利用南安廢棄大理石粉作為水泥混合材的研究

林松偉(福建省建筑材料工業(yè)科學(xué)研究所，福建 福州 350002)

素有“中國石材之鄉(xiāng)”稱號的福建泉州南安市作為國內(nèi)最大的大理石加工集散中心，每年因加工大理石材料而產(chǎn)生的廢棄大理石粉達200多萬噸。這些大理石粉因得不到有效的綜合利用，以致大量填埋，造成了土地的板結(jié)、硬化、地下水污染和資源的極大浪費[1]。

本研究的目的是利用大理石粉作為生產(chǎn)水泥的混合材，為大理石粉在水泥行業(yè)的大規(guī)模使用提供技術(shù)支撐。這對于我省從根本上解決南安石粉污染，保證當(dāng)?shù)厥臉I(yè)可持續(xù)發(fā)展，排放物資源循環(huán)利用具有十分重大的意義。

1 南安廢棄大理石粉的理化性質(zhì)

1.1 廢棄大理石粉的比表面積

大理石粉主要由切割大理石產(chǎn)生，其比表面積遠大于日常生產(chǎn)控制中水泥的比表面積。經(jīng)檢測，大理石粉的比表面積＞660m2/kg，屬于超細(xì)微粉。大理石粉比表面積情況詳見表1。

1.2 廢棄大理石粉的電鏡掃描,見圖1。

從廢棄大理石粉的電鏡掃描可以看出：廢棄大理石粉的團聚現(xiàn)象較為嚴(yán)重，這可能是由于大理石在加工時，為了更好的使大理石粉沉淀，加入的鹵化物絮凝劑使得大理石粉團聚[1]。

表1 大理石粉比表面積

圖1 廢棄大理石粉的電鏡掃描

1.3 廢棄大理石粉的化學(xué)成分分析

選取8個廢棄大理石粉樣品進行化學(xué)分析，其化學(xué)成分見表2。

根據(jù)以上大理石粉理化參數(shù)測定分析，可以得出：1)大理石粉比表面積高，為超細(xì)粉體；2)大理石粉因石材加工時加入鹵化物絮凝劑，大理石粉呈現(xiàn)較嚴(yán)重團聚現(xiàn)象；3)大理石粉主要成分為CaO，其CaO含量均＞50%，最高達55.38%，相當(dāng)于高品位天然石灰石中CaO含量。因此，大理石粉具備替代天然石灰石作為生產(chǎn)水泥混合材的潛能。

表2 大理石粉的化學(xué)成分

2.2.1 配制多品種硅酸鹽水泥所用原料的化學(xué)成分分析

配制多品種硅酸鹽水泥所用原料的化學(xué)分析數(shù)據(jù)見表3。

2.2.2 用不同比例大理石粉、石灰石分別作為混合材配制硅酸鹽水泥

用不同比例大理石粉作為混合材配制硅酸鹽水泥，其物理性能測定及MgO、SO3

表3 配制多品種硅酸鹽水泥所用原料的化學(xué)成分分析

2 南安廢棄大理石粉作為水泥混合材的試驗研究

2.1 研究依據(jù)

GB 175-2007《通用硅酸鹽水泥》；GB/T 21372-2008《硅酸鹽水泥熟料》；GB/T 1345-2005《水泥細(xì)度檢驗方法(篩析法)》；GB/T 8074-2008《水泥比表面積測定方法(勃氏法)》；GB/T 176-2008《水泥化學(xué)分析方法》；JC/T 600-2010《石灰石硅酸鹽水泥》；GB/T 1346- 2011《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時間、安定性檢驗方法》；GB/T 17671-1999《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》。

2.2 配制多品種硅酸鹽水泥的試驗數(shù)據(jù)及分析

化學(xué)分析結(jié)果見表4。

從表4可以看出：1、大理石粉作為生產(chǎn)水泥的混合材，表中序號1～4號試驗(即摻量在5%-12%之間)對水泥3天抗折、抗壓強度影響不大。但對28天抗折、抗壓強度影響比較明顯。隨著大理石粉摻量增加，28天抗折、抗壓強度逐漸下降。2、當(dāng)大理石粉摻量達到15%時(第6號試驗)，水泥3天、28天抗折、抗壓強度均明顯下降。3、大理石粉作水泥混合材對水泥其它主要性能指標(biāo)沒有影響。

用不同比例石灰石作為混合材配制硅酸鹽水泥，其物理性能測定及MgO、SO3化學(xué)分析結(jié)果見表5。

比較表4、表5可以看出：大理石粉作水泥混合材與天然石灰石作混合材對水泥強度的影響相一致。

表4 不同比例大理石粉作為混合材配制硅酸鹽水泥的物理性能和化學(xué)分析

表5 不同比例石灰石作為混合材配制硅酸鹽水泥的物理性能和化學(xué)分析

表6 42.5R復(fù)合硅酸鹽水泥指標(biāo)測定

2.2.3 四種硅酸鹽水泥配制情況

用熟料、脫硫石膏加上大理石粉等材料配制通用硅酸鹽水泥3個品種均獲得較滿意結(jié)果，水泥各項指標(biāo)經(jīng)國家水泥質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心檢驗均達到GB175-2007《通用硅酸鹽水泥》國家標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)要求[2]。所配制的3個品種通用硅酸鹽水泥分別為：42.5R復(fù)合硅酸鹽水泥、42.5Ⅱ型硅酸鹽水泥、42.5普通硅酸鹽水泥。用熟料、脫硫石膏加上大理石粉等材料配制的32.5石灰石硅酸鹽水泥，水泥各項指標(biāo)經(jīng)國家水泥質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心檢驗達到JC/T 600-2010《石灰石硅酸鹽水泥》標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)要求[3]。具體實測值詳見表6、表7、表8、表9。為改善大理石粉團聚現(xiàn)象，試驗中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02%的醇胺類表面活性劑，以利于大理石粉的分散、均化。

2.2.3.1 42.5R復(fù)合硅酸鹽水泥的配制

物料配比為：水泥熟料70.75%、大理石粉8%、礦渣粉16%、脫硫石膏5.25%。所配制的42.5R復(fù)合硅酸鹽水泥各項指標(biāo)要求與實測值見表6。

表6表明：用大理石粉8%、礦渣粉16%作為混合材配制的42.5R復(fù)合硅酸鹽水泥各項指標(biāo)均符合GB175-2007《通用硅酸鹽水泥》國家標(biāo)準(zhǔn)要求[2]。而且強度富裕很多。說明大理石粉與礦渣粉復(fù)合作為水泥混合材使用，有利于熟料強度的發(fā)揮。當(dāng)大理石粉摻量為8%、礦渣粉摻量為16%時，熟料強度發(fā)揮很好。所配制的42.5R復(fù)合硅酸鹽水泥其強度及各項指標(biāo)實際上達到52.5R復(fù)合硅酸鹽水泥標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2.3.2 42.5Ⅱ型硅酸鹽水泥的配制

物料配比為：水泥熟料89.75%、大理石粉5%、脫硫石膏5.25%。所配制的42.5Ⅱ型硅酸鹽水泥各項指標(biāo)要求與實測值見表7。

表7表明：用大理石粉5%作為混合材配制的42.5Ⅱ型硅酸鹽水泥各項指標(biāo)均符合GB175-2007《通用硅酸鹽水泥》國家標(biāo)準(zhǔn)要求[2]。

2.2.3.3 42.5普通硅酸鹽水泥的配制

物料配比為：水泥熟料81.75%、大理石粉8%、礦渣粉5%、脫硫石膏5.25%。所配制的42.5普通硅酸鹽水泥各項指標(biāo)要求與實測值見表8。

表8表明：用大理石粉8%、礦渣粉5%作為混合材配制的普通硅酸鹽水泥各項指標(biāo)符合GB175-2007《通用硅酸鹽水泥》國家標(biāo)準(zhǔn)要求[2]。比較表7、表8可知：配制的42.5普通硅酸鹽水泥比42.5Ⅱ型硅酸鹽水泥多摻3%大理石粉，同時42.5普通硅酸鹽水泥還摻有5%礦渣粉，而42.5Ⅱ型硅酸鹽水泥則不摻任何礦渣粉。但兩種水泥3天、28天強度基本持平。說明大理石粉與礦渣粉的復(fù)合使用作為水泥混合材，有利于熟料強度發(fā)揮。

2.2.3.4 32.5石灰石硅酸鹽水泥的配制

物料配比為：水泥熟料79.75%、大理石粉15%、脫硫石膏5.25%。所配制的32.5石灰石硅酸鹽水泥各項指標(biāo)要求與實測值見表9。

表9表明：用大理石粉15%作為混合材配制的32.5石灰石硅酸鹽水泥各項指標(biāo)均符合JC/T600-2010《石灰石硅酸鹽水泥》部頒標(biāo)準(zhǔn)要求[3]。

本試驗研究共用大理石粉配制4種硅酸鹽水泥，大理石粉在水泥中摻量分別為8%、5%、8%、15%，最少摻量5%，最高摻量15%，大理石粉含有鹵化物絮凝劑，但從表6至表9水泥指標(biāo)測定結(jié)果看，4種硅酸鹽水泥各項指標(biāo)均合格。說明大理石粉所含鹵化物絮凝劑在大理石粉摻量15%范圍內(nèi)，未對所配制水泥性能產(chǎn)生不良影響。

3 結(jié)語

表7 42.5II型硅酸鹽水泥指標(biāo)測定

表8 42.5普通硅酸鹽水泥指標(biāo)測定

表9 32.5石灰石硅酸鹽水泥指標(biāo)測定

1)大理石粉比表面積＞660m2/kg，為超細(xì)微粉。在水泥石中能起到很好的填充作用，這對改善水泥顆粒組成和施工性能具有積極意義。因此，大理石粉可替代石灰石作為水泥混合材使用。大理石粉作為混合材單摻的合理摻量在5%-12%之間。

2)大理石粉與礦渣粉復(fù)合使用，作為水泥生產(chǎn)中的混合材，有利于熟料強度發(fā)揮。當(dāng)大理石粉摻量為8%、礦渣粉摻量為16%時，熟料強度發(fā)揮很好。所配制的42.5R復(fù)合硅酸鹽水泥其強度及各項指標(biāo)實際上達到52.5R復(fù)合硅酸鹽水泥標(biāo)準(zhǔn)要求。

3)與天然石灰石相比，在實際生產(chǎn)過程中，大理石粉可以不必經(jīng)過破碎工序而直接進行給料、配料。這對于簡化生產(chǎn)工序、降低生產(chǎn)成本有積極作用。

4)大理石粉作為混合材，在15%摻量范圍內(nèi)，大理石粉中所含有的鹵化物絮凝劑對水泥性能沒有影響。

5)利用南安廢棄大理石粉作為混合材生產(chǎn)水泥既有效利用了廢棄大理石粉，同時又生產(chǎn)出具有與32.5復(fù)合硅酸鹽水泥同樣的性質(zhì)和用途的32.5強度等級石灰石硅酸鹽水泥，有較大的市場需求，具有良好的社會和經(jīng)濟效益[4]。

[1] 林松偉等.利用南安廢棄大理石粉生產(chǎn)通用硅酸鹽水泥研究報告[R].福州.福建省建筑材料工業(yè)科學(xué)研究所.2014.1-9.

[2] 顏碧蘭、江麗珍、肖忠明等.GB 175-2007 《通用硅酸鹽水泥》國家標(biāo)準(zhǔn)[S].中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局、中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會2007-11-09發(fā)布.1-4.

[3] 甘向晨、金福錦、趙婷婷等.JC/T 600-2010《石灰石硅酸鹽水泥》部頒標(biāo)準(zhǔn)[S].中華人民共和國工業(yè)和信息化部2010-11-22發(fā)布.1-3.

[4] 林松偉等.利用石材業(yè)廢棄石粉生產(chǎn)水泥的方法[P].中華人民共和國國家知識產(chǎn)權(quán)局發(fā)明專利公報.2014-1-19.（5）.949.