“雙碳”目標下廢棄石粉對水泥混凝土的性能影響及應用

?？蔀?，肖冰

（福建船政交通職業學院 土木工程學院，福建 福州 350007）

2020 年，我國在第七十五屆聯合國大會上鄭重宣布，CO2排放力爭2030 年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和（簡稱雙碳目標）[1]。據有關資料顯示:2018 年全國建筑全過程碳排放總量為4.93×1010t CO2，占全國能源碳排放總量的51.2%，其中水泥生產排放1.11×1010t CO2，占建筑全過程碳排放總量的22.5%[2]。以石灰石為原料高溫煅燒而成的水泥，燒制過程除會產生大量的CO2，會大量排出氮氧化物、硫氧化物及粉塵煙塵。我國建筑行業碳排放總量大，水泥作為建筑主材在生產與運行階段碳排放量占比較大，是碳減排的突破方向。因此，尋找其他材料來部分替代水泥，減少水泥熟料用量，研究出性能良好、耐久長壽、低碳環保、經濟節約的水泥路面材料對于降碳減排，提高施工質量有著重要意義。另一方面，我國石料資源豐富，在石材的開采和加工過程中會產生大量的花崗巖、大理石及其他石粉，這些固體廢棄物的隨意排放，對環境造成嚴重的污染。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，國內外針對石粉的技術性能開展多項試驗研究認為石粉在混凝土中具有一定的填料效應。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渡區的空隙中，使水泥結構和界面結構更為致密，減小孔隙率和孔徑直徑，改善孔結構，從而提高混凝土密實度等相關性能[3]?；诖?，以某在建公路項目為例，對混凝土中摻入廢棄石粉進行試驗，研究石粉取代水泥對混凝土的工作性、力學性能、耐磨性能、耐久性能等影響[4]，分析其實際應用到工程項目的可行性，預測經濟社會效益，為綠色建筑材料尋找一條新的出路。

1 試驗準備及方案

1.1 試驗原材料

（1）水泥，P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥，以CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3為原料，按適當比例磨成細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。其中硅酸鈣礦物≥66%，氧化鈣和氧化硅質量比≥2.0。

（2）礦渣粉，S95 級礦渣粉，其活性鈣、硅、鋁等無機物的含量＞30%，比表面積≥400，活性指數達到95（S95 級）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，其化學成分質量分數見表1。

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

（4）砂，級配范圍為Ⅱ區、細度模數2.84 的河砂，含泥量為0.1%。

（5）石，級配范圍為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，自來水。

1.2 試驗方法

（1）混凝土的坍落度等工作性能試驗可按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌和物性能試驗方法標準》進行。

（2）混凝土力學性能試驗依據GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》進行。

（3）混凝土耐磨性能試驗參照JTG 3420—2020《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》進行。

（4）混凝土耐久性能試驗根據GB/T 50082—2019《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》進行。

1.3 試驗方案設計

試驗根據《混凝土配合比設計手冊》設計混凝土配合比，研究大理石石粉、花崗巖石粉單摻以及分別與礦渣粉復摻時，對水泥混凝土性能的影響。其中基準組為純水泥空白組（試驗1 組），單摻礦渣粉為試驗2 組。為更好地研究廢棄石粉的摻入量對新拌混凝土工作性、力學性能等影響，采用大理石粉（試驗編號3～4）、花崗巖石粉（試驗編號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細則》的設計方法，對試驗3～4 組、7～8 組中的石粉分別采取系數為1.3 倍的超量取代，即試驗5～6 組、9～10 組。如表2。

表2 混凝土配合比設計Table 2 Concrete design

2 試驗結果及分析

2.1 對水泥混凝土工作性的影響

在用水量、抗折劑、砂石和粉體質量相同的情況下,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?；鶞式M總體和易性較差，出現離析、泌水、分層現象；試驗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象；單摻石粉時，混凝土和易性較好，無離析泌水現象，總體粘聚性不及試驗2 組；礦渣粉和石粉二者復摻時，混凝土流動性、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，稀釋水泥顆粒使其更加分散，從而增大顆粒間距，增加混凝土流動性。同時，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，打開混凝土水化過程中形成的“絮凝結構”[5]，從而提高混凝土的工作性。結果見表3。

表3 試驗結果Table 3 Test result

2.2 對水泥混凝土力學性能的影響

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

原因是在早齡期時，巖石粉摻量適當，石粉中的CaCO3能夠吸附水泥水化過程產生的Ca2+離子，使CaCO3周圍的Ca(OH)2優先成核，避免Ca(OH)2局部生長成為大晶體，細小的石灰石粉顆粒充當C-S-H 的成核基體，可降低成核位壘，加快水化反應速度，從而改善水泥水化產物的分布,加速水泥的早期水化進程[3]。但隨著水化反應的不斷進行，CaCO3能和水泥中的C3A和C4AF發生反應，生成3CaO·Al2O3·CaCO3·11H2O 或3CaO·Al2O3·0.5CaCO3·11H2O 的碳鋁酸鹽復合物，該復合物結構穩定性較差，導致混凝土硬化的后期強度降低。

2.3 對水泥混凝土耐磨性能的影響

由圖1 中可以看出，當石粉摻入量為10%、13%、20%時，混凝土磨耗量逐漸增大，耐磨性逐漸減小，試驗3 組和7 組取10%礦渣粉+10%石粉時，混凝土磨耗性能最好。石粉摻入量增加并不會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

造成以上試驗現象的原因: 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構。但當石灰石粉摻入量較大時，會導致混凝土級配變化，混凝土表面構造細化使得耐磨性劣化?；◢弾r石粉具有更高的硬度，表面更粗糙、多棱角，顆粒之間機械嚙合力強，摻入花崗巖石粉的混凝土界面黏結力大，因而具有更優的耐磨性。

2.4 對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、移動及蒸發所引起[6]。通過對混凝土標準養護3、7、14、28、60、90、120、180 d 后的干燥收縮性能進行研究，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?；炷恋母煽s性在90 d 前增長較快，后期增長較平緩。石粉增量取代對混凝土干縮的抑制作用效果不明顯。

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

出現以上現象的原因是: 當石粉摻量≤20%時，石粉顆粒結構密實具有很好填充效應，可以較好的細化及分化混凝土內部的原充水空間，為混凝土中凝膠材料的水化提供有效的內養護，從而阻隔混凝土內部水分向表面擴散的通道，降低混凝土內部的水分消耗，因此未表現出明顯收縮現象，具有良好的體積穩定性?；◢弾r石粉含有對混凝土性能不利的黏土成分，導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，因此需加強早期水養以免施工時出現混凝土早期裂縫。

2.4.2 抗氯離子滲透性能分析

試驗是在不同摻量因素作用下，研究標養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散系數大，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太大差別。當采用礦渣粉+廢棄石粉二者復摻時，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，但遠好于基準組。試驗中大理石粉和花崗巖石粉的抗氯離子滲透性能相差無幾。

圖4 石粉對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:混凝土孔隙結構的致密程度決定抗氯離子滲透性能的優劣，結構越密實，抗滲性能越好。在石粉摻量≤10%時，石粉顆粒能很好的填充混凝土內部，增加混凝土結構的致密性，抗氯離子的滲透性優于基準組純水泥試件。但隨著石粉摻量增加，石粉參與水泥水化的數量有限，水化產物減少且與石粉顆粒的包裹性差，導致混凝土膠凝材料基體之間的粘結力減小，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氣體通過硬化混凝土細孔滲透到混凝土內，與其堿性物質Ca(OH)2發生化學反應后生成碳酸鹽CaCO3和水，使混凝土堿性降低、鋼筋開始生銹的過程。本試驗綜合考慮影響碳化的各種因素，著重研究摻廢棄石粉對混凝土碳化性能的影響。試驗過程為:試驗試件制作、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。

試驗結果如下: 對于石粉摻量在10%以內時，混凝土的碳化深度與基準組差別不大，但隨著石粉的摻量增加，混凝土的碳化深度逐漸增加。在復摻總量為20%時，復摻組的碳化深度要小于單摻20%時的混凝土碳化深度。試驗結果說明:石粉等量取代水泥后，混凝土堿含量降低，當混凝土的整個pH 值減小時混凝土的抗碳化性能隨之降低。根據GB 50164—2011《混凝土質量控制標準》 的規定，0.1 nm≤快速碳化深度≤10 mm 時混凝土的碳化性能良好，故無論采取單摻還是復摻形式，石粉取代水泥量不應超過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于摻花崗巖石粉，因為大理石石粉中的Ca2+能促進體系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 對普通混凝土的影響

除了將廢棄石粉運用于水泥路面混凝土，試驗還對依托工程所屬分部工程人行通道的箱體、底板、側墻等部位進行廢棄石粉混凝土的澆筑?；炷敛捎肅30 的標號，根據室內力學性能和耐久性能的研究結論，取10%花崗巖石粉+15%礦渣粉復摻，減水劑采用聚羧酸性高性能減水劑，在試驗室內進行配合比驗證之后，各項性能滿足要求。在實際運用過程中，選取兩個尺寸相近、混凝土設計強度都為C30 的蓋板涵通道，一個用花崗巖石粉混凝土進行澆筑，一個用該項目的粉煤灰與礦渣粉復摻配合比進行澆筑，以實體工程的直觀數據進行混凝土性能對比，具體開盤配合比見表4，C30 配合比數據見表5。

表4 開盤配合比數據Table 4 Opening mix ratio

表5 C30 配合比數據Table 5 C30 mix ratio data MPa

從混凝土最終的表觀質量和強度看，石粉+礦渣粉復摻的混凝土質量與普通粉煤灰+礦渣粉復摻的混凝土質量沒有太大區別，滿足規范技術指標。

3 經濟社會效益分析

3.1 經濟分析

廢棄的大理石石粉和花崗巖石粉單價比粉煤灰、礦渣粉單價低，參照福建地區膠材平均價格，對本工程中運用的水泥路面混凝土和C30 混凝土進行廢棄石粉混凝土經濟性分析，結果如表6 和7 所示。

表6 水泥路面混凝土成本對比Table 6 Cost comparison of cement pavement concrete

表7 普通混凝土成本對比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、普通混凝土較基準組可節約費用22 元，降低成本10%。同時將廢棄石粉運用到混凝土中，省去原先處理廢棄石粉的費用。加之近年來粉煤灰供不應求，品質參差不齊，對地理位置偏僻、交通不便的項目而言，加上運費的粉煤灰到場價格與水泥相差無幾，以福建山區為例，每噸粉煤灰與石粉的到場價格相差近300元。因此使用石粉作為摻合料，經濟優勢更為顯著。

3.2 社會效益分析

目前我國水泥生產普遍面臨著碳排放總量大、自然資源消耗快、用能技術效率低等問題，每生產1 t 水泥消耗標準煤約200 kg，耗電約88 kW·h，碳排放量約634 kg 左右。同時石材加工行業的蓬勃興起，帶來廢棄石粉的大量增加，如全國花崗巖石粉的年產量已超500 萬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，可減少對土地資源的占用，緩解交通運輸壓力，降低碳排放量，對推進節能減排，發展循環經濟，推進雙碳目標具有重要社會意義。

4 結語

（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摻時混凝土工作性能更優。

（2）隨著石粉取代量增加，混凝土抗折強度降低，對混凝土產生不利影響。石粉單摻20%時混凝土的抗折強度最小，但采取超摻、復摻可以減緩下降。

（3）當石粉摻入量≤20%，對混凝土耐磨性能表現為正效應。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，當石粉摻量≤10%時，混凝土的碳化性能良好，具有良好的耐久性[8]。

（5）對于人行通道的箱體、底板、側墻等部位的普通混凝土，使用10%花崗巖石粉+15%礦渣粉復摻的混凝土質量與普通粉煤灰+礦渣粉復摻的混凝土質量無太大差異，可滿足規范技術指標[9]。

綜上所述，在水泥路面混凝土中，摻入廢棄石粉，對開辟水泥混凝土細集料來源的新方法。既可以因地制宜、就地取材，節省建設成本；又可以消化工業廢料，降低碳排放，減少環境污染。從技術上，可以通過等效替代，獲得與基準混凝土相同甚至更優的性能，通過單摻或復摻等方法研制出平價、高性的混凝土材料。因此，推廣石粉水泥混凝土的應用，對推動土木建筑行業綠色轉型，實現“碳達峰、碳中和”目標具有十分重要的意義[10]。