硅酸盐水泥作为一种最常用的胶凝材料,在世界范围内被广泛应用于各种水泥基材料的制备。当硅酸盐水泥与水和细集料一起混合时,所得的混合物称为水泥砂浆。细骨料可有多种类型,但最常用的是河砂。此外,破碎的岩石细粒和机制砂也可用作细集料。但是,在最近几十年中,建筑材料的生产一直依赖于自然资源,由于硅酸盐水泥制造业的粗放化和对自然资源过渡的开采,导致出现了严重的环境和经济问题。水泥的生产一般会产生大量的二氧化碳（CO₂）,这些二氧化碳会直接排放到大气中。当大气中存在的大量二氧化碳含量上升时,会对地球的生态系统产生严重的影响。而造成环境恶化的另一个因素是没有充分利用自然资源生产矿物集料,这个原因在其中一些地区已经成为环境恶化的主要原因。传统方法的现代化改进和推广可持续、环境友好型的建筑材料成为目前建筑材料领域的发展趋势。许多新型环保建筑材料已经应用于实际工程,还有一些新型建筑材料也在性能评估的过程中。土木工程材料的发展有两个主要因素,一是因为需要为全世界的居民提供基本且必要的基础设施,二是政府为了保护环境和生态平衡而出台的一系列的限制条件。由于技术的进步,现代水泥基复合材料与传统的水泥基材料有很大的不同。现代建筑材料行业采取了若干的措施来保护环境,如建筑拆除废物（砖、混凝土）的再利用、通过在配合比中添加更多的矿物掺合料来减少水泥的消耗以及使用人工砂取代天然砂等。其中使用再生材料部分或全部替代水泥或集料的方法在建筑从业者中最为流行。这种方法可以对建筑垃圾的有效的再利用,降低生产砂浆和混凝土的成本,起到保护环境的效果,同时,在配合比合适的情况下,也可提高水泥砂浆和混凝土的部分性能。但是,任何一种添加材料都会改变砂浆或混凝土的结构和性能。因此,使用这些材料制备的砂浆和混凝土必须经过试验测试,确保其性能满足相关的建筑行业标准。本次试验中,所使用的机制砂取自甘肃建投矿业有限公司生产的玄武岩机制砂,玄武岩石粉是由玄武岩石屑通过干式制砂设备生产机制砂过程中生产的尾矿,超细砂同样是由甘肃建投矿业有限公司提供。水泥采用甘肃水泥厂有限公司供应的祁连山牌普通硅酸盐水泥,强度等级为42.5。粉煤灰采用兰州二热厂所产性能良好的II级粉煤灰。拌合水使用兰州本地的自来水,各项指标均满足规范要求。试验时所用仪器包括电子天平、KIC电动水泥搅拌机、NT2000型水泥砂浆振动台、YES-2000型压缩试验机、NM-4A型非金属超声检测分析仪和STDT-12型混凝土动弹性模量测试仪等。为了研究玄武岩石粉和超细砂的掺入对水泥砂浆性能的影响规律,设计了不同的配合比进行试验。首先使用超细砂部分替代机制砂制备胶砂试块,替代的比率分别为10%、20%、30%、40%和50%,探究超细砂替代机制砂比率增加时对砂浆性能的影响。之后使用玄武岩石粉替代水泥,替代率分别为10%、15%、20%、25%、30%,分为内掺和外掺两种方式,研究玄武岩石粉替代水泥时替代情况的变化对砂浆性能的影响。最后从上述试验中选择性能良好的组别,使用复合掺加的方式制备水泥砂浆。所得的配合比中,玄武岩石粉替代水泥的比率分别为10%和15%,超细砂替代机制砂的比率分别为10%和20%。参考《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》GB/T17671-1999,制备40 mm×40mm×160 mm的棱柱体水泥砂浆试块。试验步骤为,按照设计的配合比准确称取制备试块所需的材料用量,之后使用行星搅拌机对所用材料进行搅拌。搅拌时应注意,需先将水放入搅拌锅,再加入水泥,开始搅拌后先低速搅拌30s,在第二个30s开始的同时,均匀地将细集料加入。得到拌合物后立即在振动台上成型,振动成型时胶砂分两层装入试模。试块连模一起在湿气重养护24h,脱模后在规定的养护条件下养护,当试样的龄期达到所需的龄期后再进行各试验测试。在进行强度测试之前,先进行砂浆的无损检测,如测量砂浆试块的质量,超声波速度以及动弹性模量,测量持续120d。在进行强度试验时,先进行抗折强度试验,折断后每截再进行抗压强度试验,受压面是试体成型时的两个侧面,面积为40 mm×40 mm,在整个加荷过程中以2400 N/s±200 N/s的速率均匀地加荷直至破坏。需要测定抗折强度和抗压强度的龄期分别为3d、7d、14d、21d、28d、56d、90d和120d,研究玄武岩石粉和超细砂掺量变化以及龄期变化对水泥砂浆性能的影响。砂浆的干燥收缩试验参考JC/T603-2004《水泥胶砂干缩试验方法》,试件成型试模采用尺寸为25 mm×25 mm×280 mm的棱柱体试模,端板有安置测量钉头的孔洞,其位置应保证成型后试j件的测量钉头在试件的轴线上,成型试件时测量钉头伸入试模端板的深度为10 mm±1 mm。成型试件在标准养护条件下养护24h后脱模,脱模后的试件再放入水中养护两天,之后从水中取出试件清理表面和钉头污垢,将脱模后的试件做好标记,并使用比长仪测量其初始读数,在测量收缩变形的同时进行砂浆试件质量的测试。测试时间持续28d,研究玄武岩石粉和超细砂掺量变化对水泥砂浆干燥收缩性能的影响。试验结果表明:在使用玄武岩石粉替代水泥来制备砂浆时,龄期相同的情况下,砂浆的抗折强度和抗压强度均随玄武岩石粉替代率的增加而降低。其中在玄武岩石粉替代水泥的比率为10%时,砂浆的3d抗折强度与基准组相比下降了2.6%,28d抗折强度下降了8.6%。随着玄武岩石粉替代率增加,砂浆抗折强度继续降低,在替代率为30%时砂浆的3d抗折强度下降了32.9%,28d抗折强度下降了19.3%。对于抗压强度,其变化规律与抗折强度相似,在玄武岩石粉替代率为10%时,3d抗压强度比基准组下降了4.4%,28d抗压强度下降了14.3%,当玄武岩石粉替代率增加至30%时,3d抗压强度下降了26.5%,28d抗压强度下降了35.9%,但是当龄期达到90d时,差距有所减小,玄武岩石粉替代率为10%时,差距仅有1.3%,玄武岩石粉替代率为30%时,差距也下降至18.81%。砂浆的质量随着玄武岩石粉替代率的增加而不断增加,当龄期为3d时,玄武岩石粉替代水泥的比率分别为10%、15%、20%、25%、30%时,砂浆比基准组的质量增加了0.05%、1.42%、8.91%、1.68%、6.09%。当砂浆的龄期相同时,随着玄武岩石粉替代水泥的比率增加,砂浆的动弹性模量和超声波速度均降低。当龄期为7d时,玄武岩石粉替代水泥的比率为10%、15%、20%、25%、30%时,砂浆的动弹性模量比基准组分别降低了14.8%、25.3%、18.1%、21.1%、20.3%,砂浆的纵向超声波速度比基准组分别降低了1.1%、4.0%、0.3%、3.1%、4.3%,砂浆的横向超声波速度比基准组分别降低了2.5%、6.3%、5.1%、11.7%、8.2%。当使用超细砂替代机制砂制备砂浆时,在砂浆龄期相同的情况下,砂浆的抗折强度和抗压强度均随超细砂替代率的增加而降低。其中在超细砂替代机制砂的比率为10%时,砂浆的3d抗折强度与基准组相比下降了0.2%,28d抗折强度下降了2.8%。随着超细砂替代率的增加,砂浆抗折强度继续降低,在替代率为50%时砂浆的3d抗折强度下降了21.6%,28d抗折强度下降了28.1%。对于抗压强度,在超细砂替代机制砂的比率为10%时,3d抗压强度比基准组下降了0.7%,28d抗压强度下降了8.0%,当超细砂的替代率增加至50%时,3d抗压强度下降了12.1%,28d抗压强度下降了31.8%。但是当龄期达到56d,超细砂替代机制砂的比率为10%时,砂浆的抗压强度与基准组相比反而上升了2.8%,在龄期为90d时,抗压强度上升0.9%,说明较低的超细砂掺量对于砂浆的后期强度有部分提升。砂浆的质量随着超细砂替代机制砂的比率增加而不断增加,当龄期为28d时,超细砂替代机制砂的比率分别为10%、20%、30%、40%、50%时,砂浆比基准组的质量增加了3.97%、2.87%、3.31%、3.98%、0.52%。当砂浆的龄期相同时,随着超细砂替代机制砂的比率增加,砂浆的动弹性模量和超声波速度均降低。当龄期为28d时,超细砂替代机制砂的比率为10%、20%、30%、40%、50%时,砂浆的动弹性模量比基准组分别降低了4.7%、2.8%、6.8%、9.4%、13.5%,砂浆的纵向超声波速度比基准组分别降低了5.4%、0.8%、4.9%、3.8%、6.2%,砂浆的横向超声波速度比基准组分别降低了1.3%、0.7%、2.5%、1.2%、1.3%。尽管使用玄武岩石粉和超细砂替代部分原材料制备水泥砂浆会使水泥砂浆的性能下降,但是在使用玄武岩石粉替代水泥的比例为10%²5%时,以及使用超细砂替代机制砂的比例为10%²0%时,通过配合比的调整,仍然可以使砂浆的各性能满足规范要求。因此,在适当的情况下,可以将玄武岩石粉和超细砂用于水泥砂浆中以代替部分原材料来达到保护环境、节约资源的目的,这种做法也符合可持续发展的理念,可以进一步研究和应用。