“雙碳”目標(biāo)下廢棄石粉對(duì)水泥混凝土的性能影響及應(yīng)用

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（福建船政交通職業(yè)學(xué)院 土木工程學(xué)院，福建 福州 350007）

2020 年，我國(guó)在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上鄭重宣布，CO2排放力爭(zhēng)2030 年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和（簡(jiǎn)稱雙碳目標(biāo)）[1]。據(jù)有關(guān)資料顯示:2018 年全國(guó)建筑全過(guò)程碳排放總量為4.93×1010t CO2，占全國(guó)能源碳排放總量的51.2%，其中水泥生產(chǎn)排放1.11×1010t CO2，占建筑全過(guò)程碳排放總量的22.5%[2]。以石灰石為原料高溫煅燒而成的水泥，燒制過(guò)程除會(huì)產(chǎn)生大量的CO2，會(huì)大量排出氮氧化物、硫氧化物及粉塵煙塵。我國(guó)建筑行業(yè)碳排放總量大，水泥作為建筑主材在生產(chǎn)與運(yùn)行階段碳排放量占比較大，是碳減排的突破方向。因此，尋找其他材料來(lái)部分替代水泥，減少水泥熟料用量，研究出性能良好、耐久長(zhǎng)壽、低碳環(huán)保、經(jīng)濟(jì)節(jié)約的水泥路面材料對(duì)于降碳減排，提高施工質(zhì)量有著重要意義。另一方面，我國(guó)石料資源豐富，在石材的開(kāi)采和加工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的花崗巖、大理石及其他石粉，這些固體廢棄物的隨意排放，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。因此，如何將廢棄石粉“變廢為寶”也成為亟待解決的難題。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外針對(duì)石粉的技術(shù)性能開(kāi)展多項(xiàng)試驗(yàn)研究認(rèn)為石粉在混凝土中具有一定的填料效應(yīng)。巖石粉與水泥相比，比表面積大，顆粒粒徑小，巖石粉填充在水泥漿基體和界面過(guò)渡區(qū)的空隙中，使水泥結(jié)構(gòu)和界面結(jié)構(gòu)更為致密，減小孔隙率和孔徑直徑，改善孔結(jié)構(gòu)，從而提高混凝土密實(shí)度等相關(guān)性能[3]。基于此，以某在建公路項(xiàng)目為例，對(duì)混凝土中摻入廢棄石粉進(jìn)行試驗(yàn)，研究石粉取代水泥對(duì)混凝土的工作性、力學(xué)性能、耐磨性能、耐久性能等影響[4]，分析其實(shí)際應(yīng)用到工程項(xiàng)目的可行性，預(yù)測(cè)經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益，為綠色建筑材料尋找一條新的出路。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備及方案

1.1 試驗(yàn)原材料

（1）水泥，P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥，以CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3為原料，按適當(dāng)比例磨成細(xì)粉燒至部分熔融所得以硅酸鈣為主要礦物成分的水硬性膠凝物質(zhì)。其中硅酸鈣礦物≥66%，氧化鈣和氧化硅質(zhì)量比≥2.0。

（2）礦渣粉，S95 級(jí)礦渣粉，其活性鈣、硅、鋁等無(wú)機(jī)物的含量＞30%，比表面積≥400，活性指數(shù)達(dá)到95（S95 級(jí)）以上。

（3）石粉，福建泉州南安的石材石粉，主要為大理石粉和花崗巖石粉，其化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)見(jiàn)表1。

表1 石材石粉主要化學(xué)成分Table 1 The main chemical components of stone powder

（4）砂，級(jí)配范圍為Ⅱ區(qū)、細(xì)度模數(shù)2.84 的河砂，含泥量為0.1%。

（5）石，級(jí)配范圍為5～31.5 mm 的碎石，含泥量為0.9%。

（6）減水劑，聚羧酸系的大華、科之杰、億方的減水劑，萘系高效減水劑MCN-3，以及脂肪族減水劑HSB（液體），減水率20%。

（7）水，自來(lái)水。

1.2 試驗(yàn)方法

（1）混凝土的坍落度等工作性能試驗(yàn)可按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌和物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行。

（2）混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)依據(jù)GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行。

（3）混凝土耐磨性能試驗(yàn)參照J(rèn)TG 3420—2020《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行。

（4）混凝土耐久性能試驗(yàn)根據(jù)GB/T 50082—2019《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行。

1.3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

試驗(yàn)根據(jù)《混凝土配合比設(shè)計(jì)手冊(cè)》設(shè)計(jì)混凝土配合比，研究大理石石粉、花崗巖石粉單摻以及分別與礦渣粉復(fù)摻時(shí)，對(duì)水泥混凝土性能的影響。其中基準(zhǔn)組為純水泥空白組（試驗(yàn)1 組），單摻礦渣粉為試驗(yàn)2 組。為更好地研究廢棄石粉的摻入量對(duì)新拌混凝土工作性、力學(xué)性能等影響，采用大理石粉（試驗(yàn)編號(hào)3～4）、花崗巖石粉（試驗(yàn)編號(hào)7～8）分別取代10%、20%的水泥。鑒于廢棄石粉活性較低，采用JTC/T F30—2014《公路水泥混凝土路面施工技術(shù)細(xì)則》的設(shè)計(jì)方法，對(duì)試驗(yàn)3～4 組、7～8 組中的石粉分別采取系數(shù)為1.3 倍的超量取代，即試驗(yàn)5～6 組、9～10 組。如表2。

表2 混凝土配合比設(shè)計(jì)Table 2 Concrete design

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 對(duì)水泥混凝土工作性的影響

在用水量、抗折劑、砂石和粉體質(zhì)量相同的情況下,各類混凝土工作性卻大相徑庭。摻入廢棄石粉后，拌合的混凝土坍落度初始值增大，坍落度保持性能也得到提高?；鶞?zhǔn)組總體和易性較差，出現(xiàn)離析、泌水、分層現(xiàn)象；試驗(yàn)2 組單摻礦渣粉后，混凝土和易性部分改善，但仍有輕微離析泌水現(xiàn)象；單摻石粉時(shí)，混凝土和易性較好，無(wú)離析泌水現(xiàn)象，總體粘聚性不及試驗(yàn)2 組；礦渣粉和石粉二者復(fù)摻時(shí)，混凝土流動(dòng)性、粘聚性及保水性最佳。原因是:分布在水泥顆粒間的石粉顆粒表面光滑，能夠起到與粉煤灰類似的“滾珠”效應(yīng)，稀釋水泥顆粒使其更加分散，從而增大顆粒間距，增加混凝土流動(dòng)性。同時(shí)，表面光滑的石粉分散于水泥顆粒之間能夠置換出填充于顆粒間的水分，增加顆粒之間的間隔水層，打開(kāi)混凝土水化過(guò)程中形成的“絮凝結(jié)構(gòu)”[5]，從而提高混凝土的工作性。結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test result

2.2 對(duì)水泥混凝土力學(xué)性能的影響

對(duì)比大理石粉試驗(yàn)3～6 組和花崗巖石粉試驗(yàn)7～10 組的抗折強(qiáng)度，在大理石粉和花崗巖石粉取代量分別為10%、20%時(shí),7 d 的強(qiáng)度分別為基準(zhǔn)組空白樣的89.7%、79.3%、86.2%、75.9%；28d的強(qiáng)度分別為91.5%、77.5%、95.8%、80.3%。因此,隨著廢棄石粉取代量增加，無(wú)論是7 d 還是28 d 的混凝土抗折強(qiáng)度都呈減小的趨勢(shì)，28 d 下降的幅度要大于7 d。石粉單摻20%時(shí)混凝土的抗折強(qiáng)度最為削弱，但采取超摻方式可以緩解強(qiáng)度大幅度下降的趨勢(shì)。從表3 可以看出,在7 d 時(shí)摻入大理石粉比摻入花崗巖石粉的混凝土強(qiáng)度高，而28 d 時(shí)恰恰相反。

原因是在早齡期時(shí)，巖石粉摻量適當(dāng)，石粉中的CaCO3能夠吸附水泥水化過(guò)程產(chǎn)生的Ca2+離子，使CaCO3周圍的Ca(OH)2優(yōu)先成核，避免Ca(OH)2局部生長(zhǎng)成為大晶體，細(xì)小的石灰石粉顆粒充當(dāng)C-S-H 的成核基體，可降低成核位壘，加快水化反應(yīng)速度，從而改善水泥水化產(chǎn)物的分布,加速水泥的早期水化進(jìn)程[3]。但隨著水化反應(yīng)的不斷進(jìn)行，CaCO3能和水泥中的C3A和C4AF發(fā)生反應(yīng)，生成3CaO·Al2O3·CaCO3·11H2O 或3CaO·Al2O3·0.5CaCO3·11H2O 的碳鋁酸鹽復(fù)合物，該復(fù)合物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，導(dǎo)致混凝土硬化的后期強(qiáng)度降低。

2.3 對(duì)水泥混凝土耐磨性能的影響

由圖1 中可以看出，當(dāng)石粉摻入量為10%、13%、20%時(shí)，混凝土磨耗量逐漸增大，耐磨性逐漸減小，試驗(yàn)3 組和7 組取10%礦渣粉+10%石粉時(shí)，混凝土磨耗性能最好。石粉摻入量增加并不會(huì)直接提高混凝土耐磨性能，摻入適量的石粉才有利于提高混凝土耐磨性能。摻入花崗巖石粉比大理石粉的耐磨性更高。

圖1 石粉對(duì)混凝土耐磨性的影響Fig.1 Influence of stone powder on abrasion resistance of concrete

造成以上試驗(yàn)現(xiàn)象的原因: 石粉本身表面致密、磨耗性能高于同齡期下普通混凝土。將其摻入混凝土后，可有效填充混凝土中的空隙，改善混凝土漿體孔結(jié)構(gòu)。但當(dāng)石灰石粉摻入量較大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致混凝土級(jí)配變化，混凝土表面構(gòu)造細(xì)化使得耐磨性劣化?；◢弾r石粉具有更高的硬度，表面更粗糙、多棱角，顆粒之間機(jī)械嚙合力強(qiáng)，摻入花崗巖石粉的混凝土界面黏結(jié)力大，因而具有更優(yōu)的耐磨性。

2.4 對(duì)水泥混凝土耐久性能的影響

2.4.1 干燥收縮性能分析

混凝土干燥收縮指混凝土干燥時(shí)的體積改變，由于混凝土中水分在新生成的水泥石骨架中的分布變化、移動(dòng)及蒸發(fā)所引起[6]。通過(guò)對(duì)混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)3、7、14、28、60、90、120、180 d 后的干燥收縮性能進(jìn)行研究，由圖3 可知:摻石粉試件在不同齡期下的抗收縮能力均比未摻石粉強(qiáng)?；炷恋母煽s性在90 d 前增長(zhǎng)較快，后期增長(zhǎng)較平緩。石粉增量取代對(duì)混凝土干縮的抑制作用效果不明顯。

圖3 石粉對(duì)混凝土干縮性的影響Fig.3 Influence of stone powder on drying shrinkage of concrete

出現(xiàn)以上現(xiàn)象的原因是: 當(dāng)石粉摻量≤20%時(shí)，石粉顆粒結(jié)構(gòu)密實(shí)具有很好填充效應(yīng)，可以較好的細(xì)化及分化混凝土內(nèi)部的原充水空間，為混凝土中凝膠材料的水化提供有效的內(nèi)養(yǎng)護(hù)，從而阻隔混凝土內(nèi)部水分向表面擴(kuò)散的通道，降低混凝土內(nèi)部的水分消耗，因此未表現(xiàn)出明顯收縮現(xiàn)象，具有良好的體積穩(wěn)定性?；◢弾r石粉含有對(duì)混凝土性能不利的黏土成分，導(dǎo)致抗收縮性能低于摻大理石粉的混凝土。由于早期干縮速率較快，因此需加強(qiáng)早期水養(yǎng)以免施工時(shí)出現(xiàn)混凝土早期裂縫。

2.4.2 抗氯離子滲透性能分析

試驗(yàn)是在不同摻量因素作用下，研究標(biāo)養(yǎng)84 d混凝土的抗氯離子滲透性能。由圖4 可知，單摻20%石粉比摻入10%石粉+10%礦渣粉的混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)大，即混凝土的抗氯離子滲透性能隨著石粉摻量的增加而降低[7]。即便超量1.3 倍摻入石粉，混凝土抗氯離子滲透性能與原先相比并無(wú)太大差別。當(dāng)采用礦渣粉+廢棄石粉二者復(fù)摻時(shí)，與單摻礦渣粉的混凝土試件相比，抗氯離子滲透性能基本相同，但遠(yuǎn)好于基準(zhǔn)組。試驗(yàn)中大理石粉和花崗巖石粉的抗氯離子滲透性能相差無(wú)幾。

圖4 石粉對(duì)混凝土抗氯離子滲透性能的影響Fig.4 Influence of stone powder on chloride ion penetration resistance of concrete

原因是:混凝土孔隙結(jié)構(gòu)的致密程度決定抗氯離子滲透性能的優(yōu)劣，結(jié)構(gòu)越密實(shí)，抗?jié)B性能越好。在石粉摻量≤10%時(shí)，石粉顆粒能很好的填充混凝土內(nèi)部，增加混凝土結(jié)構(gòu)的致密性，抗氯離子的滲透性優(yōu)于基準(zhǔn)組純水泥試件。但隨著石粉摻量增加，石粉參與水泥水化的數(shù)量有限，水化產(chǎn)物減少且與石粉顆粒的包裹性差，導(dǎo)致混凝土膠凝材料基體之間的粘結(jié)力減小，抗氯離子滲透性降低。

2.4.3 抗碳化性能分析

混凝土的碳化是空氣中CO2氣體通過(guò)硬化混凝土細(xì)孔滲透到混凝土內(nèi)，與其堿性物質(zhì)Ca(OH)2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后生成碳酸鹽CaCO3和水，使混凝土堿性降低、鋼筋開(kāi)始生銹的過(guò)程。本試驗(yàn)綜合考慮影響碳化的各種因素，著重研究摻廢棄石粉對(duì)混凝土碳化性能的影響。試驗(yàn)過(guò)程為:試驗(yàn)試件制作、試件在碳化箱中碳化、碳化完成后噴灑酚酞試劑、研究碳化顏色及抗碳化性能影響。

試驗(yàn)結(jié)果如下: 對(duì)于石粉摻量在10%以內(nèi)時(shí)，混凝土的碳化深度與基準(zhǔn)組差別不大，但隨著石粉的摻量增加，混凝土的碳化深度逐漸增加。在復(fù)摻總量為20%時(shí)，復(fù)摻組的碳化深度要小于單摻20%時(shí)的混凝土碳化深度。試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明:石粉等量取代水泥后，混凝土堿含量降低，當(dāng)混凝土的整個(gè)pH 值減小時(shí)混凝土的抗碳化性能隨之降低。根據(jù)GB 50164—2011《混凝土質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)》 的規(guī)定，0.1 nm≤快速碳化深度≤10 mm 時(shí)混凝土的碳化性能良好，故無(wú)論采取單摻還是復(fù)摻形式，石粉取代水泥量不應(yīng)超過(guò)10%。

從兩種石粉抗碳化性能比較分析，摻大理石石粉混凝土的抗碳化性能要略優(yōu)于摻花崗巖石粉，因?yàn)榇罄硎壑械腃a2+能促進(jìn)體系Ca(OH)2的生成，故混凝土的堿性相比花崗巖石粉混凝土的高，抗碳化能力更高。

2.5 對(duì)普通混凝土的影響

除了將廢棄石粉運(yùn)用于水泥路面混凝土，試驗(yàn)還對(duì)依托工程所屬分部工程人行通道的箱體、底板、側(cè)墻等部位進(jìn)行廢棄石粉混凝土的澆筑?；炷敛捎肅30 的標(biāo)號(hào)，根據(jù)室內(nèi)力學(xué)性能和耐久性能的研究結(jié)論，取10%花崗巖石粉+15%礦渣粉復(fù)摻，減水劑采用聚羧酸性高性能減水劑，在試驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行配合比驗(yàn)證之后，各項(xiàng)性能滿足要求。在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中，選取兩個(gè)尺寸相近、混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度都為C30 的蓋板涵通道，一個(gè)用花崗巖石粉混凝土進(jìn)行澆筑，一個(gè)用該項(xiàng)目的粉煤灰與礦渣粉復(fù)摻配合比進(jìn)行澆筑，以實(shí)體工程的直觀數(shù)據(jù)進(jìn)行混凝土性能對(duì)比，具體開(kāi)盤配合比見(jiàn)表4，C30 配合比數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

表4 開(kāi)盤配合比數(shù)據(jù)Table 4 Opening mix ratio

表5 C30 配合比數(shù)據(jù)Table 5 C30 mix ratio data MPa

從混凝土最終的表觀質(zhì)量和強(qiáng)度看，石粉+礦渣粉復(fù)摻的混凝土質(zhì)量與普通粉煤灰+礦渣粉復(fù)摻的混凝土質(zhì)量沒(méi)有太大區(qū)別，滿足規(guī)范技術(shù)指標(biāo)。

3 經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益分析

3.1 經(jīng)濟(jì)分析

廢棄的大理石石粉和花崗巖石粉單價(jià)比粉煤灰、礦渣粉單價(jià)低，參照福建地區(qū)膠材平均價(jià)格，對(duì)本工程中運(yùn)用的水泥路面混凝土和C30 混凝土進(jìn)行廢棄石粉混凝土經(jīng)濟(jì)性分析，結(jié)果如表6 和7 所示。

表6 水泥路面混凝土成本對(duì)比Table 6 Cost comparison of cement pavement concrete

表7 普通混凝土成本對(duì)比Table 7 Cost comparison of ordinary concrete

從上表可知:每立方米摻入石粉的水泥路面混凝土、普通混凝土較基準(zhǔn)組可節(jié)約費(fèi)用22 元，降低成本10%。同時(shí)將廢棄石粉運(yùn)用到混凝土中，省去原先處理廢棄石粉的費(fèi)用。加之近年來(lái)粉煤灰供不應(yīng)求，品質(zhì)參差不齊，對(duì)地理位置偏僻、交通不便的項(xiàng)目而言，加上運(yùn)費(fèi)的粉煤灰到場(chǎng)價(jià)格與水泥相差無(wú)幾，以福建山區(qū)為例，每噸粉煤灰與石粉的到場(chǎng)價(jià)格相差近300元。因此使用石粉作為摻合料，經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)更為顯著。

3.2 社會(huì)效益分析

目前我國(guó)水泥生產(chǎn)普遍面臨著碳排放總量大、自然資源消耗快、用能技術(shù)效率低等問(wèn)題，每生產(chǎn)1 t 水泥消耗標(biāo)準(zhǔn)煤約200 kg，耗電約88 kW·h，碳排放量約634 kg 左右。同時(shí)石材加工行業(yè)的蓬勃興起，帶來(lái)廢棄石粉的大量增加，如全國(guó)花崗巖石粉的年產(chǎn)量已超500 萬(wàn)t，且每年以15%的比例遞增。廢棄石粉再生利用率低、堆積占用土地、易污染環(huán)境。摻入石粉的水泥混凝土每立方米可消化石粉0.4 m3，可減少對(duì)土地資源的占用，緩解交通運(yùn)輸壓力，降低碳排放量，對(duì)推進(jìn)節(jié)能減排，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，推進(jìn)雙碳目標(biāo)具有重要社會(huì)意義。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）在混凝土中摻入石粉，可以提高混凝土坍落度，改善混凝土和易性離析泌水情況，使用礦渣粉和石粉復(fù)摻時(shí)混凝土工作性能更優(yōu)。

（2）隨著石粉取代量增加，混凝土抗折強(qiáng)度降低，對(duì)混凝土產(chǎn)生不利影響。石粉單摻20%時(shí)混凝土的抗折強(qiáng)度最小，但采取超摻、復(fù)摻可以減緩下降。

（3）當(dāng)石粉摻入量≤20%，對(duì)混凝土耐磨性能表現(xiàn)為正效應(yīng)。相比摻入大理石粉，摻入花崗巖石粉的混凝土具有更好的耐磨性。

（4）摻入石粉的混凝土抗收縮能力、抗氯離子滲透性能增強(qiáng)，當(dāng)石粉摻量≤10%時(shí)，混凝土的碳化性能良好，具有良好的耐久性[8]。

（5）對(duì)于人行通道的箱體、底板、側(cè)墻等部位的普通混凝土，使用10%花崗巖石粉+15%礦渣粉復(fù)摻的混凝土質(zhì)量與普通粉煤灰+礦渣粉復(fù)摻的混凝土質(zhì)量無(wú)太大差異，可滿足規(guī)范技術(shù)指標(biāo)[9]。

綜上所述，在水泥路面混凝土中，摻入廢棄石粉，對(duì)開(kāi)辟水泥混凝土細(xì)集料來(lái)源的新方法。既可以因地制宜、就地取材，節(jié)省建設(shè)成本；又可以消化工業(yè)廢料，降低碳排放，減少環(huán)境污染。從技術(shù)上，可以通過(guò)等效替代，獲得與基準(zhǔn)混凝土相同甚至更優(yōu)的性能，通過(guò)單摻或復(fù)摻等方法研制出平價(jià)、高性的混凝土材料。因此，推廣石粉水泥混凝土的應(yīng)用，對(duì)推動(dòng)土木建筑行業(yè)綠色轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)具有十分重要的意義[10]。