風積沙石粉在混凝土中應用可行性研究

李凱，朱炎寧，沈忠雪，艾洪祥

（中建西部建設股份有限公司，新疆　烏魯木齊　830000）

風積沙石粉在混凝土中應用可行性研究

李凱，朱炎寧，沈忠雪，艾洪祥

（中建西部建設股份有限公司，新疆烏魯木齊830000）

本文通過粉磨技術對風積沙進行處理，得到風積沙石粉。研究石粉易磨性、不同比表面積風積沙石粉的活性指數、風積沙石粉對混凝土體積穩定性影響，并研究風積沙石粉替代水泥進行商品混凝土拌制的可行性。結果表明風積沙石粉替代10% 水泥進行混凝土拌制是可行的。

風積沙；石粉易磨性；體積穩定性；替代水泥；混凝土

0　前言

新疆地區地域遼闊，占 1/6 的國土面積，其中沙漠面積為 80.89 萬平方公里，約占全國國土面積的 8.43%，且每年有增長趨勢。風積沙是存在于沙漠中被風吹、沉淀的沙層，其粒徑主要分布在 0.75～2.36mm 之間，該區間顆粒含量高達90% 以上，而且其具有高含泥、非塑性、低吸水、松鋪系數小等特點。

目前國內關于風積沙的利用僅局限于修筑公路，其用量對于我國風積沙的資源總量來說，可謂是九牛一毛，并沒有將風積沙進行最大限度的開發應用。我國實施“十一五”規劃綱要以來，把節約資源、保護環境作為一項基本國策，發展循環經濟，保護生態環境，建設資源節約和環境友好型社會已成為社會發展的必然方向。研究和認識風積沙，積極探索風積沙的可利用功能，無論對于綠色可持續發展還是廢棄資源再利用都具有深遠的意義。本研究采用粉磨等手段得到一定比表面積的風積沙石粉，研究風積沙易磨性、不同比表面積石粉的活性指數、風積沙石粉對混凝土體積穩定性影響、作為膠凝材料取代水泥在混凝土中應用的可行性。

1　試驗材料

1.1水泥

水泥采用新疆青松水泥有限公司的強度等級為 42.5R 的普通硅酸鹽水泥。其性能指標測定比表面積為 382m2/kg；初凝時間 150min，終凝時間 180min；其 3d 和 28d 抗折強度分別為 5.8MPa、8.5MPa；3d 和 28d 抗壓強度分別為 27.3MPa、45.0MPa；安定性檢測合格。

1.2粉煤灰

粉煤灰產地新疆紅雁池二電廠（Ⅲ 級）。其性能檢測指標測定細度 30.3%，需水量比 98%；游離氧化鈣 0.4%，燒失量 2.3%，SO3含量 0.5%，28d 活性指數 71.2%。

1.3磨細礦渣粉

磨細礦渣粉產地：中建西部建設股份有限公司烏市分公司粉磨車間。其性能檢測指標測定比表面積 420m2/kg，SO3含量 1.0%，燒失量 1.0%，需水量比 98%；3d、7d、28d 活性指數分別為 58%、76%、98%。

1.4砂樣

本研究使用風積沙試樣取自新疆烏魯木齊周邊的沙漠背風層表面浮砂。物理性質見表 1。

表1　風積沙物理性質

1.5風積沙石粉

通過球磨機粉磨得到不同比表面積風積沙石粉，化學組分見表 2。

表2　風積沙石粉化學組成　　　　　%

1.6骨料

粗細骨料均產自烏魯木齊周邊，天然砂具體參數見表1。粗骨料粒徑為 5～20mm、20～40mm。各項性能指標符合JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》規定。

1.8外加劑

外加劑采用江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產的高性能聚羧酸減水劑。與本研究涉及水泥具有良好適應性，減水率為 28%，性能指標符合 GB 8076—2008《混凝土外加劑》要求。

2　風積沙粉磨及活性指數試驗

2.1易磨性試驗

通過球磨機將風積沙按不同粉磨時間進行處理，得到不同比表面積的風積沙粉磨石粉。比表面積的測試參照 GB/T 8074—2008《水泥比表面積測定方法—勃氏法》進行。粉磨時間與對應比表面積見圖 1。

由圖 1 可知，風積沙石粉比表面積隨粉磨時間的延長而增大，粉磨時間超過 30min 后石粉的比表面積增大不明顯，原因是粉磨超過 30min，粉體開始結團，出現粘球現象。粉磨超過 40min 粘球現象嚴重，團聚程度增大。

圖1　粉磨時間與比表面積對應關系

2.2強度活性指數

借鑒粉煤灰強度活性指數試驗，參照標準 GB/T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》對風積沙石粉進行強度活性指數試驗。膠砂配比見表 3，7d、28d 水泥膠砂抗壓強度見表 4。

表3　膠砂配比

表4　7d、28d 水泥膠砂抗壓強度

由表 3 和表 4 可以看出：風積沙石粉替代水泥量為總膠材的 30%，而摻入石粉的粉磨時間在 20min 以上的水泥膠砂試塊的抗壓強度損失都小于 30%。根據馮乃謙教授的膠材活性理論，可以認為風積沙石粉具有一定的活性。隨著粉磨時間的延長，風積沙石粉比表面積的增加，石粉的水泥膠砂 28d抗壓強度呈增長趨勢，增長平緩?？梢酝茰y風積沙石粉比表面積達到一定值后風積沙石粉的其他性能對混凝土強度的增長有幫助，比如風積沙石粉的填充效應，能夠在一定條件下增加混凝土的致密性，提高水泥膠砂強度。根據風積沙石粉膠砂7d 強度可以看出：風積沙石粉對混凝土前期強度的增長效果高于后期，原因是風積沙石粉具有“加速效應”。其基本原理是風積沙石粉顆粒作為一個個成核場所，致使摻入風積沙石粉后，混凝土中水泥水化速率加快。

3　風積沙石粉對砂漿體積穩定性影響

結合圖 1 和表 4 選擇粉磨時間為 50min 的風積沙石粉進行砂漿限制膨脹率試驗。試驗參照 GB 23439—2009《混凝土膨脹劑》中附錄 A 的方法進行。風積沙石粉內摻為 10%，水膠比為 0.4，膠砂比為 2.0。不同養護條件下風積沙石粉限制膨脹率試驗結果見表 5 和圖 2。

圖2　不同養護條件下風積沙石粉限制膨脹率

由圖 2 可以看出，摻入風積沙石粉的砂漿在絕濕和水養的養護條件下的限制膨脹率均大于未摻加石粉的基準組，由此可以認為風積沙石粉能夠在一定程度上彌補體積收縮，對水泥基膠凝材料的體積穩定性無不利影響。原因可能是風積沙石粉的填充效應使砂漿體系更加密實；風積沙石粉中的活性 SiO2與水泥水化產物 Ca(OH)2反應生成了有膠凝性質的穩定的水化硅酸鈣凝膠，增加了有益水化物數量，從而達到了補償收縮的效果。

4　風積沙石粉取代水泥試驗

風積沙石粉對膠砂的強度有一定的幫助，能否在混凝土生產中加以利用是風積沙石粉的應用關鍵。根據風積沙石粉活性指數及經濟成本考慮，選擇粉磨時間為 50min 風積沙石粉進行試驗。試驗配合比及相關性能見表 6。

表6　風積沙石粉取代水泥試驗結果　　　　　　　　　　　　　　　　　　kg/m3

圖 3　風積沙石粉替代不同比例水泥混凝土抗壓強度

由表 6 可知，當風積沙石粉替代水泥時，隨著替代率的增加，相同用水量的情況下，混凝土的坍落度增大，原因是粉磨的風積沙石粉粒徑小，能夠有效地填充顆粒間的空隙，置換層間水，起到“減水”效果。但當替代率增加到一定比例時，混凝土坍落度降低，原因是風積沙石粉中含有一定的粘土，粘土能夠吸收聚羧酸減水劑，當風積沙石粉自身的“減水”效果小于其粘土吸附的聚羧酸減水劑的減水效果時，混凝土坍落度開始降低。從而影響混凝土的工作性能。

由圖 3 可知，當風積沙石粉替代水泥量在 10% 以內時，隨著風積沙石粉摻量的提高，混凝土 7d、28d 抗壓強度有一定的提高。原因是風積沙石粉的填充效應提高了混凝土體系的密實性。當風積沙石粉替代率進一步提高時，混凝土 7d、28d 強度呈下降趨勢，原因是風積沙石粉的活性效應及填充效應對混凝土的增強效果低于所取代水泥的活性給混凝土帶來的強度，其次含泥量的提高也是混凝土強度降低的原因。

對比圖 3 中 7d 和 28d 抗壓強度可以看出，當加入一定量的石粉時，混凝土的早期強度較基準有明顯的提升，這進一步地驗證了風積沙石粉的加速效應。

5　結論

（1）風積沙石粉比表面積隨粉磨時間延長而增大，當粉磨時間超過 40min 后，石粉比表面積增加不明顯。原因是風積沙石粉開始結團、團聚。

（2）風積沙石粉具有一定的活性，隨著比表面積增大，風積沙石粉活性指數增大。

（3）粉磨時間為 50min 時，風積沙石粉活性指數最高而此時能耗相對較低。

（4）風積沙石粉對砂漿體積穩定性無不良影響，能夠起到補償收縮的作用。

（5）當風積沙石粉替代水泥用量在 10% 以內時，風積沙石粉能夠在一定程度上提高混凝土流動性及抗壓強度。原因是風積沙石粉能夠置換層間水和密實混凝土，而且風積沙石粉的活性能為混凝土提供一定強度。

（6）風積沙石粉摻量在一定范圍內時對于混凝土早期強度有一定的提高，與膠砂試驗結果相同，這是所謂的“加速效應”。

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［通訊地址］新疆維吾爾自治區烏魯木齊市沙依巴克區雅山中路 418 號（830000）

李凱（1989—），男，主要從事混凝土新技術新產品的開發與應用。