人造崗石廢棄石粉對(duì)混凝土性能影響研究

許勝才 沈家喜 張懷陽 黃智華 蔣鳳強(qiáng)

摘 要：人造崗石廢棄石粉大量排放對(duì)環(huán)境造成了污染，鑒于廢棄石粉比表面積高，粒度小，可將其用于混凝土中改善混凝土性能并達(dá)到廢物利用的目的。通過取代混凝土中水泥、機(jī)制砂或礦粉的形式摻入廢棄石粉，分析其對(duì)混凝土工作性能和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，適量取代水泥或砂可以改善混凝土性能，但超過一定量后又會(huì)造成混凝土工作性能下降，抗壓強(qiáng)度減小。廢棄石粉取代礦粉會(huì)弱化礦粉對(duì)混凝土強(qiáng)度帶來的增長(zhǎng)作用。由于混凝土中的砂含量較高，故將廢棄石粉取代砂不僅可以改善混凝土性能，也具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

關(guān)鍵詞：人造崗石；廢棄石粉；混凝土；機(jī)制砂；礦粉

中圖分類號(hào)：TU528 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）19-0039-05

Abstract： The discharge of a large amount of waste stone powder has caused pollution to the environment. In view of the high specific surface area and small particle size of waste stone powder， it can be used to improve the performance of concrete and achieve the purpose of waste utilization. By replacing cement， machine-made sand or mineral powder in concrete with waste stone powder， the influence of waste stone powder on the working and mechanical properties of concrete is analyzed. The results show that proper substitution of cement or sand can improve the performance of concrete， but when it exceeds a certain amount， it will decrease the working performance and compressive strength of concrete. The replacement of mineral powder by waste stone powder will weaken the increasing effect of mineral powder on the strength of concrete. Because of the high content of sand in concrete， replacing sand with waste stone powder can not only improve the performance of concrete， but also has high economic value.

Keywords： artificial hillock； waste stone powder； concrete； machine-made sand； mineral powder

引言

以碳酸鈣為主要化學(xué)成分的大理石是一種重要的工業(yè)材料，特別是在人造崗石行業(yè)中得到了大量的應(yīng)用，然而，碳酸鈣產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展的同時(shí)，碳酸鈣固體廢棄物污染的問題也日益突出，嚴(yán)重影響社會(huì)的環(huán)保問題[1-2]。人造崗石廢棄石粉主要來源于人造石材荒料鋸解所產(chǎn)生的壓濾漿干燥后的粉體，大量的廢棄物堆放占用了土地資源，還會(huì)污染土壤和水源，廢棄的干石粉還會(huì)隨風(fēng)飛揚(yáng)，造成大氣污染。從人造崗石廢棄石粉的來源初步分析可知廢棄石粉的主要成分為大理石粉末，含有少量樹脂和其它雜質(zhì)。這種廢棄石粉比表面積高，粒度小，故為將其用于混凝土中，以改善混凝土的性能提供了可能性?？梢?，將碳酸鈣固體廢棄物變廢為寶，運(yùn)用到實(shí)際生產(chǎn)中，將可能成為一種優(yōu)質(zhì)的建材資源。目前將廢棄石粉作為混凝土的外摻料的研究較少，大多是關(guān)于石灰石粉或大理石粉在混凝土中的應(yīng)用研究，主要從石粉對(duì)混凝土的工作性能、力學(xué)性能和耐久性三個(gè)方面進(jìn)行試驗(yàn)和分析。一般認(rèn)為石粉的摻入能增加混凝土的流動(dòng)性和保水性，降低離析泌水等現(xiàn)象，但摻入量過大將明顯帶來負(fù)面效果[2-5]。在力學(xué)性能上，石粉的加入可以提高早期強(qiáng)度，加速水化，也因其能補(bǔ)充細(xì)骨料缺少的微細(xì)粒徑級(jí)配，使混凝土更加密實(shí)，但也存在一個(gè)最優(yōu)量的設(shè)計(jì)問題[6-7]。在耐久性的研究上，石粉對(duì)混凝土的影響主要體現(xiàn)在干縮性能的影響[8]、抗碳化性能的影響[9]、抗氯離子滲透性能的影響以及抗凍性能的影響[5，10]，并已得到了較為成熟的結(jié)論。

人造崗石廢棄石粉有別于普通的石灰石粉，其中往往摻雜著人造石材的膠結(jié)材料，從而對(duì)廢棄石粉用于混凝土的生產(chǎn)帶來了一些挑戰(zhàn)，許多問題還需要經(jīng)過深入研究并加以解決，但目前還缺少相關(guān)研究。因此，本文將人造崗石廢棄石粉對(duì)混凝土工作性能和力學(xué)性能的影響加以分析，從而為大規(guī)模地對(duì)人造崗石廢棄石粉進(jìn)行資源化利用提供一定的理論支撐。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)中所配制的混凝土為機(jī)制砂混凝土，所需建筑材料主要有水泥、石粉、石子，機(jī)制砂，礦粉。其中水泥采用賀州華潤(rùn)P.O52.5級(jí)水泥。碎石取自廣廈混凝土公司，粒徑范圍為5～31.5 mm，為連續(xù)級(jí)配的石灰?guī)r碎石。試驗(yàn)采用的機(jī)制砂為廣廈混凝土公司生產(chǎn)的機(jī)制砂，其主要成分為石灰?guī)r和砂巖，經(jīng)過處理篩分的機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)3.2，通過風(fēng)吸法除粉后，控制石粉含量5.0%左右。礦粉為賀州華潤(rùn)有限公司生產(chǎn)的S95級(jí)礦粉，用于和石粉復(fù)摻反映石粉的復(fù)摻效果。外加劑采用聚羧酸高性能減水劑，液態(tài)，對(duì)膠凝材料摻量為1%。廢棄粉體取自廣西賀州利升石業(yè)有限公司，為白色粉末狀，吸水性強(qiáng)，經(jīng)檢測(cè)其成分如表1所示，其顆粒激光粒度分布如圖1所示。可見石粉的級(jí)配連續(xù)，平均粒徑D50在10μm左右，為細(xì)微粉。

1.2 試驗(yàn)方案

在摻入固體廢棄物石粉的混凝土中，石粉摻量是一個(gè)很重要的指標(biāo)，摻量的多少，直接決定混凝土的成本以及其他一些性能。石粉影響混凝土的性質(zhì)很多，但工作性能和力學(xué)性能是最直觀和最顯著的兩種，所以此次試驗(yàn)研究的目的，就是利用廢棄石粉取代水泥和細(xì)骨料來改善混凝土的性能，因此以廢棄石粉替代水泥、細(xì)骨料和礦粉的形式進(jìn)行摻合。方案內(nèi)容如下。

（1）以C30強(qiáng)度等級(jí)的混凝土為研究對(duì)象，選定對(duì)應(yīng)強(qiáng)度等級(jí)混凝土的配合比，僅改變廢棄石粉對(duì)水泥的替代率。見表2。

（2）以C30強(qiáng)度等級(jí)的混凝土為研究對(duì)象，選定對(duì)應(yīng)強(qiáng)度等級(jí)混凝土的配合比，僅改變廢棄石粉對(duì)機(jī)制砂的替代率。見表3。

（3）以C30強(qiáng)度等級(jí)的混凝土為研究對(duì)象，根據(jù)已有試驗(yàn)礦粉配比，改變廢棄石粉對(duì)礦粉的替代率，研究廢棄石粉和礦粉共同作用下對(duì)混凝土強(qiáng)度和工作性能的影響。見表4。

1.3 試驗(yàn)方法

按《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50080-2002）規(guī)定的混凝土的表觀密度、坍落度和離析情況，以反映廢棄石粉摻入混凝土后拌合物的工作性能。按《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50081-2002）測(cè)試成型試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)7d、28d和56d的抗壓強(qiáng)度，以反映廢棄石粉摻入混凝土后的力學(xué)性能。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 廢棄石粉對(duì)混凝土工作性能的影響

廢棄石粉對(duì)混凝土工作性能的影響試驗(yàn)結(jié)果匯總?cè)绫?所示。從表5可見，從拌和物的表觀密度來看，廢棄石粉的三種取代方案總體上都造成了拌和物表觀密度的降低，主要是由于人造崗石廢棄石粉以CaCO3為主，還有其它輕質(zhì)雜質(zhì)，顆粒比重較水泥、砂粒和礦粉都小，有利于混凝土的輕量化。當(dāng)用石粉取代水泥，由于膠凝材料總量沒變，所以坍落度變化不大，但石粉取代率大于10%后，離析情況得到改善，骨料也可以被膠凝材料均勻裹挾，可見廢棄石粉的摻入使膠凝材料的和易性明顯得到改善。當(dāng)用石粉取代機(jī)制砂時(shí)，取代率為5%時(shí)，坍落度相比沒有取代石粉時(shí)要提高一些，而離析情況得到改善，如圖2所示。廢棄石粉取代機(jī)制砂，其在混凝土中以惰性微粉顆粒的形式存在，相當(dāng)于增大了混凝土中的膠凝材料；這種膠凝材料雖不具有水化活性，但其在新拌混凝土中起到相當(dāng)于滾珠作用，當(dāng)其在一定范圍內(nèi)替代天然砂時(shí)能夠增加混凝土的流動(dòng)性，同時(shí)石粉對(duì)水的吸附后具有較好的粘聚性而附著于骨料表面，避免離析情況產(chǎn)生，使混凝土的和易性得到明顯改善。取代率超過5%后，石粉的含量增加，增加了膠凝材料的比表面積，從而消耗了更多的自由水，導(dǎo)致膠凝材料逐漸粘稠，坍落度也隨著石取代率地增加而減小。將廢棄石粉取代礦粉，在取代率小80%時(shí)，都能提高拌和物的坍落度，主要石粉附著于骨料起到滾珠作用防止骨料堆積。同時(shí)，石粉取代率超過40%后，基本上消除了離析情況。但石粉取代率超過80%后，石粉吸水量增加，導(dǎo)致膠凝材料稠化，坍落度減小。

因此，不管廢棄石粉取代何種物質(zhì)，在混凝土中控制一定量的廢棄石粉摻量，有利于水化初期水泥顆粒的解絮，能增加混凝土拌和物的和易性，在相同流動(dòng)性的要求條件下，可以減少拌合物的用水量，改善混凝土的工作性能。但因?yàn)閺U棄石粉是機(jī)械鋸解而成，其顆粒表面粗糙、棱角突出，因此當(dāng)廢棄石粉替代率較大時(shí)，會(huì)更大程度地增加單方混凝土中粉狀顆粒含量，這些極大地增加了混凝土細(xì)集料的總比表面積，從而增加混凝土單位立方米需水量，導(dǎo)致混凝土的工作性能下降。

表5 廢棄石粉對(duì)混凝土工作性能的影響

2.2 廢棄石粉對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

試驗(yàn)結(jié)果見圖3～圖5所示。由圖3可以顯示出，廢棄石粉取代水泥時(shí)，廢棄石粉含量小于10%對(duì)早期混凝土抗壓強(qiáng)度有一定的提高作用，而后隨著石粉的增加抗壓強(qiáng)度隨之降低。廢棄石粉對(duì)28d和56d齡期抗壓強(qiáng)度也有提高作用，但最優(yōu)取代率值偏小，在5%左右，從廢棄石粉的摻入總量來說也不會(huì)很大。圖4所示為廢棄石粉取代機(jī)制砂時(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律，可見石粉取代率低于5%時(shí)，對(duì)于7d強(qiáng)度來說將有利于強(qiáng)度增加，而對(duì)于28d和56d齡期抗壓強(qiáng)度來說稍有下降，但變化不大。隨后隨著廢棄石粉含量增加，強(qiáng)度下降明顯?？梢姲?%取代機(jī)制砂并不會(huì)對(duì)強(qiáng)度造成損失，但消耗掉的廢棄石粉量較取代水泥的量大。圖5所示為廢棄石粉取代礦粉所得結(jié)果，可見雖然廢棄石粉能改善拌和物的工作性能，但對(duì)強(qiáng)度的增長(zhǎng)作用卻不及礦粉。從變化曲線還可以看出隨著廢棄石粉取代率的增加，抗壓強(qiáng)度先減后增，主要是因?yàn)閺U棄石粉對(duì)礦粉的取代改善了混凝土的工作性能，使混凝土拌和物分布更加均勻，提高了混凝土強(qiáng)度。

從廢棄石粉取代三種材料得到的混凝土抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律可看出，在石粉取代量較少時(shí)能提高混凝土強(qiáng)度，原因可概括為三個(gè)。一是廢棄石粉在混凝土起到微集料填充作用，石粉中的粉狀顆粒含量填充了混凝土內(nèi)部的孔隙，提高混凝土內(nèi)部密實(shí)度，從而提高了混凝土抗壓強(qiáng)度；二是廢棄石粉中的大理石晶體具有晶核效應(yīng)，它可以與水泥中的C3A和C4AF在水化的過程中發(fā)生反應(yīng)生成水化碳鋁酸鈣，并與其它水化產(chǎn)物相互搭接，使水泥石結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，從而提高混凝土強(qiáng)度[9-10]；三是廢棄石粉的摻入量合適情況下混凝土工作性能良好，漿骨料分布均勻，界面結(jié)構(gòu)連接緊密，從而提高了混凝土的強(qiáng)度。而當(dāng)廢棄石粉含量超過一定范圍時(shí)，對(duì)于取代水泥必然會(huì)造成摻與水化反應(yīng)的水泥量越少，形成的結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)越稀疏，造成混凝土強(qiáng)度下降。對(duì)于取代砂時(shí)，過量的廢棄石粉分散在水泥石當(dāng)中或水泥石與骨料的界面過渡區(qū)，減弱了水泥石骨架作用，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度的降低。且廢棄石粉的殘余雜質(zhì)造成石粉顆粒內(nèi)部微裂紋較多、連接較弱，進(jìn)一步加劇了混凝土強(qiáng)度的弱化。礦粉的細(xì)度和水化能力都較好，能顯著促進(jìn)混凝土強(qiáng)度的增加，廢棄石粉的摻入只會(huì)弱化礦粉對(duì)混凝土強(qiáng)度帶來的增長(zhǎng)作用，只不過隨著廢棄石粉取代率不同弱化效果不同。

若需將廢棄石粉摻入混凝土中以達(dá)到廢物利用的目的，取代水泥消耗量少且容易降低混凝土強(qiáng)度。而用于取代礦粉配制高強(qiáng)混凝土?xí)r是不利的，可以從工作性能改善上適當(dāng)加入廢棄石粉。由于混凝土中的砂含量是較高的，廢棄石粉取代砂不僅可以改善混凝土的工作性能和力學(xué)性能，僅從廢物利用來說都具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，所以在機(jī)制砂中摻入一定量的廢棄石粉用于改善混凝土是可行的。

3 結(jié)論

（1）廢棄石粉以取代水泥、機(jī)制砂或礦粉的形式摻入混凝土中，可以使混凝土的工作性能得到改善，但存在不同的取代方法有不同的最優(yōu)取代率。不管以何種方式取代，過量的廢棄石粉摻入會(huì)降低混凝土的工作性能。

（2）廢棄石粉適量取代水泥或機(jī)制砂可以改善混凝土的級(jí)配體系和工作性能，因而能提高混凝土的強(qiáng)度，但超過一定量后又會(huì)造成混凝土強(qiáng)度下降。廢棄石粉取代礦粉，雖然能改善拌和物的工作性能，但在力學(xué)性能上會(huì)弱化礦粉對(duì)混凝土強(qiáng)度帶來的增長(zhǎng)作用。

（3）本次試驗(yàn)配制混凝土，廢棄石粉取代水泥最優(yōu)取代率在5%～10%之間，取代機(jī)制砂的最優(yōu)取代率為5%左右，使混凝土的工作性能和力學(xué)性能都達(dá)到最佳狀態(tài)，實(shí)際使用時(shí)應(yīng)通過試驗(yàn)確定。廢棄石粉取代礦粉在工作性能上可以得到改善，但力學(xué)性能上反而降低。

（4）若需將廢棄石粉摻入混凝土中以達(dá)到廢物利用的目的，在機(jī)制砂中摻入一定量的廢棄石粉對(duì)于改善混凝土的性能是有利的，在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上也是可行的。

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