廢棄石粉對(duì)混凝土的性能影響及碳排放分析

發(fā)布日期：2023-10-07   瀏覽次數(shù)： 88 次

廢棄石粉對(duì)混凝土的性能影響及碳排放分析

汪保印 1，張潔 2，熊金偉 2，任強(qiáng) 1，蔣正武 1，*

（1.同濟(jì)大學(xué)先進(jìn)土木工程材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201804；2. 貴州橋梁建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，貴陽(yáng) 550001）

【摘要】為解決機(jī)制砂生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生的廢棄石粉處置難題，本文提出了將廢棄石粉用作混凝土礦物摻合料的利用新途徑。試驗(yàn)研究了廢棄石粉特征及其對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度與孔結(jié)構(gòu)的影響，并基于生命周期評(píng)價(jià)方法分析了利用廢棄石粉時(shí)帶來(lái)的碳減排效益。結(jié)果表明，廢棄石粉雖較磨細(xì)石粉具有更高的亞甲藍(lán)值，但對(duì)砂漿流動(dòng)度影響較??；相比于磨細(xì)石粉和粉煤灰，廢棄石粉會(huì)降低低強(qiáng)度等級(jí)混凝土的抗壓強(qiáng)度，但對(duì)高強(qiáng)度等級(jí)混凝土的抗壓強(qiáng)度影響較小，并得到了孔結(jié)構(gòu)結(jié)果的驗(yàn)證；廢棄石粉作為礦物摻合料可有效降低混凝土生產(chǎn)碳排放，內(nèi)摻20%廢棄石粉的混凝土碳排放總量降低了近20%。

【關(guān)鍵詞】廢棄石粉；礦物摻合料；抗壓強(qiáng)度；孔結(jié)構(gòu)；碳排放

近年來(lái)，采用機(jī)制砂替代天然砂已成為混凝土可持續(xù)發(fā)展必然趨勢(shì)[1]。然而，受機(jī)制砂相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和當(dāng)前生產(chǎn)工藝的限制，機(jī)制砂生產(chǎn)會(huì)產(chǎn)生大量過(guò)剩石粉，通常采用堆置或填埋處理而廢棄[2,3]。隨著我國(guó)基建持續(xù)推進(jìn)，一方面對(duì)混凝土的需求量持續(xù)增大，另一方面優(yōu)質(zhì)的傳統(tǒng)礦物摻合料如粉煤灰、礦渣等日益缺乏，尋求合適的替代材料迫在眉睫[4]。

將機(jī)制砂中過(guò)剩的廢棄石粉用作礦物摻合料，不僅可以實(shí)現(xiàn)其高附加值利用，且能助力解決傳統(tǒng)礦物摻合料短缺問(wèn)題。研究表明，粉磨獲取的石灰石粉在混凝土中存在填料效應(yīng)[5]、稀釋效應(yīng)[6]、成核效應(yīng)[7]和微弱的化學(xué)效應(yīng)[5]。廢棄石粉是機(jī)制砂生產(chǎn)的副產(chǎn)物，其特征如亞甲藍(lán)值、細(xì)度等受母巖特性與加工工藝等因素影響，這些特征使得廢棄石粉有別于傳統(tǒng)的磨細(xì)石粉，亟需開(kāi)展廢棄石粉作為混凝土礦物摻合料的可行性研究。

基于此，本文研究了廢棄石粉（WSP）作為礦物摻合料對(duì)混凝土性能的影響。試驗(yàn)采用磨細(xì)石粉（GSP）和粉煤灰（FA）作為參照對(duì)象，分析了WSP與GSP、FA之間的性能差異，研究了WSP對(duì)砂漿流動(dòng)性和混凝土強(qiáng)度的作用規(guī)律，并通過(guò)壓汞法（MIP）探究了采用WSP制備的混凝土孔結(jié)構(gòu)特征，最后通過(guò)生命周期評(píng)價(jià)（LCA）方法分析了WSP作為礦物摻合料的減碳效益。研究不僅為廢棄石粉用作礦物摻合料提供理論與技術(shù)指導(dǎo)，且對(duì)實(shí)現(xiàn)我國(guó)混凝土行業(yè)“雙碳”目標(biāo)具有重要意義。

1 試驗(yàn)原材料及試驗(yàn)方法1.1 原材料

水泥為貴州省晴隆盤(pán)江水泥有限公司生產(chǎn)的P.O42.5水泥，其熟料礦物組成中C3S、C2S、C3A、C4AF的占比分別為54%、24%、10%、12%。粗細(xì)骨料為取自貴州晴隆馬腳巖料場(chǎng)的機(jī)制砂、機(jī)制碎石，其中，機(jī)制砂中石粉含量為13%。廢棄石粉（WSP）為上述機(jī)制砂過(guò)75μm篩孔的粉體。磨細(xì)石粉（GSP）是由上述碎石經(jīng)擺式磨粉機(jī)生產(chǎn)的粉體。粉煤灰（FA）為福能（貴州）發(fā)電有限公司生產(chǎn)的二級(jí)粉煤灰。水泥、廢棄石粉、磨細(xì)石粉和粉煤灰的比表面積分別為333㎡/kg、314㎡/kg、339㎡/kg和400㎡/kg。水泥、石粉母材、粉煤灰的化學(xué)成分如表1所示；石粉母材的XRD圖譜如圖1所示，可以看出其主要礦物為方解石。原材料級(jí)配曲線如圖2所示。外加劑為貴州黔橋鑫爍特材科技有限責(zé)任公司生產(chǎn)的HSPC-8W型聚羧酸系高性能減水劑。試驗(yàn)用水為自來(lái)水。

表 1 水泥、石灰石母巖、粉煤灰的化學(xué)成分（wt.%）

1.2 配合比

石粉流動(dòng)度比試驗(yàn)配合比如下：膠凝材料450g；標(biāo)準(zhǔn)砂1350g；水225g。除對(duì)照組M0外，其余各組內(nèi)摻30%的礦物摻合料，根據(jù)礦物摻合料不同分別命名為M-WSP、M-GSP、M-FA。表2為混凝土試驗(yàn)配合比。L×和H×代表實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)中的承臺(tái)用低強(qiáng)度等級(jí)混凝土和索塔用高強(qiáng)度等級(jí)混凝土，水膠比分別為0.47和0.36。減水劑摻量根據(jù)混凝土工作性調(diào)整，以保證各組新拌混凝土具有相當(dāng)?shù)某跏继涠龋?30±10mm）和擴(kuò)展度（600±25mm）。

表 2 混凝土配合比

1.3 測(cè)試方法石粉MB值和流動(dòng)度比參考《礦物摻合料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》（GB/T51003-2014）[8]測(cè)試。

混凝土抗壓強(qiáng)度采用邊長(zhǎng)為100mm的立方體試塊，在標(biāo)養(yǎng)3d、7d、28d、90d和180d后，參考《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50081-2019）[9]測(cè)試。

采用美國(guó)MicromeriticsAutoPoreIV9510型高性能全自動(dòng)壓汞儀測(cè)試28d齡期混凝土的孔徑分布。

為較為準(zhǔn)確地反映孔結(jié)構(gòu)特征，制樣過(guò)程剔除粗骨料，選取富含漿體的固體小塊。

1.4 碳排放計(jì)算方法（1）方法介紹：采用Efootprint軟件，選取IPCC2013評(píng)價(jià)方法的特征化因子，計(jì)算混凝土生產(chǎn)過(guò)程的全球變暖潛值（GWP），將產(chǎn)生的主要溫室氣體轉(zhuǎn)換成CO2當(dāng)量指標(biāo)，作為碳排放計(jì)算結(jié)果，單位為kgCO2-eq，主要溫室氣體的轉(zhuǎn)換因子見(jiàn)表3，本文選取GWP100指標(biāo)計(jì)算。

表 3 溫室氣體的GWP轉(zhuǎn)換因子[10]

（2）混凝土生命周期研究范圍：參考《環(huán)境管理生命周期評(píng)價(jià)要求與指南》（GB/T 24044-2008）[11]及相關(guān)研究[12~14]，采用“從搖籃到大門(mén)”的系統(tǒng)邊界，如圖3 所示。此外，選取生產(chǎn)1m3混凝土為L(zhǎng)CA研究的功能單位。依據(jù)上述制定的混凝土生命周期系統(tǒng)邊界，本文所研究的碳排放結(jié)果根據(jù)式（1）計(jì)算，每個(gè)階段的碳排放值（CE）為該階段的GWP結(jié)果：

圖 3 混凝土生命周期系統(tǒng)邊界

（3）所用假設(shè)與數(shù)據(jù)來(lái)源：本文結(jié)合貴州某橋梁工程實(shí)際建設(shè)情況，設(shè)定的原材料運(yùn)輸清單如表4所示。機(jī)制碎石開(kāi)采與混凝土攪拌過(guò)程清單數(shù)據(jù)源自美國(guó)NREL-USLCI數(shù)據(jù)庫(kù)[15]，其余原料的開(kāi)采制備及運(yùn)輸數(shù)據(jù)源自中國(guó)生命周期參考數(shù)據(jù)庫(kù)（CLCD）[16]。

表 4 原材料運(yùn)輸清單

2 結(jié)果分析與討論2.1 廢棄石粉亞甲藍(lán)值石粉對(duì)水泥基材料性能的主要影響因素之一是其中的粘土礦物，而亞甲藍(lán)值（MB）可反映石粉中粘土礦物含量，該類礦物在混凝土制備過(guò)程中會(huì)吸附大量拌合水和減水劑[17]，從而影響混凝土工作性。廢棄石粉和磨細(xì)石粉的MB值如表5所示。一般地，對(duì)于相同巖性的石粉，比表面積越大，MB值越大，歸因于石粉比表面積的增加擴(kuò)大了其與亞甲藍(lán)之間的接觸面積，提高了石粉對(duì)亞甲藍(lán)的吸附量，從而使MB值增加[17,18]。然而，廢棄石粉和磨細(xì)石粉的比表面積分別為314㎡/kg和339㎡/kg。可以發(fā)現(xiàn)，磨細(xì)石粉雖較廢棄石粉具有更大的比表面積，但MB值顯著低于后者。分析認(rèn)為，廢棄石粉因母材層間夾雜、母材運(yùn)輸與機(jī)制砂生產(chǎn)工藝等因素含有粘土礦物，該類礦物具有層狀晶體結(jié)構(gòu)，水、亞甲藍(lán)、外加劑等分子易進(jìn)入層間且粘土礦物層間離子易被低價(jià)金屬離子取代，呈現(xiàn)出較高吸附性[18]。而磨細(xì)石粉生產(chǎn)原料為潔凈碎石，其中粘土礦物含量低，因此MB值更低。

表 5 兩種石粉的 MB 值

2.2 廢棄石粉流動(dòng)度比流動(dòng)度比試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。由圖4可知，M-FA的流動(dòng)度比為102%，表明粉煤灰小幅提升了拌合物流動(dòng)性，歸因于粉煤灰的“滾珠效應(yīng)”[17]；而M-WSP和M-GSP的流動(dòng)度比均略小于100%，說(shuō)明廢棄石粉和磨細(xì)石粉略微降低了拌合物流動(dòng)性，歸因于兩種石粉與水泥的粒徑相似，未能有效改善膠凝材料的粒徑分布，且石粉因含有一定的粘土礦物而對(duì)水有吸附作用[6]。對(duì)比M-WSP和M-GSP兩組，廢棄石粉的比表面積小于磨細(xì)石粉，故流動(dòng)度比應(yīng)當(dāng)較后者大[17]，但試驗(yàn)結(jié)果顯示相反，歸因于廢棄石粉的MB值高于磨細(xì)石粉，前者含有更多粘土礦物，吸附水的能力更大[18]。綜上，廢棄石粉與磨細(xì)石粉會(huì)輕微降低拌合物流動(dòng)性，粉煤灰會(huì)略微改善拌合物流動(dòng)性，三者對(duì)拌合物流動(dòng)性的影響差異較小。

圖 4 不同礦物摻合料的流動(dòng)度比結(jié)果

2.3 廢棄石粉對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響混凝土抗壓強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律如圖5所示。圖5a為承臺(tái)用低強(qiáng)度等級(jí)混凝土的強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果，各組混凝土的抗壓強(qiáng)度均隨齡期增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，但廢棄石粉、磨細(xì)石粉、粉煤灰均會(huì)降低混凝土抗壓強(qiáng)度，這主要是由三者替代水泥帶來(lái)的稀釋效應(yīng)導(dǎo)致的[7]。3d和7d時(shí)，L_W、L_G和L_FA的強(qiáng)度差異較小；28d時(shí)，L_FA強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度明顯大于L_W和L_G，這是由于粉煤灰具有火山灰活性，火山灰反應(yīng)生成的水化產(chǎn)物提高了混凝土密實(shí)度。90d與180d時(shí)，各組間強(qiáng)度差異擴(kuò)大。相比于粉煤灰和磨細(xì)石粉，廢棄石粉對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的負(fù)面影響更大，如90d的L_W抗壓強(qiáng)度較L_G和L_FA分別降低了5.5%和11.9%，歸因于廢棄石粉的化學(xué)惰性和高M(jìn)B值，粘土吸水膨脹失水收縮特性給混凝土基體帶來(lái)缺陷。圖5b為索塔用高強(qiáng)度等級(jí)混凝土的強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果。與低強(qiáng)度等級(jí)混凝土類似，廢棄石粉、磨細(xì)石粉、粉煤灰均會(huì)降低混凝土抗壓強(qiáng)度，但對(duì)高強(qiáng)度等級(jí)混凝土的強(qiáng)度降低幅度較低強(qiáng)度等級(jí)混凝土更小。此外，H_W與H_G、H_FA在各齡期下均具有相當(dāng)?shù)目箟簭?qiáng)度，表明當(dāng)僅考慮抗壓強(qiáng)度性能且應(yīng)用于高強(qiáng)度等級(jí)混凝土?xí)r，廢棄石粉可以替代磨細(xì)石粉和粉煤灰用作混凝土礦物摻合料。

圖 5 混凝土抗壓強(qiáng)度

2.4 廢棄石粉對(duì)混凝土孔結(jié)構(gòu)的影響低強(qiáng)度等級(jí)混凝土孔結(jié)構(gòu)信息見(jiàn)圖6?？梢钥闯?，摻廢棄石粉、磨細(xì)石粉與粉煤灰的混凝土孔徑分布具有相似性，均提高了總孔隙率，因此均降低了抗壓強(qiáng)度。此外，粉煤灰雖提高了10~100nm過(guò)渡孔孔隙率，但降低了100~1000nm毛細(xì)孔和大孔孔隙率；不同于此，廢棄石粉和磨細(xì)石粉均提高了毛細(xì)孔和大孔孔隙率，但降低了過(guò)渡孔孔隙率。兩種石粉對(duì)毛細(xì)孔和大孔的影響歸因于石粉替代水泥的稀釋效應(yīng)，對(duì)過(guò)渡孔的影響歸功于石粉的填充效應(yīng)[2]。因毛細(xì)孔和大孔較過(guò)渡孔對(duì)混凝土強(qiáng)度影響更顯著，因此上述影響綜合作用使得兩種石粉較粉煤灰對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的負(fù)面影響更顯著。

高強(qiáng)度等級(jí)混凝土的孔結(jié)構(gòu)信息見(jiàn)圖7，相比于低強(qiáng)度等級(jí)混凝土，廢棄石粉、磨細(xì)石粉和粉煤灰對(duì)混凝土孔結(jié)構(gòu)特征影響均較小。此外，兩種石粉雖提高了毛細(xì)孔和大孔比例，但細(xì)化了過(guò)渡孔，綜合Compressive strength/MPa作用使得兩種石粉對(duì)高強(qiáng)度等級(jí)混凝土抗壓強(qiáng)度的負(fù)面影響較小。綜合圖6和圖7的試驗(yàn)結(jié)果，可以認(rèn)為：在合適的范圍內(nèi)，膠凝材料總量的增多或水膠比的降低能讓石粉更好地發(fā)揮其填充效應(yīng)、弱化其稀釋效應(yīng)[3]。

圖 6 承臺(tái)用低強(qiáng)度等級(jí)混凝土孔結(jié)構(gòu)信息

圖 7 索塔用高強(qiáng)度等級(jí)混凝土孔結(jié)構(gòu)信息

2.5 混凝土碳排放分析本研究結(jié)合貴州某橋梁工程實(shí)際情況，根據(jù)LCA評(píng)價(jià)得到的混凝土生命周期內(nèi)的全球變暖潛值（GWP）見(jiàn)圖8，其中，廢棄石粉是機(jī)制砂的副產(chǎn)品，幾乎沒(méi)有經(jīng)濟(jì)價(jià)值，其傳統(tǒng)處置方式為堆置或填埋，因此可以認(rèn)為其生產(chǎn)碳排放為0[19]。由圖8可知，混凝土生命各階段的碳排放大小依次為原料生產(chǎn)、運(yùn)輸、混合和配料。原料生產(chǎn)階段碳排放占比最大，各組的占比均達(dá)96%左右；運(yùn)輸階段約3%；混合和配料階段占比不到1%。圖8a還顯示，L_W、L_G及L_FA的GWP值分別為L(zhǎng)0的80.7%、90.2%、86.9%，且L_W的GWP值較L0低了50.5kgCO2-eq。圖8b顯示，H_W、H_G及H_FA的GWP值分別為H0的80.5%、90.1%、86.8%，且H_W的GWP 值較H0低了66.8kgCO2-eq。這表明，無(wú)論何種強(qiáng)度等級(jí)系列，不摻礦物摻合料的混凝土總碳排放均最大，摻廢棄石粉的混凝土總碳排放均最小。此外，高強(qiáng)度等級(jí)系列的GWP值較相應(yīng)的低強(qiáng)度等級(jí)系列高，歸因于高強(qiáng)度等級(jí)混凝土具有更高的膠凝材料總量。

表6列出了各組混凝土單位強(qiáng)度碳排放（以180d強(qiáng)度為基準(zhǔn)）[20,21]，以在同量綱的基礎(chǔ)上對(duì)比混凝土生命周期碳排放?？梢钥吹?，低強(qiáng)度等級(jí)四組中，摻廢棄石粉的混凝土單位強(qiáng)度碳排放為4.004kgCO2-eq/MPa，雖較L0減碳7.8%，但減碳效益仍不及摻粉煤灰的混凝土（較L0減碳9.7%）；高強(qiáng)度等級(jí)四組中，摻廢棄石粉的混凝土單位強(qiáng)度碳排放最小，為4.057kgCO2-eq/MPa，較H0減碳15.1%，而摻磨細(xì)石粉、粉煤灰的混凝土減碳效益均低于此，分別為4.9%、10.8%。

綜上，廢棄石粉作礦物摻合料可有效降低混凝土生命周期碳排放，且其應(yīng)用于高強(qiáng)度等級(jí)混凝土?xí)r減碳效益更顯著。就碳排放總量而言，廢棄石粉內(nèi)摻20%時(shí)，兩種強(qiáng)度等級(jí)混凝土的碳排放減少量均略小于20%；就單位強(qiáng)度碳排放而言，廢棄石粉內(nèi)摻20%時(shí)，對(duì)低強(qiáng)度等級(jí)混凝土的減碳效益不及粉煤灰，但對(duì)高強(qiáng)度等級(jí)混凝土的減碳效益仍顯著高于磨細(xì)石粉和粉煤灰。

圖 8 混凝土生命周期碳排放分析

表6混凝土單位強(qiáng)度碳排放

圖9為混凝土原料生產(chǎn)過(guò)程的全球變暖潛值，由圖9可知，混凝土各組分原材料的生產(chǎn)碳排放大小依次為水泥、礦物摻合料、機(jī)制碎石、機(jī)制砂；三種礦物摻合料的生產(chǎn)碳排放大小依次為磨細(xì)石粉、粉煤灰、廢棄石粉；礦物摻合料替換水泥帶來(lái)的減碳效益遠(yuǎn)大于粗細(xì)骨料減少帶來(lái)的減碳效益。因此，對(duì)于混凝土的大幅度減碳而言，減少水泥用量是重中之重[12]。

圖 9 混凝土原料生產(chǎn)過(guò)程碳排放分析

3 結(jié)論本文從廢棄石粉的特征以及其對(duì)混凝土性能與碳排放的影響探究了廢棄石粉作為混凝土礦物摻合料的可行性，基于試驗(yàn)結(jié)果，主要結(jié)論如下：

（1）廢棄石粉較磨細(xì)石粉具有更小的比表面積和更大的MB值，歸因于廢棄石粉是機(jī)制砂的副產(chǎn)品，較磨細(xì)石粉含有更多粘土礦物。廢棄石粉與磨細(xì)石粉均會(huì)降低拌合物流動(dòng)性，但降低幅度較小。

（2）廢棄石粉會(huì)降低混凝土各齡期抗壓強(qiáng)度，且對(duì)高強(qiáng)度等級(jí)混凝土強(qiáng)度的降低程度較低強(qiáng)度等級(jí)混凝土更小，這是因?yàn)閺U棄石粉提高了低強(qiáng)度等級(jí)混凝土的孔隙率，但對(duì)其孔結(jié)構(gòu)特征影響較小。

（3）廢棄石粉作礦物摻合料可有效降低混凝土生命周期碳排放，對(duì)碳排放總量的減碳百分比與其摻量基本相等，且廢棄石粉應(yīng)用于高強(qiáng)度等級(jí)混凝土?xí)r減碳效益更顯著。

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來(lái)源：建筑材料學(xué)報(bào)、中國(guó)知網(wǎng)

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2023年10月07日