利用石英采石场粉末作为水泥砂浆中可持续的部分砂替代物

将石粉变为建筑资源

现代城市依赖砂。砂是混凝土和砂浆的重要成分，支撑着我们的建筑、桥梁和道路。但全球正面临砂资源短缺，从河流开采砂也在破坏生态系统。本研究探索了一个引人注目的想法：能否将石英采石场粉末——一种通常被视为工业废弃物的细粉——转化为有用成分，用以替代普通水泥砂浆中的部分砂？

从废料堆到有用材料

石英采石场粉末是在破碎和切割富含石英的岩石时产生的。与其被倾倒弃置，这些粉末可以成为原料。研究人员收集了坦桑尼亚的天然河砂和采石场粉末，仔细测量了它们的粒径、形状和化学成分。测试证实该粉末几乎是纯石英（约99.6%二氧化硅），杂质极少，且没有会在以后导致砂浆开裂或膨胀的活性矿物。在电子显微镜下，粉末颗粒呈锐利、棱角分明且粗糙——与河砂较为光滑的颗粒明显不同。这些粗糙边缘虽然需要更多的拌和用水，但有助于颗粒与水泥浆紧密咬合。

设计更强、更环保的砂浆

为了评估在不损害性能的前提下可使用多少采石场粉末，研究团队配制了一系列砂浆。所有配合比的水泥和水量相同，但砂按质量逐步被替换为0%、5%、10%、15%或20%的石英粉末。将混合物浇注成小立方体，在水中养护至多28天，然后测试其新拌时的可操作性、硬化后的密实度、吸水率以及抗压强度。对硬化砂浆的显微观察有助于将微观尺度的变化与材料的宏观行为联系起来。

找到最佳点

随着粉末掺入量增加，新拌砂浆明显变得更稠：坍落度（常用的流动性指标）从无粉末时约74毫米降至20%粉末时约56毫米。然而在最多15%替代量时，工人仍会发现配合比可用。真正令人惊讶的是其强度和耐久性。当以10%的比例用采石场粉末替代砂时，28天抗压强度从对照组的10.8兆帕跃升至18.5兆帕——约增长70%，处于典型结构砂浆的适用范围内。同一10%掺量下，吸水率这一反映材料多孔性及易受损性的指标也从6.4%降至5.7%。超过10%后，收益开始减弱：更高粉末含量带来额外空隙并破坏了水泥与砂的良好接触，导致强度略降且吸水率再次上升。

混合物内部发生了什么

硬化砂浆的显微图像揭示了为何10%采石场粉末效果最佳。在仅含河砂的常规配比中，结构显示出更多空隙和较松散的水泥凝结网络。当掺入适量石英粉末时，其细小且棱角分明的颗粒嵌于砂粒之间，填补缝隙并有助于形成更连续、类岩石的水泥产物网络。在约10%替代时，内部结构显得最为致密和均匀，可见气孔更少，颗粒间接触更好。继续增加粉末后，锐利颗粒开始聚集且无法被浆体完全包裹，产生薄弱点和分散的空隙，从而抵消之前的优势。

对日常建筑的意义

对非专业读者而言，结论很简单：少量采石场粉末——约占标准砂浆中砂量的十分之一——可以使材料更强且吸水率略降，同时将废弃物再利用并减轻对河砂供应的压力。超过该比例，配合比的可施工性下降且收益递减。尽管仍需更长期的现场试验和耐久性研究，这项研究为将一种多尘的副产品转变为更绿色、更节资源的建筑原料提供了切实可行的途径。

引用: Ngayakamo, B.H., Ikotun, B.D. Utilization of quartz quarry dust as a sustainable partial sand replacement in cement mortar. Sci Rep 16, 7031 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37993-y

关键词: 可持续建筑, 水泥砂浆, 采石场粉尘, 替代砂, 石英