摘要：为交流各国砂石及装备、建筑固废、尾矿废石资源化综合利用新政策、新理论、新标准和新技术、新工艺、新模式，探讨石矿开采及生态修复、砂石生产、装备制造和建筑固废、尾矿废石资源化综合利用未来发展方向，了解掌握各国基础设施建设项目和房地产投资情况，把握砂石及装备行业市场

编者按：

为交流各国砂石及装备、建筑固废、尾矿废石资源化综合利用新政策、新理论、新标准和新技术、新工艺、新模式，探讨石矿开采及生态修复、砂石生产、装备制造和建筑固废、尾矿废石资源化综合利用未来发展方向，了解掌握各国基础设施建设项目和房地产投资情况，把握砂石及装备行业市场供需与走势，研讨应对措施和发展路径，为企业发展提供战略指导，促进各国砂石及装备行业合作共赢，推动全球砂石及装备产业绿色低碳高质量和可持续发展，发挥砂石产业对全球经济的基础支撑作用，高效服务国家建设，定于2024年12月16—18日在中国重庆召开“第九届中国国际砂石骨料大会”“第七届中国国际建筑固废、尾矿废石资源化综合利用大会”。本次大会在砂石行业内广泛征集了学术论文。

今日，中国砂石协会推出新沅矿业有限公司施进儒、高尚贤、孙延喜，兰州理工大学土木工程学院王习撰写的《玄武岩石粉-粉煤灰新型矿物掺合料对混凝土基本性能的影响研究》一文，以飨读者。

玄武岩石粉-粉煤灰新型矿物掺合料对混凝土

基本性能的影响研究

施进儒1，高尚贤1，孙延喜1，王习2

（1.新沅矿业有限公司，甘肃皋兰730200；2.兰州理工大学土木工程学院，甘肃兰州730050）

Effect of basalt powder-fly ash new mineral admixtures on basic properties of concrete

Jinru Shi1, shangxian gao1, yanxi sun1,Xi Wang2

(1.Xinyuan Mining Co., LTD, Gaolan, Gansu, 730200, China; 2. School of Civil Engineering, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China)

【Abstract】The manufactured aggregate production process will produce a large amount of waste stone powder, which is inconsistent with the green and sustainable development concept advocated by the state. Therefore, in this paper, waste basalt powder is used as raw material, and its fineness is increased and its particle morphology is improved by grinding. Then, a new mineral admixture is prepared with fly ash and basalt powder in a specific ratio and applied to concrete. The results show that the refined stone powder in the new mineral admixture of waste basalt stone powder-fly ash has an optimization effect on the fluidity and mechanical properties of concrete, at the same time, the pore size distribution and porosity of concrete are reduced, and the density of concrete is increased. Compared with untreated basalt powder, when the fineness of the powder is 325 mesh, 400 mesh, 425 mesh and 625 mesh, the concrete slump increases by 5.26%, 7.89%, 13.16% and 15.79%, respectively. The expansion degree increased by 2.75%, 6.42%, 11.01% and 11.93%, respectively. The compressive strength of 28 days increased by 6.92%, 12.46%, 13.21% and 14.51%, respectively. The flexural strength of 28 days increased by 6.54%, 13.77%, 15.15% and 15.66%, respectively.

【Key words】Basalt powder; Fly ash; New mineral admixtures; Concrete

0 引言

随着我国基础建设的规模不断增长，砂石骨料用量逐年递增。目前，建设用骨料主要为天然骨料与机制骨料，无节制地开采天然骨料会导致严重的环境问题，与国家倡导的绿色可持续发展观念不符。因此，合理利用我国存量丰富的岩矿资源，以机制骨料替代天然骨料已成既定趋势。然而，在机制骨料生产过程中会产生大量石粉，难以处理，大多企业选择将其废弃，该做法不仅浪费了岩矿资源，还对矿产周边环境造成了一定污染。

鉴于此，行业内专家提出将石粉作为矿物掺合料应用于混凝土制备。其中，闻洋等[1]以7.5%与15%的掺量将石粉应用于混凝土，并研究了单轴受压掺石粉混凝土本构关系。吴方志[2]研究了石粉掺量为10%、20%及30%时混凝土抗压强度与抗氯离子渗透性能，结果表明，石粉掺量较低时混凝土抗压强度得到了提升，而抗氯离子渗透性能则被劣化。李特等[3]针对花岗岩石粉难以处理的问题，将其以矿物掺合料的形式应用于混凝土，结果表明，石粉的掺入降低了混凝土流动性。汪保印等[4]将废弃石粉以矿物掺合料的形式应用于混凝土，结果表明，未处理的废弃石粉对砂浆存在一定的影响，且会降低低等级混凝土抗压强度。陈松等[5]研究了石灰石粉对砂浆的收缩影响，结果表明，降低石粉粒径且掺量≤15%时砂浆收缩值得到了显著降低。解威威等[6]研究了石粉与粉煤灰复掺时混凝土抗压强度与流动性变化规律，结果表明，石粉对混凝土抗压强度存在一定的劣化影响。陈峰宾等[7]研究了不同石粉含量下机制砂混凝土力学与流动性能，结果表明，适量增加石粉含量有利于混凝土力学与流动性能的提升。邢洋等[8]研究了花岗岩石粉对混凝土抗冻性能的影响，结果表明，石粉掺量为10%时混凝土抗冻性能最好。于本田等[9]研究了不同岩性石粉对高延性工程水泥基复合材料力学性能的影响，结果表明，石粉的掺入优化了材料抗压与抗折强度。张秋洁等[10]研究表明，石粉的掺入对混凝土流动性、力学性能及耐久性能均存在提升作用。

通过上述研究可知，关于废弃石粉应用于混凝土的研究已得到了部分理论成果，但是，目前所用的废弃石粉未经过处理，其内部含有过多杂质，且粉体粒形较差，对混凝土存在不利影响，无法大规模应用，从而使得各机制骨料生产企业废弃石粉仍堆积如山、难以处理。因此，本文以甘肃地区玄武岩机制骨料生产过程中产生的废弃石粉为原材料，通过粉磨细化方法，优化了废弃石粉细度与粒形，然后根据一定比例与粉煤灰相掺，配制成废弃玄武岩石粉-粉煤灰新型矿物掺合料，并将其应用于混凝土，研究了混凝土流动性、抗压和抗折强度、孔隙结构分布及干燥收缩变化规律。该研究突破了传统的仅应用原始废弃石粉的理念，为机制骨料与混凝土行业的进一步发展提供了理论依据。

1 试验

1.1 原材料

试验水泥采用P·O42.5普通硅酸盐水泥，初凝时间为171 min，终凝时间为262 min，其化学成分见表1。其中烧失量为3.69；所应用的粉煤灰等级为Ⅱ级；粗细骨料为甘肃新沅矿业有限公司生产的玄武岩碎石与玄武岩机制砂；石粉为该公司生产的废弃玄武岩石粉。

表1 P·O42.5普通硅酸盐水泥化学成分（%）

1.2 配合比

本文主要研究废弃玄武岩石粉粉磨细化后，不同细度石粉与粉煤灰配制的新型矿物掺合料对混凝土性能的影响。废弃玄武岩石粉-粉煤灰新型矿物掺合料掺量为20%，混凝土强度等级为C50，其配合比见表2。其中，石粉掺配比例为5%，细度分别为200目、325目、400目、425目及625目，所对应混凝土编号分别为C50-1、C50-2、C50-3、C50-4及C50-5。

表2混凝土配合比（kg/m3）

1.3 试验方法

1.3.1流动性

混凝土拌和好之后，将其分三层装入坍落度筒（提前用水润湿），每层填装高度均为1/3筒高，每层填装完成后利用捣棒捣插25下，使混凝土装填密实。待混凝土全部装填完成后，竖直提起坍落度筒，利用直尺测得混凝土坍落度与扩展度。

1.3.2抗压和抗折强度

混凝土流动性测试完成后，将其装入模具，制备尺寸为100mm×100mm×100 mm的立方体抗压试件及100mm×100mm×400mm的长方体抗折试件。待试件养护至7d、28d及56d后，利用微机伺服压力机结合相应的抗折摸具测试混凝土抗压强度与抗折强度。

1.3.3孔结构分布

利用核磁共振试验测试混凝土孔结构分布。先成型边长为100mm的立方体试件，待其养护至28d时利用钻孔取芯机制备高度为100mm、直径为50mm的试样。然后利用混凝土饱水仪对试样进行饱水，该步骤完成后，再用核磁共振系统测试试样孔结构分布。

1.3.4干燥收缩

废弃玄武岩石粉-粉煤灰新型矿物掺合料中石粉细度对混凝土干燥收缩性能的影响试验参考《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T50082—2009）[11]进行。试验设备包括收缩仪、千分表及电子天平等。试验方法：①成型试件并标准养护至3d；②取出试件，擦干表面水分；③精确测量试件初始尺寸；④安装千分表与收缩仪进行测试；⑤从试件移入干缩室起记录数据。

2 结果与分析

2.1 流动性能

废弃玄武岩石粉细度不同时，新型矿物掺合料对混凝土流动性的影响如图1所示。由图1可知，配制新型矿物掺合料的石粉细度不同时混凝土流动性存在较大区别。其中，随着石粉细度增大，混凝土流动性增强。当石粉细度分别为200目（C50-1）、325目（C50-2）、400目（C50-3）、425目（C50-4）及625目（C50-5）时， 混凝土坍落度分别为190mm、200mm、205mm、215mm及220mm，扩展度分别为545mm、560mm、580mm、605mm及610mm。未处理的石粉细度为200目，相比于原始石粉，当石粉细度为325目、400目、425目及625目时，混凝土坍落度分别增大了5.26%、7.89%、13.16%及15.79%，扩展度分别增大了2.75%、6.42%、11.01%及11.93%。

与此同时，在石粉粉磨细化过程中，石粉颗粒与铁球以及石粉颗粒之间会产生研磨作用，从而在石粉颗粒细化的同时使粒形得到了优化。随着石粉颗粒细度的增大，其与粉煤灰颗粒及水泥颗粒的黏附性增强，能更好地锁住水分，使得浆体能很好地包裹住骨料表面，从而提高了混凝土流动性。此外，随着石粉颗粒细度的增大，其颗粒圆度增加，更能起到“滚珠”效应，增强混凝土流动性。

图1 混凝土流动性

2.2 抗压和抗折强度

废弃玄武岩石粉细度不同时，新型矿物掺合料对混凝土抗压强度和抗折强度的影响如图2所示。由图2可知，石粉细度对混凝土抗压强度与抗折强度的影响规律相同，即抗压强度与抗折强度随石粉细度的增大而增大。相比于原始石粉，石粉细度为325目、400目、425目及625目时，混凝土7d抗压强度分别增大了6.18%、14.64%、14.75%及15.59%；28d抗压强度分别增大了6.92%、12.46%、13.21%及14.51%，56d抗压强度分别增大了6.55%、11.08%、12.39%及12.81%。此外，混凝土7d抗折强度分别增大了7.26%、12.61%、13.68%及15.81%，28d抗折强度分别增大了6.54%、13.77%、15.15%及15.66%，56d抗折强度分别增大了6.12%、13.72%、14.55%及15.21%。由此可以看出，将废弃玄武岩石粉粉磨细化后与粉煤灰制备的新型矿物掺合料对混凝土抗压和抗折强度优化幅度较大。

与此同时，当石粉细度>400目后，随着石粉细度的增大，混凝土抗压和抗折强度虽有所提升，但提升幅度较小。究其原因，主要为石粉细度的增大使浆体的粘结性能与保水能力增强，进而使骨料之间连接紧密。此外，随着石粉细度的增大，颗粒有效填充了混凝土内部部分孔隙，从而提升了混凝土抗压和抗折强度。从试验结果还可看出，相比于石粉细度为400目时的混凝土，当石粉细度>400目后，混凝土抗压强度与抗折强度的增长可以忽略。由于石粉细度进一步增大时将增大制备成本，故认为废弃玄武岩石粉细度为400目时为最佳细度。

图2混凝土力学性能

不同细度下混凝土抗压强度如图2（a）所示；抗折强度如图2（b）所示。

（a）抗压强度 （b）抗折强度

2.3 孔结构分布

为了探究石粉细度变化对混凝土内部孔隙结构分布的影响规律，本文针对200目、325目及400目石粉细度时的新型矿物掺合料混凝土，利用NMR分析了其内部孔隙结构分布，结果如图3所示。由图3可知，石粉细度不同时新型矿物掺合料混凝土内部孔隙状况差异较大。其中，由图3（a）可知，石粉细度为200目时，混凝土T2弛豫时间图谱呈现3个波峰，第一波峰弛豫时间位于0.10～10.00ms，信号强度为48.03 a.u.；第二波峰位于1.00～100.00ms，信号强度为10.60a.u.；第三波峰位于10.00～1000.00ms，信号强度为3.67a.u.。石粉细度为325目时，混凝土T2弛豫时间图谱呈现2个波峰，第一波峰位于0.10～1.00ms，信号强度为42.74a.u.；第二波峰位于1.00～10.00ms，信号强度为9.43a.u.。石粉细度为400目时，混凝土T2弛豫时间图谱呈现2个波峰，第一波峰位于0.01～1.00ms，信号强度为37.19a.u.；第二波峰位于0.10～10.00ms，信号强度为8.2a.u.。同时，由图3（b）可知，石粉细度为200目、325目及400目时混凝土内部孔径分别集中于0.01～0.10μm、0.001～0.100μm及0.001～0.010μm。由此可知，随着石粉细度的增大，混凝土内部孔径分布与孔隙率降低。究其原因，主要为石粉颗粒细度的增大与颗粒形貌的优化使其能更好地填充混凝土内部孔隙。

图3 混凝土内部孔结构分布

（a）T2图谱 （b）孔径分布

2.4 干燥收缩

废弃玄武岩石粉细度不同时，新型矿物掺合料对混凝土干燥收缩的影响如图4所示。由图4可知，石粉细度对混凝土干燥收缩存在一定的影响，但是影响幅度较小。石粉细度不同时，虽然相同时间干缩值存在一定的差异，但总体变化规律相同，均表现为10d前干缩值增长率较大，30d后干缩值增长率较小且曲线趋于平缓。

与此同时，当石粉细度分别为200目（C50-1）、325目（C50-2）、400目（C50-3）、425目（C50-4）及625目（C50-5）时，混凝土10d时的干缩值分别为370.01με、359.54με、354.41με、357.24με及360.28με；混凝土30d干缩值分别为494.47με、483.37με、478.89με、483.37με及486.29με；混凝土90d干缩值分别为506.37με、495.51με、490.08με、493.32με及496.19με。由此可知，随着石粉细度的增大，混凝土干缩值呈先降后增规律，当石粉细度为400目时干缩值最小。因此，石粉细度为400目时能有效降低混凝土干缩值，优化混凝土干缩性能。此外，将石粉粉磨细化后制备的矿物掺合料对混凝土性能提升幅度较大，能很好地规避石粉自身缺陷，降低混凝土生产成本，并为砂石骨料企业处理废弃石粉提供了新思路。

图4 新型矿物掺合料对混凝土干燥收缩的影响

3 结论

（1）新型矿物掺合料中的石粉细度对混凝土流动性影响较大，相比于未经处理的废弃玄武岩石粉，当石粉细度分别为325目、400目、425目及625目时，混凝土坍落度分别增大了5.26%、7.89%、13.16%及15.79%，混凝土扩展度分别增大了2.75%、6.42%、11.01%及11.93%。

（2）新型矿物掺合料中的石粉细度对混凝土抗压和抗折强度存在一定的影响。相比于未经处理的废弃玄武岩石粉，当石粉细度分别为325目、400目、425目及625目时，混凝土28d抗压强度分别增大了6.92%、12.46%、13.21%及14.51%，28d抗折强度分别增大了6.54%、13.77%、15.15%及15.66%。

（3）新型矿物掺合料中的石粉细度对混凝土内部孔隙结构分布影响极大。研究发现，随着石粉细度的增大，混凝土内部孔径分布与孔隙率均降低，从而增大了混凝土内部密实度，能使混凝土有效抵抗外界侵蚀物质的侵入。

（4）新型矿物掺合料中的石粉细度对混凝土干燥收缩性能存在一定的影响，具体表现为随着石粉细度的增大，混凝土干燥收缩值呈先降后增的规律。其中，当石粉细度为400目时混凝土干燥收缩值最小。

参考文献

[1] 闻洋,郑曼菁,刘振.石粉-钢渣混凝土单轴受压应力-应变全曲线实验研究[J].材料导报,2024,38(增刊1):322-328.

[2] 吴方志.石粉掺量对水工混凝土性能的影响研究[J].广东建材,2023,39(11):13-15.

[3] 李特,李琦.石粉对混凝土性能影响及微观机理分析[J].佛山科学技术学院学报(自然科学版),2023,41(5):63-67.

[4] 汪保印,张洁,熊金伟,等.废弃石粉对混凝土的性能影响及碳排放分析[J].建筑材料学报,2023,26(11):1151-1157,1206.

[5] 陈松,申波,吴洪梅,等.不同石粉含量和粒径对砂浆干缩性能的影响[J].混凝土,2024(3):143-146,164.

[6] 解威威,胡以婵,池浩,等.复合石灰石粉-粉煤灰混凝土强度影响系数[J].公路,2024,69(4):314-321.

[7] 陈峰宾,刘济广,焦华喆,等.石粉含量对机制砂混凝土拌合性能及力学性能的影响[J/OL].混凝土,2024(3):1-8[2024-08-07].http://kns.cnki.net/kcms/detail/21.1259.tu.20240308.1915. 002.html.

[8] 邢洋,刘峰.花岗岩石粉混凝土抗冻性试验研究[J].辽宁科技学院学报,2023,25(4):5-7,16.

[9] 于本田,李彦宵,张占旭,等.不同石粉及掺量对高延性工程水泥基复合材料的性能影响[J/OL].吉林大学学报(工学版):1-15[2024-08-07].https://doi.org/10.13229/j.cnki.jdxbgxb.20221623.

[10] 张秋洁,陈世华,桂宝荥,等.基于废弃石粉的复合矿物掺合物混凝土性能研究[J].石材,2024(4):120-122.

[11] 中华人民共和国住房和城乡建设部,中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准:GB/T50082—2009[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.

来源：中国砂石协会