0引言

目前，人造砂已成为混凝土配制中的主流细骨料"，其使用既弥补了河砂短缺，又防止了河砂开采对环境的破坏。然而，人造砂生产过程中会产生大量的石粉，约占人造砂总产量的4%。石粉若不有效利用，会造成环境污染风险和资源浪费，且飘浮在空气中还会危害人们的健康和生命。因此，石粉资源化利用迫在眉睫。

鉴于混凝土的普遍可用性，研究人员提出在混凝土中添加石粉。研究表明，细粒径石粉可取代混凝土粉料中的水泥或粉煤灰，如用少量石粉代替水泥可改善熟料颗粒水化作用，用一定比例石粉取代水泥对混凝土流动性影响不大，还能改善混凝土透气性和透水性。此外，石粉还可作为细骨料取代品，对混凝土强度不利影响小，还能降低收缩率和透水性。但石粉作为水泥或骨料取代品有局限性，取代水泥会降低混凝土耐久性和强度，取代骨料虽不影响水灰比但不能减少水泥用量和碳足迹。

最近，研究人员开发了浆体取代方法，该方法已应用于多种废料及石粉，但仍存在石粉含量低、混凝土抗压强度提升不明显等问题。因此，需要寻找更好的在混凝土中使用石粉的方法。

研究提出采用复合取代法对石粉综合利用，在等体积石粉取代浆体基础上，用等体积石粉取代不同比例骨料配制混凝土，通过多项试验研究其对混凝土性能的影响，并评价经济效益和环境影响，为石粉的高价值利用提供新见解。

1材料与方法

1.1原材料

P·O42.5普通硅酸盐水泥购自安徽海螺水泥有限公司，比表面积为381m2/kg。所用粉煤灰为一级低钙粉煤灰。水泥与粉煤灰的化学成分见表1。

中国淮河砂的细度模数为2.6，表观密度为2550kg/m3。石子粒径范围为4.75～9.5mm。石粉由安徽先锋矿业有限公司提供，白色粉末，CaCO3，含量>95%，密度为2190kg/m3。根据以往研究表明，石粉的粒径主要分布在4μm左右，小于水泥颗粒的平均粒径。水为城市自来水。

1.2混凝土配合比及试样制备

为研究复合取代法对所制备的混凝土性能影响，设计5组样品，其配合比如表2所示。MOA0组的砂浆不掺人石粉，M15A0组的砂浆采用石粉取代15%的浆体（水泥、粉煤灰和水）。其余3组样品则以M15A0组为基础，以石粉等体积取代粗细骨料（河砂和石子），取代率分别为3%、6%和9%，并分别命名为M15A3、M15A6和M15A9。

在配制混合料时，先将水泥、粉煤灰、石粉在Harbor搅拌机中搅拌5min，再将河砂和石子等粗细骨料加人混合料中搅拌3min。随后加水搅拌3min，制成新鲜混凝土。最后将新鲜拌合物浇筑在指定的塑料立方模具中，置于温度为23℃±2℃、相对湿度>95%的标准养护室内进行标准养护。

1.3试验方法

1.3.1凝结时间测试

考虑到测试变量是骨料含量，维卡针装置被认为不足以测试含骨料混凝土的凝结时间。根据《建筑砂浆基本性能试验方法标准》（JGJ/T70-2009）标准，采用ZKS-100型砂浆凝结时间测试仪，采用渗透阻力法测定砂浆凝结时间。测量混凝土的渗透性随时间的变化，当渗透阻力首次达到0.5MPa时，根据拟合函数确定各试件的凝结时间。

1.3.2落度测试

按照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》（CB/T50080-2016）标准，采用落度圆筒进行混凝土落度试验。采用上直径100mm、下直径200mm高300mm的喇叭形落筒，分3个阶段逐步填充混凝土。每次充填后，用锤沿筒壁由外向内均匀压实混凝土，每段25次。随后，平滑表面，慢慢抬起桶，混凝土由于自身的重量而塌。该测量值是用混凝土在最高点塌后达到的最终高度减去落度圆柱体的初始高度300mm来确定的。

1.3.3混凝土抗压强度测试

依据《混凝土物理力学性能试验方法标准》（GB/T50081-2019）标准，采用100mm×100mm×100mm立方试样对砂浆抗压强度进行评定。将新鲜砂浆放人塑料模具中，在养护室内养护1d。脱模后，分别进行3、7、28d的连续养护。测量每种配合比的3个重复样本，以确定平均值和标准误差。

1.3.4电通量测试

混凝土电通量的测量采用《水泥混凝土抗氯离子渗透试验方法》（T0580-2020）标准，使用DTL-12A型氯离子电通量测试仪对所制备的混凝土砂浆样品进行测试。样品在标准养护室内标准养护到28d龄期，然后真空饱和。测量每种配合比的3个重复样本，以确定平均值和标准误差。

2测试结果分析

2.1 凝结时间

图1为添加和不添加石粉的混凝土的凝结时间。MOAO的凝结时间体现了砂浆的典型凝结特性，初凝时间为390min，终凝时间为470min。掺人石粉后，混凝土凝结时间明显缩短。其中，用石粉代替15%的浆体时，凝结时间分别减少9.46%（初凝时间）和4.03%（终凝时间）。这可能是由于混凝土中水胶比的降低：采用浆体取代法，砂浆中胶凝材料含量增加，水含量降低，有利于孔隙溶液中离子的聚集，从而加速水化产物的沉积，缩短凝结时间；随着石粉进一步取代骨料，增加了粉料含量，降低了混凝土的水胶比，从而进一步缩短了凝结时间。

从图1可以清楚地看出，随着石粉骨料取代率的增加，添加石粉的混凝土凝结时间依次减少，与M15A0相比，M15A3、M15A6和M15A9的初凝时间和终凝时间分别减少2.54%～10.73%和5.97%～15.92%。

2.2坍落度

添加和不添加石粉的混凝土落度如图2所示。

从图2可以看出，现浇混凝土的落度与凝结时间密切相关，并表现出相似的演化行为。例如，M15A0的落度比M0A0降低3.12%。随着石粉骨料取代率的增加，混凝土的落度依次降低，相比M15A0的落度，M15A3、M15A6和M15A9的落度减少2.58%～7.74%。

2.3抗压强度

图3为混凝土3、7、28d的抗压强度实验结果。显然，采用复合取代法时，混凝土抗压强度随石粉掺量的增加呈现先升后降的趋势。以M15A6为例，混凝土3、7、28d的抗压强度较M0A0分别提高47.7%、31.9%、26.2%；与M15A0相比，3个龄期的强度同样上升，这表明适量石粉复合取代混凝土的骨料、胶凝材料和水可提高其强度。当石粉浆体取代率为15%且骨料取代率为9%时，其早期强度（3d）仍有上升，但与M15A6基本持平；7d、28d的抗压强度虽有所下降，但仍高于MOA0。

采用石粉复合取代法提升混凝土强度的原因有3点：①极细石粉具有填充作用，可有效填充混凝土中砂石间的孔隙，降低内部缺陷，提升密实度。②石粉含量增加可减少集料颗粒界面过渡区厚度并提高其黏结强度。③石粉颗粒能与水泥熟料反应生成水化碳铝酸钙，并与其他水化产物相互搭接，进一步提高混凝土密实度。因此，在三者的叠加作用下，采用复合取代法加人石粉可显著提高混凝土强度。

一方面，复合取代方法中掺人石粉对混凝土强度的影响与骨料取代率相关：若石粉的骨料取代率适中，随养护龄期增长，可提升混凝土强度；若石粉掺量过大，因其较高的需水量会阻碍水化反应进行，增加混凝土内部缺陷。另一方面，过多游离态石粉留在骨料与水泥之间的界面过渡区，会对两者黏结起消极作用，从而降低混凝土强度。采用复合取代法在混凝土中掺人石粉时，为防止因掺量过大导致强度下降，石粉浆体取代率和骨料最佳取代率分别为15%和6%。

2.4电通量

图4为混凝土28d的电通量。

由图4可见，对照组混凝土28d的电通量保持最高，说明M0A0对氯离子侵蚀的抵抗能力最弱。石粉的加人可降低砂浆的电通量，其中，M15A0的电通量相比M0A0降低4.68%。这是由于石粉提供的填充效果，致密的孔隙结构阻止氯离子的运输，从而增强混凝土抵抗氯离子侵蚀的能力。采用复合取代法后，混凝土的抗氯离子侵蚀性能进一步提高。由图4还可以看出，随着石粉骨料取代率从0增加到6%，混凝土的电通量依次降低，M15A3和M15A6的电通量比M15A0分别降低2.83%和9.45%。这种电通量的降低可归因于石粉提供的成核和填充效应，可以使砂浆的微观结构致密化。但由于LP的稀释作用，过量添加石粉会使砂浆孔隙率增大，导致电通量增大，如M15A9所示。

2.5 经济效益分析

为探究复合取代法对所制备混凝土的经济性，研究调查混凝土各种原料的市场价格，如表3所示。

由于石粉为工业废料且由工厂直接提供，假定其成本为0，根据表2配合比可以依次推算各试验组的制备成本，最终结果如图5所示。可以发现，石粉骨料取代率是影响各试验组经济成本的关键因素。M15A0组的经济价值为252.56元/t，但此时石粉掺量较其他试验组小，利用率低。因此，从混凝土力学强度、石粉利用率和经济成本等角度综合考虑，以石粉浆体取代率为15%，石粉骨料取代率为6%的掺量为最优组。

3结论

在浆体取代法的基础上，提出使用石粉取代粗细骨料的复合取代方法，切实实现工业废弃物的高值利用，得到的结论如下。

（1）采用复合取代法可使含有石粉的混凝土初凝时间和终凝时间分别缩短了2.54%～10.73%和5.97%～15.92%，落度降低了2.58%～7.74%。这是由于石粉的加人降低了砂浆的水胶比，促进了孔隙溶液离子的聚集，从而使水化产物沉积。

（2）电通量试验结果表明，采用复合取代法可使混凝土孔隙结构致密化，与不掺石粉的混凝土相比，掺石粉的混凝土电通量降低了2.34%～13.69%，表明混凝土抗氯离子侵蚀能力增强，这得益于石粉提供的填充和成核效应。

（3）采用复合取代法提高了所制备混凝土的力学性能。与M15A0相比，M15A3和M15A6的3、7、28d抗压强度分别提高了9.76%～24.71%、12.42%～20.08%、1.11%～12.65%。

（4）从经济的角度来看，复合取代法大大节省了混凝土生产成本，减少了能源消耗和二氧化碳排放。