岗岩石粉取代机制砂量不宜超过90 kg/m³，凝灰岩石粉取代机制砂量不宜超过60kg/m³。

(4)花岗岩石粉和凝灰岩石粉宜采用复合取代粉煤灰和机制砂制备混凝上以减小单独取代的不利影响，用水量增加10kg/m³可以使石粉混凝土黏度与基准混凝土保持一致，虽然混凝土强度和抗氯离子渗透性能略有下降，但对混凝土的早起抗裂性能无不利影响，2种石粉可用于设计强度有一定富余且非严酷服役环境下的C40混凝土。