人造崗石廢棄石粉對混凝土性能影響研究

許勝才 沈家喜 張懷陽 黃智華 蔣鳳強

摘 要：人造崗石廢棄石粉大量排放對環境造成了污染，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到廢物利用的目的。通過取代混凝土中水泥、機制砂或礦粉的形式摻入廢棄石粉，分析其對混凝土工作性能和力學性能的影響。結果表明，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造成混凝土工作性能下降，抗壓強度減小。廢棄石粉取代礦粉會弱化礦粉對混凝土強度帶來的增長作用。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，也具有較高的經濟價值。

關鍵詞：人造崗石；廢棄石粉；混凝土；機制砂；礦粉

中圖分類號：TU528 文獻標志碼：A 文章編號：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成分的大理石是一種重要的工業材料，特別是在人造崗石行業中得到了大量的應用，然而，碳酸鈣產業不斷發展的同時，碳酸鈣固體廢棄物污染的問題也日益突出，嚴重影響社會的環保問題[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，還會污染土壤和水源，廢棄的干石粉還會隨風飛揚，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。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。可見，將碳酸鈣固體廢棄物變廢為寶，運用到實際生產中，將可能成為一種優質的建材資源。目前將廢棄石粉作為混凝土的外摻料的研究較少，大多是關于石灰石粉或大理石粉在混凝土中的應用研究，主要從石粉對混凝土的工作性能、力學性能和耐久性三個方面進行試驗和分析。一般認為石粉的摻入能增加混凝土的流動性和保水性，降低離析泌水等現象，但摻入量過大將明顯帶來負面效果[2-5]。在力學性能上，石粉的加入可以提高早期強度，加速水化，也因其能補充細骨料缺少的微細粒徑級配，使混凝土更加密實，但也存在一個最優量的設計問題[6-7]。在耐久性的研究上，石粉對混凝土的影響主要體現在干縮性能的影響[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材料，從而對廢棄石粉用于混凝土的生產帶來了一些挑戰，許多問題還需要經過深入研究并加以解決，但目前還缺少相關研究。因此，本文將人造崗石廢棄石粉對混凝土工作性能和力學性能的影響加以分析，從而為大規模地對人造崗石廢棄石粉進行資源化利用提供一定的理論支撐。

1 試驗內容

1.1 試驗材料

本試驗中所配制的混凝土為機制砂混凝土，所需建筑材料主要有水泥、石粉、石子，機制砂，礦粉。其中水泥采用賀州華潤P.O52.5級水泥。碎石取自廣廈混凝土公司，粒徑范圍為5～31.5 mm，為連續級配的石灰巖碎石。試驗采用的機制砂為廣廈混凝土公司生產的機制砂，其主要成分為石灰巖和砂巖，經過處理篩分的機制砂細度模數3.2，通過風吸法除粉后，控制石粉含量5.0%左右。礦粉為賀州華潤有限公司生產的S95級礦粉，用于和石粉復摻反映石粉的復摻效果。外加劑采用聚羧酸高性能減水劑，液態，對膠凝材料摻量為1%。廢棄粉體取自廣西賀州利升石業有限公司，為白色粉末狀，吸水性強，經檢測其成分如表1所示，其顆粒激光粒度分布如圖1所示。可見石粉的級配連續，平均粒徑D50在10μm左右，為細微粉。

1.2 試驗方案

在摻入固體廢棄物石粉的混凝土中，石粉摻量是一個很重要的指標，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很多，但工作性能和力學性能是最直觀和最顯著的兩種，所以此次試驗研究的目的，就是利用廢棄石粉取代水泥和細骨料來改善混凝土的性能，因此以廢棄石粉替代水泥、細骨料和礦粉的形式進行摻合。方案內容如下。

（1）以C30強度等級的混凝土為研究對象，選定對應強度等級混凝土的配合比，僅改變廢棄石粉對水泥的替代率。見表2。

（2）以C30強度等級的混凝土為研究對象，選定對應強度等級混凝土的配合比，僅改變廢棄石粉對機制砂的替代率。見表3。

（3）以C30強度等級的混凝土為研究對象，根據已有試驗礦粉配比，改變廢棄石粉對礦粉的替代率，研究廢棄石粉和礦粉共同作用下對混凝土強度和工作性能的影響。見表4。

1.3 試驗方法

按《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》（GB/T50080-2002）規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《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T50081-2002）測試成型試件在標準養護條件下養護7d、28d和56d的抗壓強度，以反映廢棄石粉摻入混凝土后的力學性能。

2 結果分析與討論

2.1 廢棄石粉對混凝土工作性能的影響

廢棄石粉對混凝土工作性能的影響試驗結果匯總如表5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，還有其它輕質雜質，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。當用石粉取代機制砂時，取代率為5%時，坍落度相比沒有取代石粉時要提高一些，而離析情況得到改善，如圖2所示。廢棄石粉取代機制砂，其在混凝土中以惰性微粉顆粒的形式存在，相當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于滾珠作用，當其在一定范圍內替代天然砂時能夠增加混凝土的流動性，同時石粉對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，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，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，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。但因為廢棄石粉是機械鋸解而成，其顆粒表面粗糙、棱角突出，因此當廢棄石粉替代率較大時，會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集料的總比表面積，從而增加混凝土單位立方米需水量，導致混凝土的工作性能下降。

表5 廢棄石粉對混凝土工作性能的影響

2.2 廢棄石粉對混凝土力學性能的影響

試驗結果見圖3～圖5所示。由圖3可以顯示出，廢棄石粉取代水泥時，廢棄石粉含量小于10%對早期混凝土抗壓強度有一定的提高作用，而后隨著石粉的增加抗壓強度隨之降低。廢棄石粉對28d和56d齡期抗壓強度也有提高作用，但最優取代率值偏小，在5%左右，從廢棄石粉的摻入總量來說也不會很大。圖4所示為廢棄石粉取代機制砂時混凝土的抗壓強度變化規律，可見石粉取代率低于5%時，對于7d強度來說將有利于強度增加，而對于28d和56d齡期抗壓強度來說稍有下降，但變化不大。隨后隨著廢棄石粉含量增加，強度下降明顯。可見按5%取代機制砂并不會對強度造成損失，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果，可見雖然廢棄石粉能改善拌和物的工作性能，但對強度的增長作用卻不及礦粉。從變化曲線還可以看出隨著廢棄石粉取代率的增加，抗壓強度先減后增，主要是因為廢棄石粉對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，提高了混凝土強度。

從廢棄石粉取代三種材料得到的混凝土抗壓強度變化規律可看出，在石粉取代量較少時能提高混凝土強度，原因可概括為三個。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部的孔隙，提高混凝土內部密實度，從而提高了混凝土抗壓強度；二是廢棄石粉中的大理石晶體具有晶核效應，它可以與水泥中的C3A和C4AF在水化的過程中發生反應生成水化碳鋁酸鈣，并與其它水化產物相互搭接，使水泥石結構更加密實，從而提高混凝土強度[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，界面結構連接緊密，從而提高了混凝土的強度。而當廢棄石粉含量超過一定范圍時，對于取代水泥必然會造成摻與水化反應的水泥量越少，形成的結構網絡越稀疏，造成混凝土強度下降。對于取代砂時，過量的廢棄石粉分散在水泥石當中或水泥石與骨料的界面過渡區，減弱了水泥石骨架作用，導致混凝土強度的降低。且廢棄石粉的殘余雜質造成石粉顆粒內部微裂紋較多、連接較弱，進一步加劇了混凝土強度的弱化。礦粉的細度和水化能力都較好，能顯著促進混凝土強度的增加，廢棄石粉的摻入只會弱化礦粉對混凝土強度帶來的增長作用，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度。而用于取代礦粉配制高強混凝土時是不利的，可以從工作性能改善上適當加入廢棄石粉。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性能，僅從廢物利用來說都具有較高的經濟價值，所以在機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 結論

（1）廢棄石粉以取代水泥、機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取代率。不管以何種方式取代，過量的廢棄石粉摻入會降低混凝土的工作性能。

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

（3）本次試驗配制混凝土，廢棄石粉取代水泥最優取代率在5%～10%之間，取代機制砂的最優取代率為5%左右，使混凝土的工作性能和力學性能都達到最佳狀態，實際使用時應通過試驗確定。廢棄石粉取代礦粉在工作性能上可以得到改善，但力學性能上反而降低。

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

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