研究报告：冷粘结采石场粉尘粗骨料的性能及其在混凝土中的应用

作者及机构
本研究的通讯作者为Job Thomas（来自印度科钦科技大学，Cochin University of Science and Technology, Cochin 682022, Kerala, India）和B. Harilal（来自印度Annamalai University, Annamalai Nagar, Tamil Nadu, India）。该研究发表于期刊《Cement & Concrete Composites》2015年第62卷（67-75页）。

学术背景

本研究属于建筑材料与可持续工程领域，重点关注利用工业废料（采石场粉尘和粉煤灰）制备人工骨料（artificial aggregate）的技术及其在混凝土中的应用。

研究背景与动机
1. 环境问题：采石场粉尘（quarry dust）和粉煤灰（fly ash）是工业副产品，传统处理方式（如填埋）不仅占用土地，还可能污染环境。
2. 资源短缺：天然骨料（natural aggregate）的开采对自然资源造成压力，亟需可持续替代方案。
3. 研究空白：尽管已有研究探讨粉煤灰骨料，但采石场粉尘基人工骨料的系统性研究较少，尤其是冷粘结（cold bonding）技术的优化与应用。

研究目标
- 开发一种冷粘结技术，利用采石场粉尘和粉煤灰制备人工粗骨料（coarse aggregate）。
- 分析骨料的物理力学性能（如比重、吸水率、抗压强度等）。
- 评估人工骨料混凝土的工作性（workability）和强度特性。
- 建立回归模型以预测人工骨料性能。

研究流程与方法

1. 材料准备与人工骨料制备

材料：
- 水泥：普通波特兰水泥（OPC 53级），比表面积3360 cm²/g。
- 粉煤灰：F类粉煤灰（ASTM C618），SiO₂+Al₂O₃+Fe₂O₃含量达92%。
- 采石场粉尘：来自花岗岩采石场，SiO₂含量62.5%，粒径分布符合IS:383标准Ⅲ区。

实验设计：
- 变量：水泥含量（15%、20%、25%）、粉煤灰含量（10%-50%），采石场粉尘为剩余部分。
- 骨料制备：
1. 干混水泥、粉煤灰和采石场粉尘。
2. 在倾斜25°、转速26 rpm的造粒机中喷水形成绿色颗粒（green pellets）。
3. 筛选10-20 mm颗粒，水中养护28天。

2. 人工骨料性能测试

测试项目：
- 物理性能：饱和面干比重（SSD）、绝干比重（OD）、松散堆积密度（loose bulk density）、紧密堆积密度（compacted bulk density）、吸水率（water absorption）。
- 力学性能：球压强度（ball crushing strength），测试直径12 mm、16 mm、20 mm颗粒。

统计方法：
- 多元方差分析（MANOVA）评估水泥和粉煤灰含量对骨料性能的影响。
- 多元回归分析建立预测模型（如比重、吸水率与材料配比的关系）。

3. 混凝土制备与性能评估

混凝土配合比：
- 水胶比（w/c）固定为0.45，粗骨料占总骨料65%。
- 水泥用量：250 kg/m³、350 kg/m³、450 kg/m³。

测试项目：
- 工作性：坍落度（slump）随时间变化（0-135分钟）。
- 力学性能：28天抗压强度（150 mm立方体）、劈裂抗拉强度（150×300 mm圆柱体）、弹性模量。

主要结果

1. 人工骨料性能

• 比重：SSD比重1.9-2.5，随水泥含量增加而提高（因水泥填充孔隙）。
  
• 吸水率：16%-21%，粉煤灰含量越高吸水率越低（细颗粒填充效应）。
  
• 球压强度：6.15-8.32 MPa，与水泥含量正相关。
  

2. 混凝土性能

• 工作性：初始坍落度40-240 mm，损失速率与骨料类型无关。
  
• 强度：抗压强度20-30 MPa，与砂浆强度（mortar strength）正相关。
  
• 破坏模式：低强度骨料混凝土中骨料优先开裂，高强度骨料混凝土中界面破坏更显著。
  

结论与价值

科学价值

1. 废料利用：验证了采石场粉尘和粉煤灰制备人工骨料的可行性，减少环境负担。
   
2. 性能模型：提出的回归模型可指导骨料配比设计。
   
3. 工艺优化：冷粘结技术能耗低，适合工业化应用。
   

应用价值

• 可持续建筑：人工骨料可替代30%天然骨料，用于C20-C30强度等级混凝土。
  
• 经济性：降低废料处理成本，缓解天然骨料资源压力。
  

研究亮点

1. 创新材料组合：首次系统研究采石场粉尘-粉煤灰-水泥三元体系骨料。
   
2. 全面性能表征：涵盖物理、力学及混凝土应用性能。
   
3. 统计建模：通过MANOVA和回归分析量化变量影响，提升结果可靠性。
   

其他发现

• 界面行为：粗糙骨料表面增强界面粘结，影响混凝土破坏模式。
  
• 全球意义：研究数据与欧美同类研究（如Gesoglu et al., 2012）对比，验证了技术的普适性。
  

本研究为绿色建筑材料开发提供了重要参考，未来可进一步探索骨料改性（如聚合物涂层）以提升耐久性。