機制砂尾料磨細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：為解決機制砂尾料大量堆放填埋影響耕地、林地生態環境的問題，選取碳酸鈣含量大于75%的機制砂尾料，預處理形成新型混凝土摻合料，等量取代粉煤灰配制混凝土，進行工作性能試驗和力學性能試驗.結果表明：經篩分、研磨處理后尾料粒徑范圍為0.023～0.038 mm，利用率達100%;尾料摻量在0～20%范圍內，混凝土擴展度及坍落度隨尾料摻量增加而增大，1 h后其流動性能明顯改善;尾料摻量為0～15%時，其初凝時間變化幅度不大，摻量增加至20%時，其初、終凝時間大幅縮短;其抗壓強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.機制砂尾料最佳摻量為10%左右，滿足C35強度級別要求，且工作性能優于普通混凝土.

關鍵詞：機制砂;石灰石粉;混凝土;摻合料

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

0? ?引言

我國基礎建設規模日益擴大，天然砂作為不可再生資源在很多地區接近枯竭，難以滿足工程建設需要，混凝土用砂供需矛盾日益突出.機制砂作為天然砂的替代品應運而生，GB/T 14684—2001《建筑用砂》[1]將其列入建設用砂后，機制砂混凝土在全國得到推廣應用.然而，機制砂在生產過程中不可避免產生大量尾料，全國每年產生不少于40億噸機制砂尾料，且堆放填埋仍是目前最主要的處理方式，會帶來許多環境污染和資源浪費問題.

機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]認為目前石粉在混凝土中有兩種摻加方式：一是部分取代細骨料;二是作為礦物摻合料部分取代水泥.蘭聰等[3]認為優質石灰石機制砂中的石粉能改善混凝土水泥與集料的界面過渡區，明顯提高混凝土抗壓強度.周孝軍等[4]以C40混凝土機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量的影響規律.耿權等[5]重點研究石粉含量對C55機制砂自密實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制砂混凝土的制備方法.在混凝土中適量摻加石粉可彌補機制砂配制混凝土和易性差的缺陷，同時完善混凝土特細骨料級配、提高混凝土密實性，進而提高混凝土綜合性能.

雖然石灰石粉在混凝土中已實現規模化應用，但粒徑波動大、雜質多等品質不穩定問題，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公路行業特點的標準和案例.本文致力于解決機制砂生產線尾料處理問題，進行廣西地區機制砂尾料磨細摻合混凝土的性能研究，滿足規范要求的同時提升了機制砂尾料的利用率.

1? ? 試驗

1.1? ?原材料

水泥：柳州產P.O42.5普通硅酸鹽水泥.

機制砂：細度模數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級粉煤灰.

碎石：粒徑5.0～30.0 mm，空隙率小于40%，壓碎指標不大于7%，針片狀顆粒含量不大于5%，符合5.0～30.0 mm連續級配要求.

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）為了解機制砂尾料成分，采用廣西地區兩種機制砂尾料進行了X射線衍射試驗，分別編號為A、B.試驗結果見表1.

從表1中可以看到，B機制砂尾料主要成分有3種：CaCO3、SiO2、斜綠泥石，其中CaCO3含量達到80%以上，且幾乎無雜質.兩種機制砂尾料均能滿足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）為了解機制砂尾料及處理后尾料的粒徑大小，對A機制砂尾料進行了激光粒度分析.

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

篩分處理后的機制砂尾料細度（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%.

研磨處理后的機制砂尾料細度（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區間內，利用率達100%.

1.2.2? 理化分析

結合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用技術規程》中的相關規定，表2列出了石灰石粉的具體技術指標要求[7-9].

對某廠生產的石灰石粉和A、B兩種機制砂尾料的基本理化性能進行檢測，檢測結果如表3所示.

由表3結果可知，未處理的B機制砂尾料的抗壓強度比未達到60%，不滿足技術規范要求.篩分處理后，兩種機制砂尾料抗壓強度比達62%以上，尾料活性有所提升.同時，細度（45 ?m方孔篩篩余）較未處理的尾料降低50%以上.兩種機制砂尾料在經過篩分處理后均能滿足各項物理化學指標.研磨處理后的B機制砂尾料細度（45 ?m方孔篩篩余）進一步減小，7 d抗壓強度比進一步提升，各項物理化學指標均滿足規范要求.

綜合考慮，用篩分、研磨處理后的機制砂尾料制備混凝土為最佳方案.

1.3? ?機制砂尾料磨細摻合混凝土機理

磨細處理石灰石粉使其顆粒表面光滑致密，進一步減小摩擦阻力，在混凝土內部充分發揮“滾珠”效應.同時，細小的石灰石粉顆粒易分散在水泥顆粒間，破壞水泥絮凝體結構，釋放出更多自由水，增加混凝土流動性[10-11].

石灰石粉有特殊的表面結構，能作為C-S-H附著沉淀的“模板”，形成結晶點幫助C-S-H生長.磨細機制砂尾料，增大石灰石粉表面積，有助于其發揮晶核作用，誘導水泥的水化產物析晶，加速水泥水化，同時參與水泥的水化反應，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化[12-13].

2? ? 試驗方法

2.1? ?尾料預處理

機制砂尾料資源化利用方法：先將機制砂尾料風干處理使其含水量低于1%，然后經篩分、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性能指標要求的機制砂尾料混凝土，最終實現機制砂尾料的固體廢棄物資源化利用.機制砂尾料的預處理需經歷以下幾個步驟：

1）前處理

為了保證機制砂尾料研磨處理后成品的質量，針對其顆粒細小和含水率不穩定兩大特點，在研磨處理前需對機制砂尾料進行檢測，主要檢測其含泥量、含水量和主要成分.機制砂尾料含水率不穩定，在0.5%～3.0%范圍內變化，當機制砂尾料含水率大于2%時，經長距離運輸后尾料將處于壓密狀態，極易堵塞罐車輸送口，導致輸送困難.

針對機制砂尾料含水率大于2%的問題，加入低含水率瓜米石，與機制砂尾料同步研磨，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，對含泥量高的機制砂尾料進行清洗，將含泥量控制在規范要求的控制線以下，降低含泥量.

通過檢測結果對機制砂尾料進行篩選處理，不合格的機制砂尾料不得進行直接研磨處理.

2）研磨處理

未處理的機制砂尾料中小于0.045 mm顆粒質量的占60%～90%.規范要求中石灰石粉顆粒粒徑應小于0.045 mm.前處理完成后的機制砂尾料篩分出粒徑在0.045～0.075 mm范圍內的尾料.該粒徑范圍內機制砂尾料可以在混凝土中部分取代細砂，以降低原料成本，同時提升固廢資源轉化利用率.

其余部分則進入研磨生產線進行研磨處理，磨細加工至粒徑為0.025～0.045 mm，細度不大于10%，以確保所有機制砂尾料均能實現固廢利用.該粒徑范圍的機制砂尾料將在混凝土中較好發揮其物理填充效應，因其粒徑比水泥顆粒小，能夠較好填充水泥漿體中的孔隙，改善孔結構[14].

將機制砂尾料進一步磨細加工至粒徑為0.023～0.038 mm，細度為6%.進一步磨細加工機制砂尾料將有助于其在混凝土中發揮其化學活性效應.

3）儲存

經過研磨處理后的機制砂尾料需進行密封儲存，且必須隔離水分，因此，需要儲存管單獨儲存.

2.2? ?混凝土試驗

為研究機制砂尾料混凝土在公路行業中的應用，在水膠比不變的情況下，摻入研磨處理后的機制砂尾料，參照典型C30和C35混凝土配合比進行機制砂尾料混凝土試驗.混凝土工作性能試驗參照GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》[15];混凝土力學性能試驗根據GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》[16]進行;試件尺寸為? ? ? ? ?150 mm×150 mm×150 mm.試驗配合比見表4.

3? ? 結果及分析

3.1? ?機制砂尾料不同摻量對混凝土工作性能的影響

3.1.1? 流動性試驗

不同摻量A機制砂尾料對混凝土流動性能的影響見圖1.

摻入磨細機制砂尾料的混凝土坍落度大致在190～230 mm范圍內，大于GB 50164—2011《混凝土質量控制標準》[17]中對T4級大流動性混凝土坍落度的分級指標.A機制砂尾料混凝土的擴展度明顯大于普通混凝土，且隨著機制砂尾料摻量的增多而呈上升趨勢.當尾料摻量小于4%時，適量的尾料填充骨料間隙使得混凝土內部孔隙水減少，釋放出漿體絮凝結構中的部分拌合水，提高混凝土密實程度.同時，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，改善混凝土流動性.當尾料摻量在4%～8%時，坍落度隨著尾料摻量的增加而降低，這種負向作用產生的原因在于尾料摻量的進一步增加，引起漿體顆粒數增加，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，繼而導致混凝土流動性下降.當尾料摻量大于8%時，混凝土流動性受正向作用大于負作用.尾料取代粉煤灰后，對減水劑的吸附能力遠不如被取代的粉煤灰，所以多余的部分減水劑可以進一步分散水泥和粉煤灰顆粒，使得尾料摻量越高，混凝土流動性越好.

B機制砂尾料混凝土工作性能試驗得到相似結論，如圖2所示，摻入預處理后的機制砂尾料對混凝土初始坍落度有一定改善.

靜置1 h后，機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，摻磨細機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構，釋放出更多自由水，降低顆粒間范德華力.因此，摻入磨細機制砂尾料可以增大坍落度和擴展度，減小坍落度損失，改善混凝土的流動性能，特別是1 h后混凝土流動性能，使混凝土具備良好的和易性.

3.1.2? 凝結時間試驗

對B機制砂尾料混凝土進行凝結時間試驗，試驗結果如圖3所示.

現行標準要求普通硅酸鹽水泥混凝土初凝時間不早于45 min，終凝時間不遲于600 min.機制砂尾料摻量從0提升至15%，混凝土初凝時間基本不變;摻量增加至20%，初凝時間大幅度縮短.其原因為：隨著尾料摻量的增加，漿體中的細顆粒增多，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構，從而縮短了凝結時間.同時，磨細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，進一步加速水泥水化進程.

混凝土終凝時間隨機制砂尾料摻量的增加整體呈縮短趨勢.尾料摻量為5%～15%時，終凝時間小幅度延長，這種負向作用的產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，減少了水化產物，延緩了水泥的凝結.當尾料摻量大于15%后，正向作用大于負作用，終凝時間大幅度縮短，這將有利于混凝土早期強度的形成，從而有助于提前拆模，提早投入使用，從而加快施工進程.

3.2? ?不同摻量機制砂尾料對混凝土力學性能的影響

A機制砂尾料混凝土的強度試驗結果如表5所示.

不同A機制砂尾料摻量對混凝土力學性能的影響如圖4所示.

隨著尾料摻量的增加，A機制砂尾料混凝土抗壓強度降低，呈負相關的趨勢，但總體降低幅度不大.混凝土3 d抗壓強度在尾料摻量為8%時達到峰值;同時強度增減的幅度變大，尾料中部分微顆粒作為輔助膠凝材料參與水泥水化反應，一方面消耗氫氧化鈣，生成水化碳鋁酸鈣等產物.另一方面降低漿體中氫氧化鈣的富集程度，提高混凝土密實程度，從而使結構致密，混凝土抗壓強度增加.當尾料摻量超過8%后，漿體密實度已達最大值，繼續增加尾料摻量，密實度會下降，同時粉煤灰摻量減少，而石粉活性較低，導致后期混凝土強度增長有限，混凝土3 d、7 d、14 d及 28 d抗壓強度均有不同程度下降.

總體而言，機制砂尾料摻量對混凝土強度影響不大，最大強度降低量為10%左右，抗壓強度均能滿足設計要求，但機制砂尾料摻量過高時需考慮強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抗壓強度均滿足C30混凝土強度要求，混凝土抗壓強度隨著機制砂尾料摻量增加而降低.結合表6可知，當尾料摻量為10%時，28 d抗壓強度降低1.5%;當摻量為15%時，抗壓強度降低9%.混凝土齡期達到56 d，機制砂尾料摻量為10%時，抗壓強度降低2.9%;摻量超過10%時，降低幅度增大，但降低比例處于可控范圍.當混凝土密實度增大到最大值后，繼續增加尾料摻量會導致部分尾料呈游離狀態，這部分尾料出現在界面過渡區，將不利于集料與水泥之間的粘結，出現混凝土強度降低的現象.

綜上，機制砂尾料摻量控制在10%以內時，混凝土強度較普通混凝土的抗壓強度基本無差別.同時，純度較高的石灰石礦制備出的機制砂尾料混凝土抗壓強度降低幅度更小.因此，合理控制尾料摻量，采用優質礦源的石灰石，將尾料摻量控制在10%以內，既能減少水泥用量、降低成本，又能保證后期強度發展，滿足力學性能指標要求[18].

4? ? 結論及展望

選取碳酸鈣含量大于75%的機制砂尾料，經篩分、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，進行了工作性能試驗和力學性能試驗，結果表明：

1）機制砂尾料篩分、磨細加工至0.023～0.038 mm，能充分發揮其物理填充效應和化學活性效應.經過預處理技術，能將機制砂尾料“變廢為寶”，實現資源化利用，基本達到“零污染”.

2）隨著尾料摻量增加，混凝土擴展度及坍落度增大，明顯改善混凝土流動性能;當尾料摻量增加至20%時，初、終凝時間大幅縮短，有利于混凝土提前拆模.混凝土抗壓強度隨尾料摻量增加而降低，優質石灰石礦源可以減小強度降低的影響.因此，將尾料摻量控制在10%左右，不僅力學性能滿足普通混凝土強度規范要求，且在工作性能和外觀方面具有更好的效果，其在混凝土中的應用具有技術、經濟和環保3方面的優勢.

3）機制砂尾料與其他礦物摻合料之間的協同效應仍需進一步進行試驗研究，且在耐久性能、長期性能等方面也缺乏相關理論研究.

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