废弃石粉对混凝土的性能影响及碳排放分析

废弃石粉对混凝土的性能影响及碳排放分析

汪保印 1，张洁 2，熊金伟 2，任强 1，蒋正武 1，*

（1.同济大学先进土木工程材料教育部重点实验室，材料科学与工程学院，上海 201804；2. 贵州桥梁建设集团有限责任公司，贵阳 550001）

 

【摘要】为解决机制砂生产过程产生的废弃石粉处置难题，本文提出了将废弃石粉用作混凝土矿物掺合料的利用新途径。试验研究了废弃石粉特征及其对混凝土抗压强度与孔结构的影响，并基于生命周期评价方法分析了利用废弃石粉时带来的碳减排效益。结果表明，废弃石粉虽较磨细石粉具有更高的亚甲蓝值，但对砂浆流动度影响较小；相比于磨细石粉和粉煤灰，废弃石粉会降低低强度等级混凝土的抗压强度，但对高强度等级混凝土的抗压强度影响较小，并得到了孔结构结果的验证；废弃石粉作为矿物掺合料可有效降低混凝土生产碳排放，内掺20%废弃石粉的混凝土碳排放总量降低了近20%。

【关键词】废弃石粉；矿物掺合料；抗压强度；孔结构；碳排放

近年来，采用机制砂替代天然砂已成为混凝土可持续发展必然趋势[1]。然而，受机制砂相关标准和当前生产工艺的限制，机制砂生产会产生大量过剩石粉，通常采用堆置或填埋处理而废弃[2,3]。随着我国基建持续推进，一方面对混凝土的需求量持续增大，另一方面优质的传统矿物掺合料如粉煤灰、矿渣等日益缺乏，寻求合适的替代材料迫在眉睫[4]。

将机制砂中过剩的废弃石粉用作矿物掺合料，不仅可以实现其高附加值利用，且能助力解决传统矿物掺合料短缺问题。研究表明，粉磨获取的石灰石粉在混凝土中存在填料效应[5]、稀释效应[6]、成核效应[7]和微弱的化学效应[5]。废弃石粉是机制砂生产的副产物，其特征如亚甲蓝值、细度等受母岩特性与加工工艺等因素影响，这些特征使得废弃石粉有别于传统的磨细石粉，亟需开展废弃石粉作为混凝土矿物掺合料的可行性研究。

基于此，本文研究了废弃石粉（WSP）作为矿物掺合料对混凝土性能的影响。试验采用磨细石粉（GSP）和粉煤灰（FA）作为参照对象，分析了WSP与GSP、FA之间的性能差异，研究了WSP对砂浆流动性和混凝土强度的作用规律，并通过压汞法（MIP）探究了采用WSP制备的混凝土孔结构特征，最后通过生命周期评价（LCA）方法分析了WSP作为矿物掺合料的减碳效益。研究不仅为废弃石粉用作矿物掺合料提供理论与技术指导，且对实现我国混凝土行业“双碳”目标具有重要意义。

1 试验原材料及试验方法1.1 原材料

水泥为贵州省晴隆盘江水泥有限公司生产的P.O42.5水泥，其熟料矿物组成中C3S、C2S、C3A、C4AF的占比分别为54%、24%、10%、12%。粗细骨料为取自贵州晴隆马脚岩料场的机制砂、机制碎石，其中，机制砂中石粉含量为13%。废弃石粉（WSP）为上述机制砂过75μm筛孔的粉体。磨细石粉（GSP）是由上述碎石经摆式磨粉机生产的粉体。粉煤灰（FA）为福能（贵州）发电有限公司生产的二级粉煤灰。水泥、废弃石粉、磨细石粉和粉煤灰的比表面积分别为333㎡/kg、314㎡/kg、339㎡/kg和400㎡/kg。水泥、石粉母材、粉煤灰的化学成分如表1所示；石粉母材的XRD图谱如图1所示，可以看出其主要矿物为方解石。原材料级配曲线如图2所示。外加剂为贵州黔桥鑫烁特材科技有限责任公司生产的HSPC-8W型聚羧酸系高性能减水剂。试验用水为自来水。

表 1 水泥、石灰石母岩、粉煤灰的化学成分（wt.%）

1.2 配合比

石粉流动度比试验配合比如下：胶凝材料450g；标准砂1350g；水225g。除对照组M0外，其余各组内掺30%的矿物掺合料，根据矿物掺合料不同分别命名为M-WSP、M-GSP、M-FA。表2为混凝土试验配合比。L×和H×代表实际桥梁结构中的承台用低强度等级混凝土和索塔用高强度等级混凝土，水胶比分别为0.47和0.36。减水剂掺量根据混凝土工作性调整，以保证各组新拌混凝土具有相当的初始坍落度（230±10mm）和扩展度（600±25mm）。

表 2 混凝土配合比

1.3 测试方法石粉MB值和流动度比参考《矿物掺合料应用技术规范》（GB/T51003-2014）[8]测试。

混凝土抗压强度采用边长为100mm的立方体试块，在标养3d、7d、28d、90d和180d后，参考《混凝土物理力学性能试验方法标准》（GB/T50081-2019）[9]测试。

采用美国MicromeriticsAutoPoreIV9510型高性能全自动压汞仪测试28d龄期混凝土的孔径分布。

为较为准确地反映孔结构特征，制样过程剔除粗骨料，选取富含浆体的固体小块。

1.4 碳排放计算方法（1）方法介绍：采用Efootprint软件，选取IPCC2013评价方法的特征化因子，计算混凝土生产过程的全球变暖潜值（GWP），将产生的主要温室气体转换成CO2当量指标，作为碳排放计算结果，单位为kgCO2-eq，主要温室气体的转换因子见表3，本文选取GWP100指标计算。

表 3 温室气体的GWP转换因子[10]

（2）混凝土生命周期研究范围：参考《环境管理生命周期评价要求与指南》（GB/T 24044-2008）[11]及相关研究[12~14]，采用“从摇篮到大门”的系统边界，如图3 所示。此外，选取生产1m³混凝土为LCA研究的功能单位。依据上述制定的混凝土生命周期系统边界，本文所研究的碳排放结果根据式（1）计算，每个阶段的碳排放值（CE）为该阶段的GWP结果：

图 3 混凝土生命周期系统边界

（3）所用假设与数据来源：本文结合贵州某桥梁工程实际建设情况，设定的原材料运输清单如表4所示。机制碎石开采与混凝土搅拌过程清单数据源自美国NREL-USLCI数据库[15]，其余原料的开采制备及运输数据源自中国生命周期参考数据库（CLCD）[16]。

表 4 原材料运输清单

2 结果分析与讨论2.1 废弃石粉亚甲蓝值石粉对水泥基材料性能的主要影响因素之一是其中的粘土矿物，而亚甲蓝值（MB）可反映石粉中粘土矿物含量，该类矿物在混凝土制备过程中会吸附大量拌合水和减水剂[17]，从而影响混凝土工作性。废弃石粉和磨细石粉的MB值如表5所示。一般地，对于相同岩性的石粉，比表面积越大，MB值越大，归因于石粉比表面积的增加扩大了其与亚甲蓝之间的接触面积，提高了石粉对亚甲蓝的吸附量，从而使MB值增加[17,18]。然而，废弃石粉和磨细石粉的比表面积分别为314㎡/kg和339㎡/kg。可以发现，磨细石粉虽较废弃石粉具有更大的比表面积，但MB值显著低于后者。分析认为，废弃石粉因母材层间夹杂、母材运输与机制砂生产工艺等因素含有粘土矿物，该类矿物具有层状晶体结构，水、亚甲蓝、外加剂等分子易进入层间且粘土矿物层间离子易被低价金属离子取代，呈现出较高吸附性[18]。而磨细石粉生产原料为洁净碎石，其中粘土矿物含量低，因此MB值更低。

表 5 两种石粉的 MB 值

2.2 废弃石粉流动度比流动度比试验结果见图4。由图4可知，M-FA的流动度比为102%，表明粉煤灰小幅提升了拌合物流动性，归因于粉煤灰的“滚珠效应”[17]；而M-WSP和M-GSP的流动度比均略小于100%，说明废弃石粉和磨细石粉略微降低了拌合物流动性，归因于两种石粉与水泥的粒径相似，未能有效改善胶凝材料的粒径分布，且石粉因含有一定的粘土矿物而对水有吸附作用[6]。对比M-WSP和M-GSP两组，废弃石粉的比表面积小于磨细石粉，故流动度比应当较后者大[17]，但试验结果显示相反，归因于废弃石粉的MB值高于磨细石粉，前者含有更多粘土矿物，吸附水的能力更大[18]。综上，废弃石粉与磨细石粉会轻微降低拌合物流动性，粉煤灰会略微改善拌合物流动性，三者对拌合物流动性的影响差异较小。

图 4 不同矿物掺合料的流动度比结果

2.3 废弃石粉对混凝土抗压强度的影响混凝土抗压强度发展规律如图5所示。图5a为承台用低强度等级混凝土的强度测试结果，各组混凝土的抗压强度均随龄期增长而增长，但废弃石粉、磨细石粉、粉煤灰均会降低混凝土抗压强度，这主要是由三者替代水泥带来的稀释效应导致的[7]。3d和7d时，L_W、L_G和L_FA的强度差异较小；28d时，L_FA强度增长幅度明显大于L_W和L_G，这是由于粉煤灰具有火山灰活性，火山灰反应生成的水化产物提高了混凝土密实度。90d与180d时，各组间强度差异扩大。相比于粉煤灰和磨细石粉，废弃石粉对混凝土抗压强度的负面影响更大，如90d的L_W抗压强度较L_G和L_FA分别降低了5.5%和11.9%，归因于废弃石粉的化学惰性和高MB值，粘土吸水膨胀失水收缩特性给混凝土基体带来缺陷。图5b为索塔用高强度等级混凝土的强度测试结果。与低强度等级混凝土类似，废弃石粉、磨细石粉、粉煤灰均会降低混凝土抗压强度，但对高强度等级混凝土的强度降低幅度较低强度等级混凝土更小。此外，H_W与H_G、H_FA在各龄期下均具有相当的抗压强度，表明当仅考虑抗压强度性能且应用于高强度等级混凝土时，废弃石粉可以替代磨细石粉和粉煤灰用作混凝土矿物掺合料。

图 5 混凝土抗压强度

2.4 废弃石粉对混凝土孔结构的影响低强度等级混凝土孔结构信息见图6。可以看出，掺废弃石粉、磨细石粉与粉煤灰的混凝土孔径分布具有相似性，均提高了总孔隙率，因此均降低了抗压强度。此外，粉煤灰虽提高了10~100nm过渡孔孔隙率，但降低了100~1000nm毛细孔和大孔孔隙率；不同于此，废弃石粉和磨细石粉均提高了毛细孔和大孔孔隙率，但降低了过渡孔孔隙率。两种石粉对毛细孔和大孔的影响归因于石粉替代水泥的稀释效应，对过渡孔的影响归功于石粉的填充效应[2]。因毛细孔和大孔较过渡孔对混凝土强度影响更显著，因此上述影响综合作用使得两种石粉较粉煤灰对混凝土抗压强度的负面影响更显著。

高强度等级混凝土的孔结构信息见图7，相比于低强度等级混凝土，废弃石粉、磨细石粉和粉煤灰对混凝土孔结构特征影响均较小。此外，两种石粉虽提高了毛细孔和大孔比例，但细化了过渡孔，综合Compressive strength/MPa作用使得两种石粉对高强度等级混凝土抗压强度的负面影响较小。综合图6和图7的试验结果，可以认为：在合适的范围内，胶凝材料总量的增多或水胶比的降低能让石粉更好地发挥其填充效应、弱化其稀释效应[3]。

图 6 承台用低强度等级混凝土孔结构信息

图 7 索塔用高强度等级混凝土孔结构信息

2.5 混凝土碳排放分析本研究结合贵州某桥梁工程实际情况，根据LCA评价得到的混凝土生命周期内的全球变暖潜值（GWP）见图8，其中，废弃石粉是机制砂的副产品，几乎没有经济价值，其传统处置方式为堆置或填埋，因此可以认为其生产碳排放为0[19]。由图8可知，混凝土生命各阶段的碳排放大小依次为原料生产、运输、混合和配料。原料生产阶段碳排放占比最大，各组的占比均达96%左右；运输阶段约3%；混合和配料阶段占比不到1%。图8a还显示，L_W、L_G及L_FA的GWP值分别为L0的80.7%、90.2%、86.9%，且L_W的GWP值较L0低了50.5kgCO2-eq。图8b显示，H_W、H_G及H_FA的GWP值分别为H0的80.5%、90.1%、86.8%，且H_W的GWP 值较H0低了66.8kgCO2-eq。这表明，无论何种强度等级系列，不掺矿物掺合料的混凝土总碳排放均最大，掺废弃石粉的混凝土总碳排放均最小。此外，高强度等级系列的GWP值较相应的低强度等级系列高，归因于高强度等级混凝土具有更高的胶凝材料总量。

表6列出了各组混凝土单位强度碳排放（以180d强度为基准）[20,21]，以在同量纲的基础上对比混凝土生命周期碳排放。可以看到，低强度等级四组中，掺废弃石粉的混凝土单位强度碳排放为4.004kgCO2-eq/MPa，虽较L0减碳7.8%，但减碳效益仍不及掺粉煤灰的混凝土（较L0减碳9.7%）；高强度等级四组中，掺废弃石粉的混凝土单位强度碳排放最小，为4.057kgCO2-eq/MPa，较H0减碳15.1%，而掺磨细石粉、粉煤灰的混凝土减碳效益均低于此，分别为4.9%、10.8%。

综上，废弃石粉作矿物掺合料可有效降低混凝土生命周期碳排放，且其应用于高强度等级混凝土时减碳效益更显著。就碳排放总量而言，废弃石粉内掺20%时，两种强度等级混凝土的碳排放减少量均略小于20%；就单位强度碳排放而言，废弃石粉内掺20%时，对低强度等级混凝土的减碳效益不及粉煤灰，但对高强度等级混凝土的减碳效益仍显著高于磨细石粉和粉煤灰。

图 8 混凝土生命周期碳排放分析

表6混凝土单位强度碳排放

图9为混凝土原料生产过程的全球变暖潜值，由图9可知，混凝土各组分原材料的生产碳排放大小依次为水泥、矿物掺合料、机制碎石、机制砂；三种矿物掺合料的生产碳排放大小依次为磨细石粉、粉煤灰、废弃石粉；矿物掺合料替换水泥带来的减碳效益远大于粗细骨料减少带来的减碳效益。因此，对于混凝土的大幅度减碳而言，减少水泥用量是重中之重[12]。

图 9 混凝土原料生产过程碳排放分析

3 结论本文从废弃石粉的特征以及其对混凝土性能与碳排放的影响探究了废弃石粉作为混凝土矿物掺合料的可行性，基于试验结果，主要结论如下：

（1）废弃石粉较磨细石粉具有更小的比表面积和更大的MB值，归因于废弃石粉是机制砂的副产品，较磨细石粉含有更多粘土矿物。废弃石粉与磨细石粉均会降低拌合物流动性，但降低幅度较小。

（2）废弃石粉会降低混凝土各龄期抗压强度，且对高强度等级混凝土强度的降低程度较低强度等级混凝土更小，这是因为废弃石粉提高了低强度等级混凝土的孔隙率，但对其孔结构特征影响较小。

（3）废弃石粉作矿物掺合料可有效降低混凝土生命周期碳排放，对碳排放总量的减碳百分比与其掺量基本相等，且废弃石粉应用于高强度等级混凝土时减碳效益更显著。

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来源：建筑材料学报、中国知网