機(jī)制砂石粉在混凝土中的應(yīng)用

黃振興，曹養(yǎng)華，林錫安

（1. 溫州吉邦科技有限公司，浙江 溫州 325000；2. 浙江元本檢測(cè)技術(shù)股份有限公司，浙江 溫州 325036）

0 前言

我國(guó)基本建設(shè)的突飛猛進(jìn)，尤其是房地產(chǎn)飛速發(fā)展的這 20 多年，作為主要建筑原材料的砂需求量十分巨大，近些年每年用砂量接近 200 億噸，而且很快將會(huì)突破 200 億噸。巨大的砂需求量，可觀的經(jīng)濟(jì)利益驅(qū)使，導(dǎo)致全國(guó)天然河砂資源接近枯竭。巨大的需求量和資源枯竭的矛盾，又導(dǎo)致了河砂價(jià)格飛漲，這給用砂大戶——混凝土企業(yè)和砂漿企業(yè)帶來(lái)了巨大壓力。在這種大環(huán)境下，迫使這些用砂量巨大的企業(yè)開(kāi)始使用機(jī)制砂；但是機(jī)制砂生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大約 20% 的石粉，如果不有效處理，會(huì)造成資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。同時(shí)，由于環(huán)保治理大量高污染、高能耗的中小鋼型廠被迫關(guān)閉，導(dǎo)致礦粉資源短缺，價(jià)格飛漲。本文通過(guò)對(duì)大量試驗(yàn)的總結(jié)，探討能否用機(jī)制砂石粉取代一部分礦粉，這樣就可以就可以消耗掉石粉，同時(shí)變廢為寶、降低混凝土成本。

1 試驗(yàn)方案

首先，選擇溫州地區(qū)目前常用的三種質(zhì)量比較穩(wěn)定的水泥，先做常規(guī)檢驗(yàn)，在各項(xiàng)指標(biāo)滿足國(guó)家規(guī)范要求后，分別用這三種水泥在 C20～C40 各個(gè)強(qiáng)度等級(jí)上做摻與不摻石粉的試驗(yàn)，觀察使用不同品種水泥摻加石粉混凝土的坍落度、和易性、流動(dòng)性、工作性、尤其是強(qiáng)度與不摻石粉的混凝土有什么區(qū)別。

其次，檢測(cè)礦粉、粉煤灰、石粉的活性，為石粉取代礦粉或粉煤灰尋找理論依據(jù)。

第三，此次試驗(yàn)計(jì)劃在 C20～C40 各個(gè)強(qiáng)度等級(jí)上用 30kg 石粉取代 10kg 礦粉與不摻石粉的混凝土對(duì)比混凝土的坍落度、和易性、流動(dòng)性、工作性，以及 3 天、7 天、14 天、28 天強(qiáng)度；并用三種水泥反復(fù)驗(yàn)證。

最后，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的總結(jié)，得出混凝土中是否可以摻加石粉，如果可以摻加，確定摻加的方式和比例。

2 試驗(yàn)用水泥檢測(cè)數(shù)據(jù)及礦粉、粉煤灰、石粉活性

2.1 水泥檢測(cè)數(shù)據(jù)

本試驗(yàn)采用蘭溪紅獅水泥、樂(lè)清海螺水泥和遼寧冀東水泥，檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表 1。

表1 水泥性能

通過(guò)對(duì)上述三種水泥試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可以看出，試驗(yàn)用的三種水泥全部符合國(guó)家規(guī)范要求。但是也可以看出，這三種水泥的性能是不同的，從強(qiáng)度上看，蘭溪紅獅在這三種水泥中早期強(qiáng)度高、后期強(qiáng)度也高；樂(lè)清海螺水泥早期強(qiáng)度雖不如蘭溪紅獅高，但也不低，后期 28 天強(qiáng)度略低于蘭溪紅獅水泥，但是比冀東水泥都高；冀東水泥在這三種水泥中早期強(qiáng)度最低，但后期 28 天強(qiáng)度還可以，與樂(lè)清海螺 28 天強(qiáng)度接近，但略低于蘭溪紅獅 28 天強(qiáng)度。三種水泥的比表面積各不相同，凝結(jié)時(shí)間也各異，說(shuō)明這三種水泥的水化過(guò)程和水化速度各不相同。因此，選用這三種性能不同的水泥，在各個(gè)不同強(qiáng)度等級(jí)用相同的配合比來(lái)驗(yàn)證摻與不摻石粉對(duì)混凝土的影響，就非常有意義，如果三種不同水泥的試驗(yàn)結(jié)論一致，就可以得出準(zhǔn)確的結(jié)論。

2.2 摻合料活性

在混凝土行業(yè)傳統(tǒng)的習(xí)慣性思維上一般認(rèn)為：石粉是惰性材料，是沒(méi)有活性的。那么石粉到底有沒(méi)有活性？如果有活性，那么活性能達(dá)到多少？與目前混凝土中常用摻合料礦粉和粉煤灰的活性相比，活性高、還是低？相差多少？只有先了解清楚以上問(wèn)題，才能為石粉在混凝土中的應(yīng)用找到理論依據(jù)，以及確定石粉的摻加方法和摻量。

為此，先按照規(guī)范測(cè)定了礦粉和粉煤灰的活性，然后按照粉煤灰活性檢驗(yàn)方法，測(cè)定了石粉的活性。具體檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表 2。

表2 S95 級(jí)礦粉活性

從以上三種摻合料活性檢測(cè)數(shù)據(jù)看，礦粉活性最高，28 天活性達(dá)到了 105%；粉煤灰活性次之，28 天活性達(dá)到 73%；石粉也是有活性的，28 天活性達(dá)到64%，石粉 28 天的活性大約是礦粉活性的 60%，粉煤灰活性的 90% 左右。

由活性試驗(yàn)結(jié)果可知，石粉是有活性的，石粉的活性能達(dá)到粉煤灰活性的 90%，也就是說(shuō)石粉有可能完全取代粉煤灰；石粉的活性能達(dá)到礦粉活性的 60%，也就是說(shuō)石粉有可能可以超量取代礦粉。

由于目前溫州市場(chǎng)礦粉價(jià)格昂貴，達(dá)到了 400 元/噸，而石粉價(jià)格只有 60 元/噸，因此，從石粉取代礦粉入手，這樣如果能成功，可以取得更大的經(jīng)濟(jì)效益。為了謹(jǐn)慎起見(jiàn)，先試驗(yàn)用 30kg 石粉取代 10kg 礦粉。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.1 使用蘭溪紅獅 P·O42.5水泥各強(qiáng)度等級(jí)混凝土摻與不摻石粉對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

以我公司常用泵送系列 C20、C25、C30、C35、C40 為基準(zhǔn)配合比，水泥用蘭溪紅獅 P·O42.5，然后在保持各等級(jí)混凝土配合比用水量、水泥用量、粉煤灰用量、砂率、容重不變的前提下，用 30kg 石粉取代 10kg礦粉，觀察和對(duì)比各等級(jí)摻與不摻石粉混凝土的坍落度、和易性、流動(dòng)性，以及 3、7、14、28 天強(qiáng)度。摻與不摻石粉混凝土試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表 3，強(qiáng)度對(duì)比曲線見(jiàn)圖1。

從表 3 和圖 1 可以直觀地看出，摻與不摻石粉的混凝土坍落度、和易性、流動(dòng)性沒(méi)有什么差別，同時(shí)各等級(jí)、各齡期混凝土強(qiáng)度摻與不摻石粉的結(jié)果非常接近，特別是 28 天強(qiáng)度摻加石粉的混凝土各個(gè)強(qiáng)度等級(jí)的強(qiáng)度都高于不摻石粉的混凝土強(qiáng)度。

3.2 使用海螺 P·O42.5 水泥各強(qiáng)度等級(jí)混凝土摻與不摻石粉對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

使用海螺 P·O42.5 水泥重復(fù)上述試驗(yàn)。摻與不摻石粉混凝土試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表 4，強(qiáng)度對(duì)比圖見(jiàn)圖 2。

從表 4 和圖 2 可以直觀地看出，使用各項(xiàng)物理性能和強(qiáng)度與蘭溪紅獅 P·O42.5 不同的海螺 P·O42.5 水泥摻與不摻石粉的混凝土坍落度、和易性、流動(dòng)性沒(méi)有什么差別，同時(shí)各等級(jí)、各齡期混凝土強(qiáng)度摻與不摻石粉的結(jié)果非常接近，特別是 28 天強(qiáng)度摻加石粉的混凝土各個(gè)強(qiáng)度等級(jí)的強(qiáng)度都高于不摻石粉的混凝土強(qiáng)度。

表3 使用蘭溪紅獅 P·O42.5水泥各強(qiáng)度等級(jí)混凝土摻與不摻石粉混凝土試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖1 使用蘭溪紅獅水泥，摻與不摻石粉強(qiáng)度對(duì)比曲線

3.3 使用遼寧冀東 P·O42.5 水泥各強(qiáng)度等級(jí)混凝土摻與不摻石粉對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

使用遼寧冀東 P·O42.5 水泥重復(fù)上述試驗(yàn)，摻與不摻石粉混凝土試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表 5。強(qiáng)度對(duì)比曲線見(jiàn)圖 3。

從表 5 和圖 3 可以直觀的看出，使用遼寧冀東P·O42.5 水泥摻與不摻石粉的混凝土坍落度、和易性、流動(dòng)性沒(méi)有什么差別，同時(shí)各等級(jí)、各齡期混凝土強(qiáng)度摻與不摻石粉的結(jié)果非常接近，特別是 28 天強(qiáng)度摻加石粉的混凝土各個(gè)強(qiáng)度等級(jí)的強(qiáng)度都高于不摻石粉的混凝土強(qiáng)度。

表 4 使用海螺 P·O42.5水泥各強(qiáng)度等級(jí)混凝土摻與不摻石粉混凝土試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖2 使用海螺水泥，摻與不摻石粉強(qiáng)度對(duì)比曲線

4 試驗(yàn)結(jié)論

通過(guò)用三種各項(xiàng)物理性能和強(qiáng)度都不同的水泥反復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證，可以發(fā)現(xiàn)，無(wú)論使用哪種水泥，摻與不摻石粉的混凝土坍落度、和易性、流動(dòng)性沒(méi)有什么差別，同時(shí)各等級(jí)、各齡期混凝土強(qiáng)度摻與不摻石粉的結(jié)果非常接近，特別是 28 天強(qiáng)度摻加石粉的混凝土各個(gè)強(qiáng)度等級(jí)的強(qiáng)度都高于不摻石粉的混凝土強(qiáng)度。尤其是 C35、C40 強(qiáng)度等級(jí)較高的混凝土摻加石粉后混凝土強(qiáng)度反而比不摻石粉的混凝土強(qiáng)度高。經(jīng)過(guò)查找相關(guān)資料，了解到這是石粉起到了“晶核效應(yīng)”，石粉代替了一部分水泥、礦粉、粉煤灰等活性較高的膠材來(lái)充當(dāng)晶核，使得水泥、礦粉、粉煤灰等活性較高的、原本充當(dāng)晶核不參與水化的膠材被替換出來(lái)，得到充分水化。從而提高了強(qiáng)度。

通過(guò)上面的大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以得出結(jié)論：石粉是可以取代混凝土中一部分摻合料的，取代后對(duì)混凝土的各項(xiàng)性能及強(qiáng)度沒(méi)有影響。

表 5 使用遼寧冀東 P·O42.5 水泥各強(qiáng)度等級(jí)混凝土摻與不摻石粉混凝土試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖3 使用遼寧冀東水泥，摻與不摻石粉強(qiáng)度對(duì)比曲線

5 經(jīng)濟(jì)效益

目前溫州地區(qū)礦粉市場(chǎng)價(jià)為 400 元/噸左右，石粉價(jià)格為 60 元/噸，10kg 礦粉為 4 元，30kg 石粉為 1.8元，每立方混凝土用 30kg 石粉取代 10kg 礦粉可以降低成本 2.2 元，按照我公司每年 70 萬(wàn)方混凝土產(chǎn)量計(jì)算，將為公司節(jié)約 154 萬(wàn)元。既消耗了機(jī)制砂副產(chǎn)品，又為公司降低了成本，還不影響混凝土質(zhì)量和施工性能，有很大的經(jīng)濟(jì)效益。

6 機(jī)制砂石粉用于混凝土?xí)r的注意事項(xiàng)

（1）在混凝土中使用機(jī)制砂石粉時(shí)，混凝土生產(chǎn)線要配備專用石粉倉(cāng)，并做好明顯、醒目的標(biāo)示，要嚴(yán)格預(yù)防石粉與其他粉料打錯(cuò)倉(cāng)的嚴(yán)重質(zhì)量事故。

（2）不同石材生產(chǎn)機(jī)制砂時(shí)產(chǎn)生的石粉各項(xiàng)物理性能及活性是不同的，更換石材時(shí)，要重新檢驗(yàn)石粉的各項(xiàng)物理性能及活性，并根據(jù)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)確定替代方式和摻量。

（3）更換石材時(shí)，要重新復(fù)試摻加石粉各強(qiáng)度等級(jí)混凝土的配合比，確認(rèn)沒(méi)有問(wèn)題后再投入使用。

（4）首次在混凝土中使用石粉時(shí)，摻量不要太大，成功后，再通過(guò)試驗(yàn)增加摻量。

（5）機(jī)制砂石粉對(duì)混凝土的耐久性有什么影響還不清楚，還需要同行們進(jìn)一步研究和探索。

7 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，由于機(jī)制砂石粉價(jià)格較低，取代礦粉既降低混凝土成本，還消耗了生產(chǎn)機(jī)制砂時(shí)產(chǎn)生的多余石粉，同時(shí)還不影響混凝土各項(xiàng)性能及強(qiáng)度，能給混凝土生產(chǎn)廠家?guī)?lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

隨著天然砂資源的日益枯竭，全國(guó)各地使用機(jī)制砂的公司越來(lái)越多，機(jī)制砂石粉的資源非常豐富；因此，機(jī)制砂石粉在自然原材緊缺的情況下，必將替代部分礦物摻合料，逐漸成為混凝土中不可或缺的一種礦物摻合料。

本文只是拋磚引玉，提出了機(jī)制砂石粉在混凝土應(yīng)用的方法和思路。本文的試驗(yàn)是非常謹(jǐn)慎的，只使用了少量的石粉代替少量的礦粉，我們計(jì)劃在這次成功的基礎(chǔ)上進(jìn)一步加大摻量和取代量進(jìn)行試驗(yàn)，以期取得更好的結(jié)果。從石粉活性試驗(yàn)結(jié)果看，石粉活性與粉煤灰活性接近；因此石粉取代部分或全部粉煤灰在理論上也是可行的，這需要同行們一起努力，進(jìn)一步探索和研究。