机制砂石粉变废为宝的技术途径

黄振兴，王斌，周云生

（1. 天津市启源装配式建筑有限公司，天津 301699；2. 天津祥铭利业混凝土添加剂有限公司，天津 300000；3. 唐山亮泰混凝土有限公司，河北 唐山 063308）

0 前言

改革开放以来，我国的经济高速发展了 40 多年，作为国民经济四大支柱产业的建筑业更是以史无前例的巨大规模蓬勃发展。混凝土是建筑业主材，2020 年全国的混凝土产量就超过了 25 亿立方，以每立方混凝土用砂 800kg 推算，2020 年砂用量就高达 20 亿吨。如此巨大的砂用量，使得天然砂资源早在几年前就已经枯竭。为了保护环境，全国绝大部分地区已经禁止天然砂开采，于是为了满足建筑行业用砂的巨大需求，各地纷纷上马机制砂生产线，用天然石料生产机制砂。但由此又会产生另一个问题，那就是生产机制砂时会产生大量石粉，每生产一吨机制砂就会产生 300kg 石粉，这些石粉如果不能及时、合理地使用，就会增加成本，影响机制砂生产（石粉库满了机制砂生产就无法进行），如果乱排乱放还会影响环境。

为此，我们与兄弟单位设立了合理利用机制砂石粉，使其变废为宝的研发部门，通过理论分析和大量试验，初步找到了有效利用机制砂石粉的技术途径。

1 机制砂石粉及技术指标

1.1 机制砂石粉产生的过程

机制砂是破碎后的石料通过皮带机输送到制砂机，再通过离心冲击破碎成微小颗粒而制成砂。制砂机中高速旋转的飞轮将石料飞速旋转起来，将石料高速抛出，碰撞在耐磨衬板上，同时高速撞击不断通过皮带机输入的石料，形成了石打石、石打铁的破碎过程。石料互相撞击后破碎成小颗粒，通过概率筛，将符合要求的小颗粒筛出就成为机制砂，没有通过概率筛的较大颗粒返流回制砂机再次碰撞成小颗粒，直到符合机制砂颗粒级配的要求。在这个激烈碰撞过程中，会产生大量石粉，一般会达到机制砂产量的 30%，石粉通过风选进入石粉库，如果石粉库满了，石粉不能及时使用掉，机制砂生产流程就会停滞，导致停产。一些机制砂企业为了不影响生产，只得以低廉价格卖出石粉，例如，一家企业每吨石料购入价格为 60 元/吨，而石粉的售价仅仅 8 元/吨，这就大大提高了机制砂成本。有些企业甚至为了不影响生产，偷偷将石粉倒掉，严重污染了环境。

1.2 机制砂石粉的技术指标

为了寻找合理利用机制砂石粉的技术途径，我们检测了其比表面积，并用检测粉煤灰活性的方法检测了石粉活性，结果见表 1。从表 1 可以看出，风选的石粉比表面积还是比较大的，与矿粉比表面积接近；但活性很差，几乎没有活性，粉煤灰 28 天活性一般在75%～80%，可见石粉是惰性材料。

表1 机制砂石粉技术指标

2 硅灰的来源及技术指标

2.1 硅灰的来源

硅灰是冶炼硅铁时在 2600℃ 高温下产生的二氧化硅和硅的混合气体遇到氧气后迅速氧化和凝结成的一种超细硅质粉料。

2.2 硅灰的技术指标

为了充分认识硅灰的技术性能，以便更好的将高活性硅灰与机制砂石粉配合使用，变废为宝，我们分别检测了硅灰的比表面积及各龄期活性，见表 2。

从表 2 可以看出，硅灰的比表面积几乎是水泥的60 多倍（水泥 350～360m2/kg），是矿粉的 50 多倍（矿粉 420m2/kg 左右），比水泥和矿粉都细得多，可以充分填充到水泥石的缝隙中，提高混凝土密实性，从而提高混凝土耐久性；另外，由于硅灰远远比水泥细，这样就可以把以前充当晶核的水泥替换出来，充分发挥水泥的强度。同时，可以看出硅灰无论早期和长期活性都非常高，因此混凝土中掺加硅灰后不仅可以提高混凝土早期强度，还能提高混凝土后期强度。

表2 硅灰技术指标

2.3 硅灰的颗粒形态

由于硅灰形成过程是 2600℃ 高温的二氧化硅和硅的混合气体与氧气剧烈反应迅速凝结成硅质粉料，这个相变过程非常剧烈，表面张力非常大，这样就使硅灰形成了表面非常光滑的玻璃球状体。硅灰的这种玻璃球状体对混凝土是非常有利的，这些大量的微小的硅灰玻璃球状体在混凝土的粗、细骨料间会形成滚珠效应，起到润滑作用，会大幅改善混凝土和易性和流动性。

3 合理利用石粉的思路

通过对以上试验数据的分析，我们初步形成了利用硅灰的优良性能将机制砂石粉变废为宝的技术思路。首先在混凝土中用石粉代替粉煤灰，弥补胶材数量的不足；其次用硅灰有大量微小玻璃球状体的特性来弥补不使用粉煤灰后浆体的润滑和流动性能；第三，用硅灰的高活性来弥补石粉的惰性对混凝土强度的影响；第四，用硅灰的高活性来降低水泥用量，达到在保证混凝土强度前提下降低成本的目的。

根据相关资料，以及我们前期做的试验，硅灰可以1:3、甚至 1:4 取代水泥，因此，我们的技术思路是用石粉完全取代粉煤灰，同时硅灰以 1:2、或 1:2.5 比例取代水泥，硅灰计划每立方使用 20～30kg，取代 40～60kg水泥。由于目前水泥不断涨价，水泥价格已经接近硅灰价格，因此这样取代后，如果不影响强度，就可以既消耗掉石粉，变废为宝，同时降低混凝土成本。

4 混凝土对比试验结果

为了验证上述技术思路的可行性，先做了普通 C30混凝土与石粉和硅灰配合使用的 C30 混凝土对比试验（见表 3）。由表 3 可以看出，石粉和硅灰配合使用的混凝土在水泥用量减少 40kg 的情况下，各龄期混凝土强度都高于普通混凝土强度。

表3 普通 C30 混凝土与石粉和硅灰配合使用 C30 混凝土的胶材用量和强度

从图 1 和图 2 可以看出，使用硅灰后混凝土和易性和流动性得到大幅改善，完全满足施工要求。

图1 普通混凝土状态

为了进一步验证，我们又做了各强度等级普通混凝土与石粉和硅灰配合使用的混凝土对比试验，结果与C30 混凝土对比试验一致，各个强度等级石粉和硅灰配合使用的混凝土在水泥用量减少 40～50kg 的情况下，混凝土强度都高于普通混凝土强度，而且混凝土和易性、流动性也大大优于普通混凝土。

图 2 使用硅灰后混凝土状态

5 结语

综上所述，将硅灰与石粉混合使用，利用硅灰的优良性能弥补石粉的不足，在保证混凝土强度的前提下，可将机制砂石粉变废为宝，同时降低混凝土成本。