機制砂石粉變廢為寶的技術途徑

黃振興，王斌，周云生

（1. 天津市啟源裝配式建筑有限公司，天津 301699；2. 天津祥銘利業混凝土添加劑有限公司，天津 300000；3. 唐山亮泰混凝土有限公司，河北 唐山 063308）

0 前言

改革開放以來，我國的經濟高速發展了 40 多年，作為國民經濟四大支柱產業的建筑業更是以史無前例的巨大規模蓬勃發展。混凝土是建筑業主材，2020 年全國的混凝土產量就超過了 25 億立方，以每立方混凝土用砂 800kg 推算，2020 年砂用量就高達 20 億噸。如此巨大的砂用量，使得天然砂資源早在幾年前就已經枯竭。為了保護環境，全國絕大部分地區已經禁止天然砂開采，于是為了滿足建筑行業用砂的巨大需求，各地紛紛上馬機制砂生產線，用天然石料生產機制砂。但由此又會產生另一個問題，那就是生產機制砂時會產生大量石粉，每生產一噸機制砂就會產生 300kg 石粉，這些石粉如果不能及時、合理地使用，就會增加成本，影響機制砂生產（石粉庫滿了機制砂生產就無法進行），如果亂排亂放還會影響環境。

為此，我們與兄弟單位設立了合理利用機制砂石粉，使其變廢為寶的研發部門，通過理論分析和大量試驗，初步找到了有效利用機制砂石粉的技術途徑。

1 機制砂石粉及技術指標

1.1 機制砂石粉產生的過程

機制砂是破碎后的石料通過皮帶機輸送到制砂機，再通過離心沖擊破碎成微小顆粒而制成砂。制砂機中高速旋轉的飛輪將石料飛速旋轉起來，將石料高速拋出，碰撞在耐磨襯板上，同時高速撞擊不斷通過皮帶機輸入的石料，形成了石打石、石打鐵的破碎過程。石料互相撞擊后破碎成小顆粒，通過概率篩，將符合要求的小顆粒篩出就成為機制砂，沒有通過概率篩的較大顆粒返流回制砂機再次碰撞成小顆粒，直到符合機制砂顆粒級配的要求。在這個激烈碰撞過程中，會產生大量石粉，一般會達到機制砂產量的 30%，石粉通過風選進入石粉庫，如果石粉庫滿了，石粉不能及時使用掉，機制砂生產流程就會停滯，導致停產。一些機制砂企業為了不影響生產，只得以低廉價格賣出石粉，例如，一家企業每噸石料購入價格為 60 元/噸，而石粉的售價僅僅 8 元/噸，這就大大提高了機制砂成本。有些企業甚至為了不影響生產，偷偷將石粉倒掉，嚴重污染了環境。

1.2 機制砂石粉的技術指標

為了尋找合理利用機制砂石粉的技術途徑，我們檢測了其比表面積，并用檢測粉煤灰活性的方法檢測了石粉活性，結果見表 1。從表 1 可以看出，風選的石粉比表面積還是比較大的，與礦粉比表面積接近；但活性很差，幾乎沒有活性，粉煤灰 28 天活性一般在75%～80%，可見石粉是惰性材料。

表1 機制砂石粉技術指標

2 硅灰的來源及技術指標

2.1 硅灰的來源

硅灰是冶煉硅鐵時在 2600℃ 高溫下產生的二氧化硅和硅的混合氣體遇到氧氣后迅速氧化和凝結成的一種超細硅質粉料。

2.2 硅灰的技術指標

為了充分認識硅灰的技術性能，以便更好的將高活性硅灰與機制砂石粉配合使用，變廢為寶，我們分別檢測了硅灰的比表面積及各齡期活性，見表 2。

從表 2 可以看出，硅灰的比表面積幾乎是水泥的60 多倍（水泥 350～360m2/kg），是礦粉的 50 多倍（礦粉 420m2/kg 左右），比水泥和礦粉都細得多，可以充分填充到水泥石的縫隙中，提高混凝土密實性，從而提高混凝土耐久性；另外，由于硅灰遠遠比水泥細，這樣就可以把以前充當晶核的水泥替換出來，充分發揮水泥的強度。同時，可以看出硅灰無論早期和長期活性都非常高，因此混凝土中摻加硅灰后不僅可以提高混凝土早期強度，還能提高混凝土后期強度。

表2 硅灰技術指標

2.3 硅灰的顆粒形態

由于硅灰形成過程是 2600℃ 高溫的二氧化硅和硅的混合氣體與氧氣劇烈反應迅速凝結成硅質粉料，這個相變過程非常劇烈，表面張力非常大，這樣就使硅灰形成了表面非常光滑的玻璃球狀體。硅灰的這種玻璃球狀體對混凝土是非常有利的，這些大量的微小的硅灰玻璃球狀體在混凝土的粗、細骨料間會形成滾珠效應，起到潤滑作用，會大幅改善混凝土和易性和流動性。

3 合理利用石粉的思路

通過對以上試驗數據的分析，我們初步形成了利用硅灰的優良性能將機制砂石粉變廢為寶的技術思路。首先在混凝土中用石粉代替粉煤灰，彌補膠材數量的不足；其次用硅灰有大量微小玻璃球狀體的特性來彌補不使用粉煤灰后漿體的潤滑和流動性能；第三，用硅灰的高活性來彌補石粉的惰性對混凝土強度的影響；第四，用硅灰的高活性來降低水泥用量，達到在保證混凝土強度前提下降低成本的目的。

根據相關資料，以及我們前期做的試驗，硅灰可以1:3、甚至 1:4 取代水泥，因此，我們的技術思路是用石粉完全取代粉煤灰，同時硅灰以 1:2、或 1:2.5 比例取代水泥，硅灰計劃每立方使用 20～30kg，取代 40～60kg水泥。由于目前水泥不斷漲價，水泥價格已經接近硅灰價格，因此這樣取代后，如果不影響強度，就可以既消耗掉石粉，變廢為寶，同時降低混凝土成本。

4 混凝土對比試驗結果

為了驗證上述技術思路的可行性，先做了普通 C30混凝土與石粉和硅灰配合使用的 C30 混凝土對比試驗（見表 3）。由表 3 可以看出，石粉和硅灰配合使用的混凝土在水泥用量減少 40kg 的情況下，各齡期混凝土強度都高于普通混凝土強度。

表3 普通 C30 混凝土與石粉和硅灰配合使用 C30 混凝土的膠材用量和強度

從圖 1 和圖 2 可以看出，使用硅灰后混凝土和易性和流動性得到大幅改善，完全滿足施工要求。

圖1 普通混凝土狀態

為了進一步驗證，我們又做了各強度等級普通混凝土與石粉和硅灰配合使用的混凝土對比試驗，結果與C30 混凝土對比試驗一致，各個強度等級石粉和硅灰配合使用的混凝土在水泥用量減少 40～50kg 的情況下，混凝土強度都高于普通混凝土強度，而且混凝土和易性、流動性也大大優于普通混凝土。

圖 2 使用硅灰后混凝土狀態

5 結語

綜上所述，將硅灰與石粉混合使用，利用硅灰的優良性能彌補石粉的不足，在保證混凝土強度的前提下，可將機制砂石粉變廢為寶，同時降低混凝土成本。