機(jī)制砂尾料磨細(xì)摻合混凝土的性能研究

黃歆彧 朱萬旭 楊漫 梁新健 周紅梅

摘? 要：為解決機(jī)制砂尾料大量堆放填埋影響耕地、林地生態(tài)環(huán)境的問題，選取碳酸鈣含量大于75%的機(jī)制砂尾料，預(yù)處理形成新型混凝土摻合料，等量取代粉煤灰配制混凝土，進(jìn)行工作性能試驗(yàn)和力學(xué)性能試驗(yàn).結(jié)果表明：經(jīng)篩分、研磨處理后尾料粒徑范圍為0.023～0.038 mm，利用率達(dá)100%;尾料摻量在0～20%范圍內(nèi)，混凝土擴(kuò)展度及坍落度隨尾料摻量增加而增大，1 h后其流動(dòng)性能明顯改善;尾料摻量為0～15%時(shí)，其初凝時(shí)間變化幅度不大，摻量增加至20%時(shí)，其初、終凝時(shí)間大幅縮短;其抗壓強(qiáng)度隨著尾料摻量增加而降低，但降低幅度不大，且石灰石礦純度越高，降低幅度越小.機(jī)制砂尾料最佳摻量為10%左右，滿足C35強(qiáng)度級(jí)別要求，且工作性能優(yōu)于普通混凝土.

關(guān)鍵詞：機(jī)制砂;石灰石粉;混凝土;摻合料

中圖分類號(hào)：TU528? ? ? ? ? ? DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2021.01.016

0? ?引言

我國基礎(chǔ)建設(shè)規(guī)模日益擴(kuò)大，天然砂作為不可再生資源在很多地區(qū)接近枯竭，難以滿足工程建設(shè)需要，混凝土用砂供需矛盾日益突出.機(jī)制砂作為天然砂的替代品應(yīng)運(yùn)而生，GB/T 14684—2001《建筑用砂》[1]將其列入建設(shè)用砂后，機(jī)制砂混凝土在全國得到推廣應(yīng)用.然而，機(jī)制砂在生產(chǎn)過程中不可避免產(chǎn)生大量尾料，全國每年產(chǎn)生不少于40億噸機(jī)制砂尾料，且堆放填埋仍是目前最主要的處理方式，會(huì)帶來許多環(huán)境污染和資源浪費(fèi)問題.

機(jī)制砂尾料主要成分為碳酸鈣，亦可稱之為石灰石粉.趙凱月等[2]認(rèn)為目前石粉在混凝土中有兩種摻加方式：一是部分取代細(xì)骨料;二是作為礦物摻合料部分取代水泥.蘭聰?shù)萚3]認(rèn)為優(yōu)質(zhì)石灰石機(jī)制砂中的石粉能改善混凝土水泥與集料的界面過渡區(qū)，明顯提高混凝土抗壓強(qiáng)度.周孝軍等[4]以C40混凝土機(jī)制砂清水混凝土為研究對象，研究石粉含量對混凝土外觀質(zhì)量的影響規(guī)律.耿權(quán)等[5]重點(diǎn)研究石粉含量對C55機(jī)制砂自密實(shí)混凝土的工作性能的影響.余尚和等[6]提出了高石粉含量機(jī)制砂混凝土的制備方法.在混凝土中適量摻加石粉可彌補(bǔ)機(jī)制砂配制混凝土和易性差的缺陷，同時(shí)完善混凝土特細(xì)骨料級(jí)配、提高混凝土密實(shí)性，進(jìn)而提高混凝土綜合性能.

雖然石灰石粉在混凝土中已實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用，但粒徑波動(dòng)大、雜質(zhì)多等品質(zhì)不穩(wěn)定問題，使其在混凝土工程中的利用率顯著降低.2017年，我國頒布GB/T 35164—2017《用于水泥、砂漿和混凝土中的石灰石粉》[7]，但目前仍缺乏針對廣西地區(qū)公路行業(yè)特點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)和案例.本文致力于解決機(jī)制砂生產(chǎn)線尾料處理問題，進(jìn)行廣西地區(qū)機(jī)制砂尾料磨細(xì)摻合混凝土的性能研究，滿足規(guī)范要求的同時(shí)提升了機(jī)制砂尾料的利用率.

1? ? 試驗(yàn)

1.1? ?原材料

水泥：柳州產(chǎn)P.O42.5普通硅酸鹽水泥.

機(jī)制砂：細(xì)度模數(shù)2.6～3.0，含泥量小于1.0%，泥塊含量小于0.5%，MB值小于1.0 g/kg，石粉含量8%～10%.

粉煤灰：Ⅱ級(jí)粉煤灰.

碎石：粒徑5.0～30.0 mm，空隙率小于40%，壓碎指標(biāo)不大于7%，針片狀顆粒含量不大于5%，符合5.0～30.0 mm連續(xù)級(jí)配要求.

減水劑：聚羧酸減水劑，白色粉末，減水率大于25%，固含量大于30%.

1.2? ?尾料分析

1.2.1 成分分析

1）為了解機(jī)制砂尾料成分，采用廣西地區(qū)兩種機(jī)制砂尾料進(jìn)行了X射線衍射試驗(yàn)，分別編號(hào)為A、B.試驗(yàn)結(jié)果見表1.

從表1中可以看到，B機(jī)制砂尾料主要成分有3種：CaCO3、SiO2、斜綠泥石，其中CaCO3含量達(dá)到80%以上，且?guī)缀鯚o雜質(zhì).兩種機(jī)制砂尾料均能滿足GB/T 35164—2017《用于水泥、砂漿和混凝土中的石灰石粉》[7]中碳酸鈣大于75%的要求.

2）為了解機(jī)制砂尾料及處理后尾料的粒徑大小，對A機(jī)制砂尾料進(jìn)行了激光粒度分析.

首先，未處理的機(jī)制砂尾料D97=140.0 ?m，D50=18.79 ?m，比表面積為580.24 m2/kg，細(xì)度（45 ?m方孔篩篩余）為20%，不滿足規(guī)范中對石灰石粉細(xì)度（45 ?m方孔篩篩余）不大于15%的要求，不可直接利用.

篩分處理后的機(jī)制砂尾料細(xì)度（45 ?m方孔篩篩余）為5%，D97=48.0 ?m，D50=9.64 ?m，比表面積為1 139.6 m2/kg.可以看出，尾料粒徑明顯減少，比表面積增大，利用率僅為60%.

研磨處理后的機(jī)制砂尾料細(xì)度（45 ?m方孔篩篩余）為8%， D97=63.45 ?m，D50=17.85 ?m，比表面積為663.4 m2/kg，粒徑主要分布在10～60 ?m區(qū)間內(nèi)，利用率達(dá)100%.

1.2.2? 理化分析

結(jié)合GB/T 35164—2017《用于水泥、砂漿和混凝土中的石灰石粉》、GB/T 30190—2013《石灰石粉混凝土》和JGJ/T318—2014《石灰石粉在混凝土中應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》中的相關(guān)規(guī)定，表2列出了石灰石粉的具體技術(shù)指標(biāo)要求[7-9].

對某廠生產(chǎn)的石灰石粉和A、B兩種機(jī)制砂尾料的基本理化性能進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果如表3所示.

由表3結(jié)果可知，未處理的B機(jī)制砂尾料的抗壓強(qiáng)度比未達(dá)到60%，不滿足技術(shù)規(guī)范要求.篩分處理后，兩種機(jī)制砂尾料抗壓強(qiáng)度比達(dá)62%以上，尾料活性有所提升.同時(shí)，細(xì)度（45 ?m方孔篩篩余）較未處理的尾料降低50%以上.兩種機(jī)制砂尾料在經(jīng)過篩分處理后均能滿足各項(xiàng)物理化學(xué)指標(biāo).研磨處理后的B機(jī)制砂尾料細(xì)度（45 ?m方孔篩篩余）進(jìn)一步減小，7 d抗壓強(qiáng)度比進(jìn)一步提升，各項(xiàng)物理化學(xué)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求.

綜合考慮，用篩分、研磨處理后的機(jī)制砂尾料制備混凝土為最佳方案.

1.3? ?機(jī)制砂尾料磨細(xì)摻合混凝土機(jī)理

磨細(xì)處理石灰石粉使其顆粒表面光滑致密，進(jìn)一步減小摩擦阻力，在混凝土內(nèi)部充分發(fā)揮“滾珠”效應(yīng).同時(shí)，細(xì)小的石灰石粉顆粒易分散在水泥顆粒間，破壞水泥絮凝體結(jié)構(gòu)，釋放出更多自由水，增加混凝土流動(dòng)性[10-11].

石灰石粉有特殊的表面結(jié)構(gòu)，能作為C-S-H附著沉淀的“模板”，形成結(jié)晶點(diǎn)幫助C-S-H生長.磨細(xì)機(jī)制砂尾料，增大石灰石粉表面積，有助于其發(fā)揮晶核作用，誘導(dǎo)水泥的水化產(chǎn)物析晶，加速水泥水化，同時(shí)參與水泥的水化反應(yīng)，生成水化碳鋁酸鈣，并阻止鈣礬石向單硫型水化硫鋁酸鈣轉(zhuǎn)化[12-13].

2? ? 試驗(yàn)方法

2.1? ?尾料預(yù)處理

機(jī)制砂尾料資源化利用方法：先將機(jī)制砂尾料風(fēng)干處理使其含水量低于1%，然后經(jīng)篩分、研磨處理形成新型混凝土摻合料，以最佳摻量加入混凝土中，配制出符合混凝土各項(xiàng)性能指標(biāo)要求的機(jī)制砂尾料混凝土，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)制砂尾料的固體廢棄物資源化利用.機(jī)制砂尾料的預(yù)處理需經(jīng)歷以下幾個(gè)步驟：

1）前處理

為了保證機(jī)制砂尾料研磨處理后成品的質(zhì)量，針對其顆粒細(xì)小和含水率不穩(wěn)定兩大特點(diǎn)，在研磨處理前需對機(jī)制砂尾料進(jìn)行檢測，主要檢測其含泥量、含水量和主要成分.機(jī)制砂尾料含水率不穩(wěn)定，在0.5%～3.0%范圍內(nèi)變化，當(dāng)機(jī)制砂尾料含水率大于2%時(shí)，經(jīng)長距離運(yùn)輸后尾料將處于壓密狀態(tài)，極易堵塞罐車輸送口，導(dǎo)致輸送困難.

針對機(jī)制砂尾料含水率大于2%的問題，加入低含水率瓜米石，與機(jī)制砂尾料同步研磨，有效降低整體的含水率.

針對含泥量高問題，采用原料控制方法，對含泥量高的機(jī)制砂尾料進(jìn)行清洗，將含泥量控制在規(guī)范要求的控制線以下，降低含泥量.

通過檢測結(jié)果對機(jī)制砂尾料進(jìn)行篩選處理，不合格的機(jī)制砂尾料不得進(jìn)行直接研磨處理.

2）研磨處理

未處理的機(jī)制砂尾料中小于0.045 mm顆粒質(zhì)量的占60%～90%.規(guī)范要求中石灰石粉顆粒粒徑應(yīng)小于0.045 mm.前處理完成后的機(jī)制砂尾料篩分出粒徑在0.045～0.075 mm范圍內(nèi)的尾料.該粒徑范圍內(nèi)機(jī)制砂尾料可以在混凝土中部分取代細(xì)砂，以降低原料成本，同時(shí)提升固廢資源轉(zhuǎn)化利用率.

其余部分則進(jìn)入研磨生產(chǎn)線進(jìn)行研磨處理，磨細(xì)加工至粒徑為0.025～0.045 mm，細(xì)度不大于10%，以確保所有機(jī)制砂尾料均能實(shí)現(xiàn)固廢利用.該粒徑范圍的機(jī)制砂尾料將在混凝土中較好發(fā)揮其物理填充效應(yīng)，因其粒徑比水泥顆粒小，能夠較好填充水泥漿體中的孔隙，改善孔結(jié)構(gòu)[14].

將機(jī)制砂尾料進(jìn)一步磨細(xì)加工至粒徑為0.023～0.038 mm，細(xì)度為6%.進(jìn)一步磨細(xì)加工機(jī)制砂尾料將有助于其在混凝土中發(fā)揮其化學(xué)活性效應(yīng).

3）儲(chǔ)存

經(jīng)過研磨處理后的機(jī)制砂尾料需進(jìn)行密封儲(chǔ)存，且必須隔離水分，因此，需要儲(chǔ)存管單獨(dú)儲(chǔ)存.

2.2? ?混凝土試驗(yàn)

為研究機(jī)制砂尾料混凝土在公路行業(yè)中的應(yīng)用，在水膠比不變的情況下，摻入研磨處理后的機(jī)制砂尾料，參照典型C30和C35混凝土配合比進(jìn)行機(jī)制砂尾料混凝土試驗(yàn).混凝土工作性能試驗(yàn)參照GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[15];混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)根據(jù)GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[16]進(jìn)行;試件尺寸為? ? ? ? ?150 mm×150 mm×150 mm.試驗(yàn)配合比見表4.

3? ? 結(jié)果及分析

3.1? ?機(jī)制砂尾料不同摻量對混凝土工作性能的影響

3.1.1? 流動(dòng)性試驗(yàn)

不同摻量A機(jī)制砂尾料對混凝土流動(dòng)性能的影響見圖1.

摻入磨細(xì)機(jī)制砂尾料的混凝土坍落度大致在190～230 mm范圍內(nèi)，大于GB 50164—2011《混凝土質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)》[17]中對T4級(jí)大流動(dòng)性混凝土坍落度的分級(jí)指標(biāo).A機(jī)制砂尾料混凝土的擴(kuò)展度明顯大于普通混凝土，且隨著機(jī)制砂尾料摻量的增多而呈上升趨勢.當(dāng)尾料摻量小于4%時(shí)，適量的尾料填充骨料間隙使得混凝土內(nèi)部孔隙水減少，釋放出漿體絮凝結(jié)構(gòu)中的部分拌合水，提高混凝土密實(shí)程度.同時(shí)，適量尾料對表面粗糙的骨料起到包裹潤滑作用，減少漿體粘滯力，改善混凝土流動(dòng)性.當(dāng)尾料摻量在4%～8%時(shí)，坍落度隨著尾料摻量的增加而降低，這種負(fù)向作用產(chǎn)生的原因在于尾料摻量的進(jìn)一步增加，引起漿體顆粒數(shù)增加，隨之增大了需水量，使得漿體中自由水減少，增加漿體粘滯力，繼而導(dǎo)致混凝土流動(dòng)性下降.當(dāng)尾料摻量大于8%時(shí)，混凝土流動(dòng)性受正向作用大于負(fù)作用.尾料取代粉煤灰后，對減水劑的吸附能力遠(yuǎn)不如被取代的粉煤灰，所以多余的部分減水劑可以進(jìn)一步分散水泥和粉煤灰顆粒，使得尾料摻量越高，混凝土流動(dòng)性越好.

B機(jī)制砂尾料混凝土工作性能試驗(yàn)得到相似結(jié)論，如圖2所示，摻入預(yù)處理后的機(jī)制砂尾料對混凝土初始坍落度有一定改善.

靜置1 h后，機(jī)制砂尾料混凝土坍落度明顯小于初始坍落度，且隨尾料摻量增加，坍落度損失明顯減小.因此，摻磨細(xì)機(jī)制砂尾料可減小混凝土坍落度損失，明顯改善1 h后的混凝土流動(dòng)性能.

光滑致密的石粉顆粒分散在水泥顆粒之間，有效破壞了水泥水化初期絮凝結(jié)構(gòu)，釋放出更多自由水，降低顆粒間范德華力.因此，摻入磨細(xì)機(jī)制砂尾料可以增大坍落度和擴(kuò)展度，減小坍落度損失，改善混凝土的流動(dòng)性能，特別是1 h后混凝土流動(dòng)性能，使混凝土具備良好的和易性.

3.1.2? 凝結(jié)時(shí)間試驗(yàn)

對B機(jī)制砂尾料混凝土進(jìn)行凝結(jié)時(shí)間試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示.

現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)要求普通硅酸鹽水泥混凝土初凝時(shí)間不早于45 min，終凝時(shí)間不遲于600 min.機(jī)制砂尾料摻量從0提升至15%，混凝土初凝時(shí)間基本不變;摻量增加至20%，初凝時(shí)間大幅度縮短.其原因?yàn)椋弘S著尾料摻量的增加，漿體中的細(xì)顆粒增多，在用水量不變、水泥摻量相同的情況下，漿體顆粒間的平均間距減小，有利于水泥形成初始的凝聚結(jié)構(gòu)，從而縮短了凝結(jié)時(shí)間.同時(shí)，磨細(xì)石粉顆粒作為水化硅酸鈣的成核基體，降低了晶體成核勢壘，進(jìn)一步加速水泥水化進(jìn)程.

混凝土終凝時(shí)間隨機(jī)制砂尾料摻量的增加整體呈縮短趨勢.尾料摻量為5%～15%時(shí)，終凝時(shí)間小幅度延長，這種負(fù)向作用的產(chǎn)生是由于石粉顆粒相對較小，均勻分散在水泥顆粒空隙之中，減少了水泥顆粒之間的接觸，降低了水泥的濃度.所以在水膠比不變的情況下，尾料摻量越高，水泥用量越低，減少了水化產(chǎn)物，延緩了水泥的凝結(jié).當(dāng)尾料摻量大于15%后，正向作用大于負(fù)作用，終凝時(shí)間大幅度縮短，這將有利于混凝土早期強(qiáng)度的形成，從而有助于提前拆模，提早投入使用，從而加快施工進(jìn)程.

3.2? ?不同摻量機(jī)制砂尾料對混凝土力學(xué)性能的影響

A機(jī)制砂尾料混凝土的強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表5所示.

不同A機(jī)制砂尾料摻量對混凝土力學(xué)性能的影響如圖4所示.

隨著尾料摻量的增加，A機(jī)制砂尾料混凝土抗壓強(qiáng)度降低，呈負(fù)相關(guān)的趨勢，但總體降低幅度不大.混凝土3 d抗壓強(qiáng)度在尾料摻量為8%時(shí)達(dá)到峰值;同時(shí)強(qiáng)度增減的幅度變大，尾料中部分微顆粒作為輔助膠凝材料參與水泥水化反應(yīng)，一方面消耗氫氧化鈣，生成水化碳鋁酸鈣等產(chǎn)物.另一方面降低漿體中氫氧化鈣的富集程度，提高混凝土密實(shí)程度，從而使結(jié)構(gòu)致密，混凝土抗壓強(qiáng)度增加.當(dāng)尾料摻量超過8%后，漿體密實(shí)度已達(dá)最大值，繼續(xù)增加尾料摻量，密實(shí)度會(huì)下降，同時(shí)粉煤灰摻量減少，而石粉活性較低，導(dǎo)致后期混凝土強(qiáng)度增長有限，混凝土3 d、7 d、14 d及 28 d抗壓強(qiáng)度均有不同程度下降.

總體而言，機(jī)制砂尾料摻量對混凝土強(qiáng)度影響不大，最大強(qiáng)度降低量為10%左右，抗壓強(qiáng)度均能滿足設(shè)計(jì)要求，但機(jī)制砂尾料摻量過高時(shí)需考慮強(qiáng)度的降低給工程帶來的不利影響.

如圖5所示，不同摻量下的28 d抗壓強(qiáng)度均滿足C30混凝土強(qiáng)度要求，混凝土抗壓強(qiáng)度隨著機(jī)制砂尾料摻量增加而降低.結(jié)合表6可知，當(dāng)尾料摻量為10%時(shí)，28 d抗壓強(qiáng)度降低1.5%;當(dāng)摻量為15%時(shí)，抗壓強(qiáng)度降低9%.混凝土齡期達(dá)到56 d，機(jī)制砂尾料摻量為10%時(shí)，抗壓強(qiáng)度降低2.9%;摻量超過10%時(shí)，降低幅度增大，但降低比例處于可控范圍.當(dāng)混凝土密實(shí)度增大到最大值后，繼續(xù)增加尾料摻量會(huì)導(dǎo)致部分尾料呈游離狀態(tài)，這部分尾料出現(xiàn)在界面過渡區(qū)，將不利于集料與水泥之間的粘結(jié)，出現(xiàn)混凝土強(qiáng)度降低的現(xiàn)象.

綜上，機(jī)制砂尾料摻量控制在10%以內(nèi)時(shí)，混凝土強(qiáng)度較普通混凝土的抗壓強(qiáng)度基本無差別.同時(shí)，純度較高的石灰石礦制備出的機(jī)制砂尾料混凝土抗壓強(qiáng)度降低幅度更小.因此，合理控制尾料摻量，采用優(yōu)質(zhì)礦源的石灰石，將尾料摻量控制在10%以內(nèi)，既能減少水泥用量、降低成本，又能保證后期強(qiáng)度發(fā)展，滿足力學(xué)性能指標(biāo)要求[18].

4? ? 結(jié)論及展望

選取碳酸鈣含量大于75%的機(jī)制砂尾料，經(jīng)篩分、研磨處理形成新型混凝土摻合料，等量取代粉煤灰配制混凝土，進(jìn)行了工作性能試驗(yàn)和力學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)果表明：

1）機(jī)制砂尾料篩分、磨細(xì)加工至0.023～0.038 mm，能充分發(fā)揮其物理填充效應(yīng)和化學(xué)活性效應(yīng).經(jīng)過預(yù)處理技術(shù)，能將機(jī)制砂尾料“變廢為寶”，實(shí)現(xiàn)資源化利用，基本達(dá)到“零污染”.

2）隨著尾料摻量增加，混凝土擴(kuò)展度及坍落度增大，明顯改善混凝土流動(dòng)性能;當(dāng)尾料摻量增加至20%時(shí)，初、終凝時(shí)間大幅縮短，有利于混凝土提前拆模.混凝土抗壓強(qiáng)度隨尾料摻量增加而降低，優(yōu)質(zhì)石灰石礦源可以減小強(qiáng)度降低的影響.因此，將尾料摻量控制在10%左右，不僅力學(xué)性能滿足普通混凝土強(qiáng)度規(guī)范要求，且在工作性能和外觀方面具有更好的效果，其在混凝土中的應(yīng)用具有技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保3方面的優(yōu)勢.

3）機(jī)制砂尾料與其他礦物摻合料之間的協(xié)同效應(yīng)仍需進(jìn)一步進(jìn)行試驗(yàn)研究，且在耐久性能、長期性能等方面也缺乏相關(guān)理論研究.

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