大理石廢粉-水泥力學性能及微觀結構影響研究*

蒙茂貞，何淇鋒，何振嘉，曹德瑞，殷軍帆，王海波

（賀州學院 建筑與電氣工程學院，廣西 賀州542899）

廣西賀州市蘊藏有豐富的大理石資源，據地質部門勘測儲量居全國白色大理石資源首位，大理石產業成為了當地經濟支柱的產業之一。隨著大理石礦產的不斷開發，大理石的開采、運輸、打磨、切割等處理過程中會產生大量的廢渣、廢粉、廢漿等廢棄物，大量的廢漿、廢粉利用途徑較少，利用率低，帶來嚴重的污染問題，因此這一問題制約了當地產業的發展。大理石廢粉的產生環境問題備受關注。

大理石廢漿、廢粉作為摻合料用于水泥基材料中的研究較多。Hüseyin Ylmaz Arunta等[1]人使用大理石廢棄物同水泥摻加生產波特蘭水泥。10%的大理石廢棄物可作為摻加料生產水泥，不影響水泥凝結時間，增加了比重和比表面積。所有比例的大理石廢棄物水泥的各齡期抗壓強度均高于波特蘭水泥。楊永民等[2]人開展了石粉在水泥生產中的再利用，利用大理石粉和花崗巖粉用作水泥混合材料進行了分析研究，大理石粉使水泥凝結時間縮短，水泥早期水化有明顯的促進作用。Ahmed N等[3]人用大理石粉替代石灰石粉用于制造新型水泥（白色水泥CRⅡ號），發現大理石粉水泥可以使硬化混凝土的性能提高16%；可以提高新拌混凝土的性能；可以用作結構混凝土。Kirgiz Mehmet Serkan[4-5]使用大理巖粉、磚粉、石膏和水泥復摻，研究混合水泥的界限強度。水泥中摻加大理石粉的界限值為6%，摻加磚粉的界限值為35%。廢棄大理石超細顆粒和磚超細顆粒可以用來生產水泥，是對固體廢棄物處理研究的有益探討。Muhammad Junaid Munir等[6]人用大理石粉替代水泥，取代率為10%時混凝土強度提高；替代量為10%和40%時，砂漿膨脹減少28%和50%。張金團團隊[7-8]研究發現摻入一定量大理石廢粉對水泥基材料早期強度具有促進作用。E.Bacarji等[9]人用大理石和花崗巖碎屑，取代水泥制作混凝土，大摻量會降低混凝土抗壓強度。綜上研究表明，大理石廢粉在水泥材料中的研究對于摻量的影響開展大量的工作，對于不同類的大理石廢粉研究較少。本文提出以不同種類大理石廢粉及取代率為參數，研究大理石廢粉對水泥基材料的力學性能及微觀結構影響規律，為大理石廢粉取代水泥的應用提供支撐，不僅能夠廢物利用變廢為寶，還能解決環境污染問題。

1 試驗概況

1.1 原材料

試驗水泥采用某水泥廠生產的P·O 42.5級水泥，記為C，化學組成成分見表1，力學性能指標見表2；大理石廢粉體為某公司人造崗石廢粉（含有機物樹脂）及賀州某大理石加工廠產生的切割廢粉，分別記為MF1、MF2；粒徑分布特征見表3。水采用自來水。

表1 水泥的化學組成成分

表2 水泥物理力學性能指標

表3 試驗材料粒徑分布特征

1.2 試驗設計

試驗以大理石廢粉的種類（MF1、MF2）、取代率（0%、5%、10%、15%、20%、25%）為變量，根據《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》（GB/T 17671-1999）規定的設計試驗配合比，研究不同變量對力學性能及微觀結構的影響，試驗共設計11組，設計分組見表4。

1.3 試驗方法

大理石廢粉-水泥膠砂流動度試驗，根據表4試驗設計分組配合比，按照《水泥膠砂流動度測定方法》（GB/T 2419-2005）[10]規范的方法進行試驗，測定膠砂流動度。

大理石廢粉-水泥膠砂強度試驗，根據表4試驗設計分組配合比，按照《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》（GB/T 17671-1999）[11]在標準養護條件下，養護24h后脫模制作成40mm×40mm×160mm棱柱體試件，養護3天和28天后，測定3d和28d抗折和抗壓強度。

表4 試驗設計分組

微觀結構試驗主要通過SEM掃描電鏡，對3d、28d試驗樣品進行觀測分析。

2 試驗結果與討論

2.1 大理石廢粉對膠砂流動度的試驗結果

不同種類大理石廢粉取代率對流動度的結果見圖1 。由圖1可知，不同種類大理石廢粉對膠砂流動度影響較大，CMF1隨著人造崗石廢粉取代率的增加流動度出現先減小后增加現象，取代率為5%、10%時流動度與0%相比出現略微降低現象，與0%結果基本一致。取代率在15%～25%時，隨取代率的增加流動度增大，相對于摻量為0%的流動度提高了0.9%～3.44%。對于CMF2隨著切割廢粉（MF2）取代率增加流動度逐漸增大，與取代率0%相比流動度提高了2.1%～5.1%。說明大理石廢粉取代水泥可改善拌合物的流動性，主要由于大理石廢粉取代率增大，水泥所占量減少，水灰比W/C增加，拌合物流動性增大；不同種類大理石粉，相同取代率的大理石廢切割廢粉（MF2）相對于人造崗石廢粉（MF1）改善膠砂流動度效果明顯。人造崗石廢粉（MF1）摻量較小時膠砂流動度出現略微降低現象，歸因于人造崗石廢粉含有有機物樹脂，但大理石廢粉取代水泥的膠砂流動性試驗結果均符合規范要求。

圖1 膠砂流動度試驗結果

2.2 大理石廢粉對水泥膠砂強度的影響

由圖2、圖3可知，隨取代率的增大，3d抗折強度、抗壓強度基本上先增大后減小。大理石切割廢粉取代率為5%時3d抗折強度和抗壓強度達到最大，相對于取代率0%分別提高了11%、18%；人造崗石廢粉（MF1）取代率為5%時3d抗折強度和抗壓強度達到最大，相對于取代率0%分別提高了9%、12%。摻量小于10%時，3d抗壓、抗折強度均大于與摻量0%強度結果，而對于28d抗折強度、抗壓強度試驗結果隨取代率增加，基本呈下降趨勢。取代率越大，抗壓強度與抗折強度下降越大。說明摻入一定量的大理石廢粉對早期強度有利，摻量增大后，3d、28d抗壓、抗折強度逐漸降低，均低于取代率為0%的對照組。而且大理石切割廢粉（MF2）的效果明顯優于人造崗石廢粉（MF1）。主要由于大理石廢粉促進早期水化反應，對早期強度有利[12]，取代率增大后，造成實際水灰比W/C增大，強度降低；而選用大理石切割廢粉（MF2）的效果明顯優于人造崗石廢粉（MF1），主要歸因于人造崗石廢粉（MF1）中含有有機物樹脂，導致人造崗石廢粉與水化產物粘結性降低，膠凝材料整體性較差，存在薄弱區；取代率5%大理石切割粉（MF2）的膠砂強度試驗結果，滿足規范42.5級水泥力學性能要求，這一結果與相關學者研究一致[7]。

圖2 不同大理石廢粉取代率3d、28d抗折強度結果

圖3 不同大理石廢粉取代率3d、28d抗壓強度結果

2.3 大理石廢粉-水泥強度折壓比分析

不同大理石廢粉取代率與3d、28d折壓比之間關系見圖4，由圖4（a）可知，不同大理石廢粉取代率3d抗折與抗壓強度比值約為0.21，均值μ=0.21。當取代率變化時，不同大理石廢粉3d抗折與抗壓強度基本穩定，取代率5%、10%折壓比均小于取代率為0%折壓比。由圖4（b）可知，不同大理石廢粉取代率28d抗折與抗壓強度比值約為0.185，均值μ=0.185。相同取代率時，人造崗石廢粉28d折壓比優于大理石切割粉，這與2.2大理石廢粉對水泥膠砂強度的影響結果原因一致。隨著取代率增加，不同大理石廢粉折壓比均大于取代率0%折壓比。不同大理石廢粉取代率3d、28d抗折與抗壓強度換算關系分別見式（1）、式（2）。

圖4 不同大理石廢粉取代率與3d、28d折壓比之間關系

2.4 大理石粉-水泥SEM結果分析

不同齡期CMF1、CMF2樣品SEM結果分別見圖5、圖6。由圖5可知，3d樣品SEM結果微觀結構較為疏松，明顯可見AFt、C-S-H、CH及人造崗石廢粉附著在水化產物C-S-H凝膠上，水化產物中存在大量的孔隙。28d樣品SEM結果顯示微觀結構相對致密，AFt數量減少，可見大量的C-S-H凝膠、CH，結果中仍存在可見的人造崗石廢粉。由圖6可知，3d樣品SEM結果與CMF1相比微觀結構比較致密，明顯可見大量C-SH凝膠，水化產物中孔隙數量相對較少，這與3d抗壓、抗折強度結果表現一致。28d樣品結果未見明顯的大理石切割廢粉，說明大理石切割廢粉被水化產物包裹較好，整體結構較好，相同條件下，大理石切割廢粉對提高強度效果顯著。

圖5 不同齡期CMF1樣品SEM結果

圖6 不同齡期CMF2樣品SEM結果

3 結論

（1）不同種類大理石廢粉對膠砂流動度影響較大，隨取代率的增大流動度發生改善。相同摻量的條件下，大理石切割廢粉（MF2）相對于人造崗石廢粉（MF1）改善膠砂流動度效果明顯，但不同大理石廢粉取代水泥的膠砂流動性試驗結果均符合規范要求。

（2）不同大理石廢粉隨取代率的增大3d抗折強度、抗壓強度基本上先增大后減小。大理石切割廢粉取代率為5%時3d抗折強度和抗壓強度達到最大，相對于取代率0%分別提高了11%、18%。28d抗折強度、抗壓強度試驗結果隨取代率增加，基本呈下降趨勢。摻入一定量的大理石廢粉對早期強度有利，相同取代率大理石切割廢粉（MF2）的效果明顯優于人造崗石廢粉（MF1）。取代率5%大理石切割粉（MF2）的膠砂強度試驗結果，滿足規范42.5級水泥力學性能要求。

（3）不同大理石廢粉取代率與3d、28d抗折與抗壓強度的比值分別為0.21、0.185。得到抗折與抗壓強度的換算關系。由不同大理石廢粉SEM結果顯示，相同取代率條件下，大理石切割廢粉樣品微觀結構較人造崗石廢粉樣品較為致密，大理石切割廢粉被水化產物包裹較好。