湿法制砂废石粉取代率对水泥胶砂性能的影响

机制砂生产工艺按石粉分离方式可主要分为干法制砂和湿法制砂。干法制砂采用风力选粉，通过调节选粉机风量及转子转速，将机制砂中的石粉含量控制在3%~15%，干法制砂得到的石粉（以下简称干法石粉）含水率低、洁净程度高，可继续综合利用。湿法制砂采用水力除粉，通过水洗降低机制砂中的石粉含量，洗砂污水经絮凝、沉淀、压滤等净化处理后产生大量石粉。由于湿法制砂得到的石粉（以下简称湿法石粉）采用清水冲洗母岩和成品，污水与石粉一同进入沉淀池，回收过程中容易引入黏土矿物，故具有团聚程度大、含水率高、杂质多等特点，其利用率远低于干法石粉，通常被转运至弃渣场堆存或填埋处置，增加了弃渣场处理废料的转运成本，且占用土地资源，还具有潜在泥石流、滑 坡等次生灾害诱发风险；此外，采用聚氯化铝絮凝剂处理的湿法石粉填埋后，高浓度的铝会固定土壤中的磷，阻碍植物正常生长，对生态环境造成不利影响。可见，综合利用湿法石粉是减少环境污染、降低处理成本的科学化措施。国内外已有研究将给水污泥、石材加工浆等废弃材料用于生产砖、砌块等预制品，为湿法石粉的再利用提供了有效途径。MERVE等将不同絮凝剂与安山岩石粉混合，研究了湿法石粉取代率为0.5%~1.5%时对混凝土性能的影响，结果表明，含有明矾、聚氯化铝和海泡石絮凝剂的湿法石粉有利于提高混凝土的初始工作性，且不影响混凝土的抗冻性能，并建议掺湿法石粉的混凝土限用于非承重混凝土结构中。

鉴于湿法石粉对水泥基材料性能影响机理研究相对较少，且现有研究成果难以指导湿法石粉在实际工程中的应用，本文以湿法制砂工艺中生产的凝灰岩石粉为研究对象，研究不同湿法石粉取代率对水泥胶砂工作性、力学性能、微观结构的影响，并与用干法石粉制备的胶砂性能进行对比，以期为湿法石粉在水泥基材料中的应用提供参考。

1.1   原材料

水泥：P·Ⅰ42.5级水泥，比表面积为319 m2/kg，密度为3.15 g/cm3，主要化学组成见表1。

石粉：湿法石粉和干法石粉分别取自浙交矿业公司大皇山矿的湿法机制砂生产线和干法机制砂生产线，其母岩均为凝灰岩矿山岩石，湿法石粉经过压滤后呈泥饼状（见图1），试验前先将其在（105±5）℃烘箱中烘干至恒重，用手将烘干的湿法石粉掰成碎块状，再通过直径175 mm圆盘粉碎机将湿法石粉分散成均匀粉状；干法石粉由风力选粉获得，含水率低且颗粒均匀分散（见图2），干法石粉和处理后湿法石粉的主要性能见表2。

砂：厦门艾思欧标准砂有限公司生产的标准砂。

水：自来水。

1.2   水泥胶砂的配合比

采用石粉等质量取代水泥，湿法石粉的取代率分别为10%、20%、30%、40%、50%，干法石粉的取代率为30%，水泥胶砂试件的配合比如表3所示，其中，C为对照组；PD为干法石粉组；PW为湿法石粉组；编号中的数字为石粉的取代率。

1.3   性能测试

流动度：参照GB/T 2419—2005《水泥胶砂流动度测定方法》测试水泥胶砂的流动度。

强度及活性指数：参照GB/T 17671—2021《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》成型尺寸为40 mm×40 mm×160 mm的试件，标准养护至规定龄期后进行试件抗压强度、抗折强度测试；参照GB/T 30190—2013《石灰石粉混凝土》计算石粉的活性指数（以相同龄期下掺石粉胶砂试件的抗压强度与未掺石粉胶砂试件的抗压强度的比值为石粉的活性指数）。

热重分析：成型相同配合比下的净浆试件，取净浆试件标准养护28 d抗压强度碎块，用无水乙醇浸泡终止其水化，再将碎块干燥并研磨成粒径小于75 μm的粉末，制成热重分析试样，采用德国Netzsch公司STA 499F3同步热分析仪测试试样的热重曲线，保护气氛为氩气，升温速率为10 ℃/min，最高温度为1 100 ℃。

孔结构：成型相同配合比下的净浆试件，取净浆试件标准养护28 d抗压强度碎块，选取3~5颗直径约为3 mm的球状碎块作为试样放入无水乙醇中终止水化，将试样取出在60 ℃条件下烘干24 h直至质量恒定，采用MicroActive AutoPore V 9600型压汞仪测试试样的压汞曲线，测试温度为（20±0.5）℃，最大压力为420.58 MPa。

2.1   流动度

图3为不同石粉取代率下水泥胶砂的流动度。

由图3可知，随着湿法石粉取代率的增加，水泥胶砂的流动度降低；当湿法石粉和干法石粉取代率均为30%时，相较于对照组，水泥胶砂的流动度分别降低了21.1%和14.2%。分析原因：由表2可知，干法石粉和湿法石粉的亚甲蓝值分别为2.0 g/kg和2.2 g/kg，两者均具有较高的吸附性，在水泥胶砂中对自由水的吸附性强，导致石粉取代水泥后，水泥胶砂的水灰比降低，水泥胶砂的流动度降低；由于湿法石粉的亚甲蓝值稍高，相同石粉取代率条件下，湿法石粉对水泥胶砂流动度的降低程度更明显。

2.2   强度及活性指数

图4为不同石粉取代率下水泥胶砂试件的抗压强度。表4为石粉的活性指数计算结果。

由图4、表4可知，随着湿法石粉取代率的增加，试件的抗压强度降低，这是因为石粉为惰性物质，在水泥基材料中主要起填充作用，取代水泥后改变了胶凝材料比例，水泥用量减少，导致试件强度降低。当湿法石粉取代率为30%时，石粉7 d和28 d的活性指数分别为65.8%和57.2%，仅7 d的活性指数满足GB/T 35164—2017《用于水泥、砂浆和混凝土中的石灰石粉》中石粉活性指数高于60%的要求；当湿法石粉取代率≤20%时，石粉7 d、28 d的活性指数均高于60%。石粉7 d活性指数高于28 d活性指数的原因是其填充作用和晶核作用对早期水泥胶砂的强度贡献更大[12]。当干法石粉取代率为30%时，试件的7 d、28 d抗压强度分别为24.2 MPa和35.8 MPa，石粉活性指数分别为73.7%和67.8%。PW30试件28 d抗压强度低于PD30的主要原因在于湿法石粉中含有蒙脱土、伊利石、高岭土等黏土矿物和聚丙烯酰胺絮凝剂，黏土矿物会阻碍水泥水化，影响水化产物结晶，导致试件强度降低[13]；此外，絮凝剂也具有抑制水泥水化的作用，进一步导致试件的强度降低。

图5为不同水泥胶砂试件的抗折强度。

由图5可知，石粉对试件抗折强度的影响规律 与抗压强度相似，随着湿法石粉取代率的增加，试件的抗折强度降低。

2.3   热重分析

图6为水泥浆体热重-差热分析（TG-DTA）曲线，表5为水泥浆体的质量损失率。

由图6可知，450 ℃左右时，水泥浆体的DTA曲线出现明显的峰值特征，该峰对应Ca(OH)2的分解。Ca(OH)2分解生成CaO和H2O，TG曲线上的失重实际是H2O的蒸发，失重率越大，表明Ca(OH)2的含量越高，故TG曲线450 ℃左右的失重率可半定量表征水泥浆体中Ca(OH)2含量。根据DTA曲线的放热峰特征，确定450 ℃左右水泥浆体中Ca(OH)2分解的起止温度，再结合表4可知，纯水泥浆体中Ca(OH)2含量最高，水泥水化程度最大；随着湿法石粉取代率的增加，水泥浆体中的Ca(OH)2含量不断降低；干法石粉掺量为30%的水泥浆体中Ca(OH)2含量略高于湿法石粉掺量为30%的水泥浆体，因为湿法石粉的细度高于干法石粉（见表2），其填充作用和晶核作用均优于干法石粉，故对水泥水化反应的促进作用应该更好，但实际上从强度试验结果可知，PW30#组的水泥水化程度低于PD30#，这也证明了湿法石粉中的黏土矿物和絮凝剂阻碍了水泥水化。

2.4   孔结构

图7为不同石粉取代率下水泥浆体的压汞曲线。表6为水泥浆体的总孔隙率。图8为水泥浆体内部的孔径分布。

文献[17]将混凝土中的孔分为无害孔（＜20 nm）、少害孔（20~50 nm）、有害孔（50~200 nm）和多害孔（＞200 nm）。由图7和图8可知：纯水泥浆体的总孔隙率为11.34%，孔隙率最小；随着湿法石粉含量的增加，水泥浆体的总孔隙率不断增大，当湿法石粉取代率为50%时，水泥浆体的总孔隙率较C#组增大了57.00%；掺30%干法石粉和湿法石粉的水泥浆体总孔隙率分别为14.68%和16.26%；当湿法石粉取代率在30%以内时，水泥浆体的孔径分布规律相近；当湿法石粉取代率超过30%时，孔径50 nm以上的孔隙比例增加；纯水泥浆体中多害孔的比例最高，占总孔隙率的32%，而掺加石粉能降低水泥浆体中多害孔的比例，表明石粉可以改善水泥浆体的孔径分布。此外，石粉取代水泥降低了水泥用量，水 泥水化产物生成量也降低，故水泥浆体内部孔隙的被填充度降低，导致掺石粉的水泥浆体的总孔隙率增大。

（1）湿法石粉相较于干法石粉含有絮凝剂和更多的黏土矿物，其吸附性较高，当石粉取代率为30%时，掺湿法石粉对水泥胶砂流动度的降低程度比掺干法石粉明显。

（2）当湿法石粉取代率不大于20%时，石粉7 d和28 d活性指数满足GB/T 35164—2017中高于60%的要求。

（3）掺加石粉降低了水泥浆体中水泥水化产物含量，导致水泥浆体总孔隙率增加，但有害孔比例降低，改善了水泥浆体的孔径分布。

（4）实际工程中应用湿法石粉时，应严格控制其含泥量和絮凝剂用量，保障掺加湿法石粉的水泥基材料流动性和抗压强度满足应用要求。

来源：《混凝土与水泥制品》2024年第6期