风积沙石粉在混凝土中应用可行性研究

李凯，朱炎宁，沈忠雪，艾洪祥

（中建西部建设股份有限公司，新疆　乌鲁木齐　830000）

风积沙石粉在混凝土中应用可行性研究

李凯，朱炎宁，沈忠雪，艾洪祥

（中建西部建设股份有限公司，新疆乌鲁木齐830000）

本文通过粉磨技术对风积沙进行处理，得到风积沙石粉。研究石粉易磨性、不同比表面积风积沙石粉的活性指数、风积沙石粉对混凝土体积稳定性影响，并研究风积沙石粉替代水泥进行商品混凝土拌制的可行性。结果表明风积沙石粉替代10% 水泥进行混凝土拌制是可行的。

风积沙；石粉易磨性；体积稳定性；替代水泥；混凝土

0　前言

新疆地区地域辽阔，占 1/6 的国土面积，其中沙漠面积为 80.89 万平方公里，约占全国国土面积的 8.43%，且每年有增长趋势。风积沙是存在于沙漠中被风吹、沉淀的沙层，其粒径主要分布在 0.75～2.36mm 之间，该区间颗粒含量高达90% 以上，而且其具有高含泥、非塑性、低吸水、松铺系数小等特点。

目前国内关于风积沙的利用仅局限于修筑公路，其用量对于我国风积沙的资源总量来说，可谓是九牛一毛，并没有将风积沙进行最大限度的开发应用。我国实施“十一五”规划纲要以来，把节约资源、保护环境作为一项基本国策，发展循环经济，保护生态环境，建设资源节约和环境友好型社会已成为社会发展的必然方向。研究和认识风积沙，积极探索风积沙的可利用功能，无论对于绿色可持续发展还是废弃资源再利用都具有深远的意义。本研究采用粉磨等手段得到一定比表面积的风积沙石粉，研究风积沙易磨性、不同比表面积石粉的活性指数、风积沙石粉对混凝土体积稳定性影响、作为胶凝材料取代水泥在混凝土中应用的可行性。

1　试验材料

1.1水泥

水泥采用新疆青松水泥有限公司的强度等级为 42.5R 的普通硅酸盐水泥。其性能指标测定比表面积为 382m2/kg；初凝时间 150min，终凝时间 180min；其 3d 和 28d 抗折强度分别为 5.8MPa、8.5MPa；3d 和 28d 抗压强度分别为 27.3MPa、45.0MPa；安定性检测合格。

1.2粉煤灰

粉煤灰产地新疆红雁池二电厂（Ⅲ 级）。其性能检测指标测定细度 30.3%，需水量比 98%；游离氧化钙 0.4%，烧失量 2.3%，SO3含量 0.5%，28d 活性指数 71.2%。

1.3磨细矿渣粉

磨细矿渣粉产地：中建西部建设股份有限公司乌市分公司粉磨车间。其性能检测指标测定比表面积 420m2/kg，SO3含量 1.0%，烧失量 1.0%，需水量比 98%；3d、7d、28d 活性指数分别为 58%、76%、98%。

1.4砂样

本研究使用风积沙试样取自新疆乌鲁木齐周边的沙漠背风层表面浮砂。物理性质见表 1。

表1　风积沙物理性质

1.5风积沙石粉

通过球磨机粉磨得到不同比表面积风积沙石粉，化学组分见表 2。

表2　风积沙石粉化学组成　　　　　%

1.6骨料

粗细骨料均产自乌鲁木齐周边，天然砂具体参数见表1。粗骨料粒径为 5～20mm、20～40mm。各项性能指标符合JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》规定。

1.8外加剂

外加剂采用江苏苏博特新材料股份有限公司生产的高性能聚羧酸减水剂。与本研究涉及水泥具有良好适应性，减水率为 28%，性能指标符合 GB 8076—2008《混凝土外加剂》要求。

2　风积沙粉磨及活性指数试验

2.1易磨性试验

通过球磨机将风积沙按不同粉磨时间进行处理，得到不同比表面积的风积沙粉磨石粉。比表面积的测试参照 GB/T 8074—2008《水泥比表面积测定方法—勃氏法》进行。粉磨时间与对应比表面积见图 1。

由图 1 可知，风积沙石粉比表面积随粉磨时间的延长而增大，粉磨时间超过 30min 后石粉的比表面积增大不明显，原因是粉磨超过 30min，粉体开始结团，出现粘球现象。粉磨超过 40min 粘球现象严重，团聚程度增大。

图1　粉磨时间与比表面积对应关系

2.2强度活性指数

借鉴粉煤灰强度活性指数试验，参照标准 GB/T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》对风积沙石粉进行强度活性指数试验。胶砂配比见表 3，7d、28d 水泥胶砂抗压强度见表 4。

表3　胶砂配比

表4　7d、28d 水泥胶砂抗压强度

由表 3 和表 4 可以看出：风积沙石粉替代水泥量为总胶材的 30%，而掺入石粉的粉磨时间在 20min 以上的水泥胶砂试块的抗压强度损失都小于 30%。根据冯乃谦教授的胶材活性理论，可以认为风积沙石粉具有一定的活性。随着粉磨时间的延长，风积沙石粉比表面积的增加，石粉的水泥胶砂 28d抗压强度呈增长趋势，增长平缓。可以推测风积沙石粉比表面积达到一定值后风积沙石粉的其他性能对混凝土强度的增长有帮助，比如风积沙石粉的填充效应，能够在一定条件下增加混凝土的致密性，提高水泥胶砂强度。根据风积沙石粉胶砂7d 强度可以看出：风积沙石粉对混凝土前期强度的增长效果高于后期，原因是风积沙石粉具有“加速效应”。其基本原理是风积沙石粉颗粒作为一个个成核场所，致使掺入风积沙石粉后，混凝土中水泥水化速率加快。

3　风积沙石粉对砂浆体积稳定性影响

结合图 1 和表 4 选择粉磨时间为 50min 的风积沙石粉进行砂浆限制膨胀率试验。试验参照 GB 23439—2009《混凝土膨胀剂》中附录 A 的方法进行。风积沙石粉内掺为 10%，水胶比为 0.4，胶砂比为 2.0。不同养护条件下风积沙石粉限制膨胀率试验结果见表 5 和图 2。

图2　不同养护条件下风积沙石粉限制膨胀率

由图 2 可以看出，掺入风积沙石粉的砂浆在绝湿和水养的养护条件下的限制膨胀率均大于未掺加石粉的基准组，由此可以认为风积沙石粉能够在一定程度上弥补体积收缩，对水泥基胶凝材料的体积稳定性无不利影响。原因可能是风积沙石粉的填充效应使砂浆体系更加密实；风积沙石粉中的活性 SiO2与水泥水化产物 Ca(OH)2反应生成了有胶凝性质的稳定的水化硅酸钙凝胶，增加了有益水化物数量，从而达到了补偿收缩的效果。

4　风积沙石粉取代水泥试验

风积沙石粉对胶砂的强度有一定的帮助，能否在混凝土生产中加以利用是风积沙石粉的应用关键。根据风积沙石粉活性指数及经济成本考虑，选择粉磨时间为 50min 风积沙石粉进行试验。试验配合比及相关性能见表 6。

表6　风积沙石粉取代水泥试验结果　　　　　　　　　　　　　　　　　　kg/m3

图 3　风积沙石粉替代不同比例水泥混凝土抗压强度

由表 6 可知，当风积沙石粉替代水泥时，随着替代率的增加，相同用水量的情况下，混凝土的坍落度增大，原因是粉磨的风积沙石粉粒径小，能够有效地填充颗粒间的空隙，置换层间水，起到“减水”效果。但当替代率增加到一定比例时，混凝土坍落度降低，原因是风积沙石粉中含有一定的粘土，粘土能够吸收聚羧酸减水剂，当风积沙石粉自身的“减水”效果小于其粘土吸附的聚羧酸减水剂的减水效果时，混凝土坍落度开始降低。从而影响混凝土的工作性能。

由图 3 可知，当风积沙石粉替代水泥量在 10% 以内时，随着风积沙石粉掺量的提高，混凝土 7d、28d 抗压强度有一定的提高。原因是风积沙石粉的填充效应提高了混凝土体系的密实性。当风积沙石粉替代率进一步提高时，混凝土 7d、28d 强度呈下降趋势，原因是风积沙石粉的活性效应及填充效应对混凝土的增强效果低于所取代水泥的活性给混凝土带来的强度，其次含泥量的提高也是混凝土强度降低的原因。

对比图 3 中 7d 和 28d 抗压强度可以看出，当加入一定量的石粉时，混凝土的早期强度较基准有明显的提升，这进一步地验证了风积沙石粉的加速效应。

5　结论

（1）风积沙石粉比表面积随粉磨时间延长而增大，当粉磨时间超过 40min 后，石粉比表面积增加不明显。原因是风积沙石粉开始结团、团聚。

（2）风积沙石粉具有一定的活性，随着比表面积增大，风积沙石粉活性指数增大。

（3）粉磨时间为 50min 时，风积沙石粉活性指数最高而此时能耗相对较低。

（4）风积沙石粉对砂浆体积稳定性无不良影响，能够起到补偿收缩的作用。

（5）当风积沙石粉替代水泥用量在 10% 以内时，风积沙石粉能够在一定程度上提高混凝土流动性及抗压强度。原因是风积沙石粉能够置换层间水和密实混凝土，而且风积沙石粉的活性能为混凝土提供一定强度。

（6）风积沙石粉掺量在一定范围内时对于混凝土早期强度有一定的提高，与胶砂试验结果相同，这是所谓的“加速效应”。

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［通讯地址］新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市沙依巴克区雅山中路 418 号（830000）

李凯（1989—），男，主要从事混凝土新技术新产品的开发与应用。