混凝土的原材料最开始只有水泥、水和砂石。为了节约水泥、改善混凝土性能,在拌制混凝土时常掺入具有胶凝性的粒化高炉矿渣和热电厂产生的煤灰经磨细后的掺合料,这两者从工业废弃物也变成了现在供不应求的矿产品。然而,随着近几十年来国内外工程建设的迅速发展,逐渐面临粉煤灰紧缺问题。而我国也出现了这样的问题,特别是西南地区粉煤灰供应紧张,其他地区也经常出现粉煤灰脱销的情况。因此需要寻找一种容易获取、质优价廉的新型掺合料。近年来随着天然砂资源的枯竭,使得人工砂的应用变得普遍,而随之也产生了一种新的工业废弃物---石粉。

由于人们缺乏对石粉的认识,认为它是对混凝土有害,因此不能加以利用。这样既造成了资源浪费,又造成了环境污染。废弃石粉的堆积占据了大量土地,如何处理是一个亟待解决的问题。因此,经济合理地利用这些石粉,既能够消除石粉对环境的污染,又能够为机制砂的生产和使用消除后顾之忧。石粉的形成过程使其具有较大的比表面积,一般在600m2/kg以上,使得其作为掺合料在混凝土中应用成为可能。近几年来,石粉在混凝土中应用已逐渐成为一种趋势。

1.石粉在混凝土中的作用机理

关于石粉在混凝土中的作用机理主要有两种观点:一种观点认为石粉没有活性,在混凝土中起填充效应。石粉对胶凝材料起到一定填充效应,能够改善混凝土的孔隙特征、浆和集料的界面结构;另一种观点认为石粉具有一定的火山灰活性,能够发挥火山灰效应。除了以上两种作用,石粉还能参与水泥水化反应,对混凝土的工作性和耐久性都有一定影响。根据石粉的作用机理，石粉在混凝土中的可取代部分细骨料或者作为碾压混凝土掺合料。

2.石粉部分取代细骨料

石粉在一定掺量范围内可起到填充密实和微集料效应,能明显改善新拌混凝土的和易性,而对混凝土的凝结时间几乎没有影响,可提高混凝土的强度和抗渗性能,还可减少水泥用量,可以降低绝热温升,这对于减小温度应力、提高混凝土抗裂性能是非常有利的。在我国,普定、岩滩、江垭、汾河二库、白石、黄丹等水电工程中,均采用了石粉取代部分细骨料,并取得了良好的效果。

国内有学者曾提出对水泥、粉煤灰和石粉三元复合胶凝材料的研究。水泥、粉煤灰和石粉三者颗粒间发生“填充效应”,颗粒间的空隙减小,使空隙水减少,自由水增加,则浆体的流变性增大。他们研究水泥、粉煤灰和石粉三元粉体体系对浆体流变性的影响，通过试验提出的优化配合比为:水泥34%、磨细锰铁矿渣23%、石灰石粉43%,组成三元复合胶凝材料。这方面许多研究是结合实际工程进行的,主要方式是以石粉代砂(或砂中石粉含量较高),石粉粒径通常要求为80μm以下,研究主要针对强度、干缩、抗渗性能及抗冻性能这几个工程常用指标进行。

在碾压混凝土筑坝材料中，粉煤灰具有举足轻重的地位，粉煤灰在混凝土中的作用主要是与水泥水化生成的Ca(OH)2发生二次水化反应,产生后期强度和填充空隙,改善混凝土和易性。我国碾压混凝土筑坝材料的特点是低胶凝材料用量、高粉煤灰掺量(50%~70%)。如果要保持相同的坍落度,则掺石粉的混凝土用水量可以减少,这就会影响混凝土的诸多性能。石粉是一种容易得到且价廉的材料,骨料的加工过程中也会带来大量的石粉,如果不加以利用,不仅要占用场地堆放,而且会对环境造成污染。如果能将其稍作加工后作为掺合料使用,替代日益紧缺的粉煤灰和价格相对昂贵的硅粉或矿渣,对于解决实际工程的原材料紧缺问题、降低工程造价以及对环保等将具有重大的现实意义。

3.石粉作为混凝土掺合料

3.1石粉作为混凝土掺合料的可行性与意义

传统观点认为,石粉是一种惰性材料,细度很小,它不但可以补充混凝土中缺少的细颗粒,增大固体的表面积对水体积的比例,从而减少泌水和离析,而且石粉能和水泥与水形成柔软浆体,改善混凝土的和易性。

3.2国内外石粉作为混凝土掺合料的应用现状

我国在一些水电工程中,采用了石粉作为掺合料取代部分水泥,得到了成功应用。例如,龙滩水电站采用石粉取代25%的粉煤灰,共同作为混凝土掺合料,这对碾压混凝土的VC值影响不大,而抗压强度、劈拉强度和抗渗性能均能得到保证。实验得到石粉含量为18%左右时，碾压混凝土拌和物性能显著改善，且可进一步提高，微石粉已成为碾压混凝土掺和料的重要组成部分。国外也对此进行了大量研究,如日本的千屋坝,即以石粉代替了55%的粉煤灰用于碾压混凝土,其坝体防渗及强度均能满足设计要求[3]。国外得出的结论与国内成果基本一致,石粉能在一定程度上对改善混凝土的宏观性能起到促进作用。

3.3国内外研究的不足

目前石粉作为掺合料的应用研究较少,研究的主要内容为对混凝土宏观性能的影响,对微观结构、胶凝材料体系的水化特性及石粉在胶凝材料体系水化中的作用机理等方面的研究工作还未全面开展。由于石粉可作为将来掺合料的重大现实意义及目前对与掺石粉碾压混凝土复合胶凝材料水化特性研究的严重不足,有必要对其做更为全面深入的研究,这能够极大推动石粉作为掺合料在碾压混凝土中的应用,对减少环境污染、降低工程造价、缓解资源危机和推动我国国民经济建设的可持续发展将起到巨大的促进作用。

4.结论

在粉煤灰相对匮乏的地区,或长距离运输粉煤灰影响碾压混凝土筑坝经济性的情况下，以石粉代替部分粉煤灰应用于碾压混凝土，既可以降低工程造价，又可以保护环境，还可以降低混凝土的温升，提高碾压混凝土的和易性和可碾性，具有良好的经济效益和社会效益，且有助于提高大体积碾压混凝土的抗裂性。因此考虑用石粉取代部分细骨料或者采用石粉作为碾压混凝土的掺和料代替部分粉煤灰，设计出满足施工要求的配合比是完全可行的。

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