《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：Valorization of silicate and carbonate stone powder in ultra-high performance concrete (UHPC): performance, microstructure, and sustainability
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本研究系统评估了玄武岩、花岗岩、大理石和石灰石四种石粉作为超高性能混凝土（UHPC）高体积替代物的可行性，发现其通过优化颗粒堆积密度弥补了水化反应的稀释效应，在20%-40%替代率下28天抗压强度损失不超过15%，同时显著降低CO?排放达53%，并提升抗氯离子渗透性，为可持续UHPC开发提供了科学依据。
吴迪|何晓伟|华先乐|董碧琴|彭宇|徐伟伟|黄霞|方国豪
摘要
全球采石业每年产生数亿吨石粉，对环境造成巨大挑战。本研究系统评估了将四种不同类型的石粉（包括硅酸盐基的玄武岩和花岗岩，以及碳酸盐基的大理石和石灰石）作为超高性能混凝土（UHPC）中大量水泥替代材料（20–60体积百分比）的可行性。结果表明，尽管这些石粉主要起到惰性填充剂的作用，但它们不同的物理特性对混凝土性能产生了显著影响。硅酸盐基石粉（BP）提高了堆积密度，但由于其高比表面积降低了水膜厚度（WFT）；而碳酸盐基石粉（MP和LP）在堆积密度和可操作性方面都表现出平衡的提升（最大增稠度为25.3%）。虽然石粉的掺入减缓了早期水化反应并降低了早期强度，但优化的颗粒堆积密度在后期弥补了这一不足。因此，在20%的替代比例下，所有混合物的28天抗压强度降低幅度均不超过7%，即使在40%的替代比例下也保持在15%以下。微观结构的改善（尤其是在含有GP和MP的混合物中）降低了孔隙率，并提高了抗氯离子能力（最高达22.6%）。最重要的是，石粉的掺入使二氧化碳排放量减少了53%，同时降低了胶凝材料和碳强度指数分别降低了55%和48%。本研究为选择多种废弃石粉生产可持续、低碳的UHPC提供了坚实的科学依据，这种混凝土既保持了良好的机械性能，又具有优异的耐久性。
引言
全球采石和石材加工行业产生了大量的细颗粒副产品，统称为石粉或岩尘，每年全球产量超过数亿吨[1]、[2]。这些副产品主要由来自玄武岩、花岗岩、大理石和石灰石等不同地质来源的惰性矿物组成，对环境和经济造成了重大挑战。传统的处置方法（主要是填埋或随意倾倒）不仅消耗了宝贵的土地资源，还导致了粉尘污染、土壤退化和潜在的地下水污染[3]、[4]、[5]、[6]、[7]。因此，高效大规模地利用石粉已成为建筑材料领域的一项关键任务，符合循环经济和可持续资源管理的原则。寻找石粉的高价值应用对于减轻其环境影响、将废弃物转化为有益资源至关重要。
将石粉作为部分替代品掺入传统混凝土中，以替代水泥或细骨料，是最常见的回收途径之一[8]、[9]、[10]、[11]、[12]。石粉可以作为填充剂，提高颗粒堆积密度并可能改善可操作性。例如，Rashwan等人[13]的研究表明，用大理石粉（MP）和花岗岩粉（GP）替代30%的水泥后，混凝土的增稠度分别提高了31%和37%。某些类型的石粉（尤其是石灰石粉（LP）在特定条件下甚至可以加速早期水化反应或参与辅助反应[2]、[14]、[15]、[16]。Li等人[17]和Wang等人[18]的研究证实了这种促进作用，他们发现低比例的LP替代（8-10%）使7天抗压强度提高了约10-24%。然而，石粉的广泛使用，尤其是在高性能要求的应用中，面临一个根本性限制：其本身具有较低的水硬性和火山灰活性。与高活性的辅助胶凝材料（如粉煤灰或矿渣）不同，石粉在胶凝体系中通常只是起到惰性成分的作用[19]、[20]、[21]、[22]。这种惰性会导致胶凝剂成分的稀释，从而在普通混凝土中大量替代水泥时可能会损害机械性能并影响长期耐久性，尤其是当替代比例超过适度阈值（通常为水泥质量的10-20%）时[16]、[23]、[24]、[25]、[26]。Vardhan等人[27]发现，当掺入30%的MP时，28天抗压强度下降了约33%。此外，Lee等人[28]观察到，掺入20-30%的LP会显著降低抗离子侵蚀的能力。这种固有的反应限制从根本上限制了石粉的大规模应用潜力。
在超高性能混凝土（UHPC）中，石粉的低反应性却带来了独特的机会。UHPC的特点是水灰比极低（通常低于0.20），水泥含量高（通常为700-1000千克/立方米），因此有大量（通常超过30-40%）未水化的水泥颗粒主要起到填充剂的作用[29]、[30]、[31]、[32]、[33]、[34]。这种情况从根本上改变了水泥替代的需求；用低成本、环保的惰性材料（如石粉）替代这部分“惰性成分”在技术上是可行的。因此，UHPC为大量掺入石粉提供了理想平台，同时减少了UHPC的二氧化碳排放，并为废弃石粉提供了高价值的利用途径。近年来，研究人员开始探索在UHPC中利用各种石粉。其中，石灰石粉（LP）受到了最多关注。Huang等人[35]指出，细小的石灰石颗粒可以通过促进C-S-H键的成核和生长来加速水化过程。Burroughs等人[36]和Yu等人[37]也分别使用不同比例的LP替代水泥，结果表明这种替代通过优化微观结构不仅提高了UHPC的可操作性，还增强了其抗压强度。其他研究人员还研究了硅酸盐基石粉。例如，Xie等人[38]发现BP可以通过致密的UHPC结构提高抗压强度，但Li等人[39]的研究表明，添加BP会显著降低抗压强度并增加自收缩。同样，关于GP的研究[40]表明，随着GP含量的增加，UHPC的性能先提高后下降，表明最佳GP含量约为5%。然而，目前缺乏系统性的比较研究，评估来自不同地质来源的石粉（硅酸盐基的玄武岩和花岗岩与碳酸盐基的大理石和石灰石）对UHPC多方面性能的综合影响。现有文献往往只关注单一类型的石粉，由于不同研究使用不同的配合比和养护制度，难以进行横向比较。因此，目前还没有明确的、基于性能的指南来选择最适合的石粉类型和用量，这严重限制了各种采石废弃物的优化、高价值和高效率的回收。
为填补这一关键研究空白，并充分发挥多种废弃石粉在可持续UHPC中的潜力，本研究对掺入两种硅酸盐石粉（BP和GP）和两种碳酸盐石粉（MP和LP）的UHPC进行了严格的比较评估。通过湿堆积密度和水膜厚度（WFT）定量评估了新鲜材料的性能，包括可操作性和流变行为。通过抗压强度测试和快速氯离子迁移（RCM）测量系统评估了机械性能和耐久性。此外，通过汞侵入孔隙率（MIP）和X射线计算机断层扫描（XCT）研究了微观结构的发展，特别是孔隙结构的细化和纤维分布。还利用等温量热法、X射线衍射（XRD）和热重分析（TGA/DTG）详细研究了水化过程和反应动力学。这些发现有望显著推进采石废弃物的大规模、高价值回收，并为开发环境影响大幅降低的环保型UHPC做出重要贡献。
材料
胶凝材料由波特兰水泥（CEM I）、硅灰和石粉组成，细骨料使用粒径为0.075至0.6毫米的石英砂。所使用的石粉是采石过程中的切割和研磨副产品，分为BP、GP、MP和LP四种类型。原材料的化学和物理特性在表1中总结，其粒径分布（PSD）曲线显示在图1中。
湿堆积密度和水膜厚度（WFT）
图7展示了BP、GP、MP和LP含量对UHPC湿堆积密度的影响。结果表明，这四种石粉的掺入提高了UHPC的堆积密度。这种改善主要归因于粒径分布的优化。在对照组中，水泥和石英砂之间的粒径差异显著，如图8所示。砂基质中的颗粒间隙通常过大，无法有效填充
结论
本研究证明了利用四种类型的石粉（BP、GP、MP和LP）生产可持续UHPC的可行性，并系统评估了其性能。主要研究结果如下：
- 1)
所有石粉通过提高堆积密度和水膜厚度（WFT）改善了可操作性。其中，BP由于具有更连续的粒级分布和较低的棱角度，在堆积密度方面表现出最显著的改善
作者贡献声明
方国豪：撰写 – 审稿与编辑，项目管理。徐伟伟：数据可视化，软件处理。黄霞：实验研究。董碧琴：资源获取，资金申请。彭宇：数据分析，数据管理。何晓伟：初稿撰写，数据管理。华先乐：方法设计，数据分析。吴迪：撰写 – 审稿与编辑，初稿撰写，资金申请，数据管理，概念构思
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
吴迪和何晓伟对这项工作做出了同等贡献。作者感谢国家自然科学基金（项目编号52478268和52408278）、中国博士后科学基金（项目编号2025M773280）以及深圳低碳建筑材料与技术重点实验室（项目编号ZDSYS20220606100406016）提供的资金支持。
