人造崗石產業廢粉混凝土抗折強度試驗研究

李桂山 張金團 王痛快 張帆 胡琴 蒙東林 莫錦平

(1.廣西賀州交通投資集團有限公司 廣西賀州 542899；2.賀州學院建筑工程學院 廣西賀州 542899;3.賀州市生態新城開發有限公司 廣西賀州 542899)

0 引言

廣西賀州市作為全國大理石主要產地之一，儲藏有豐富的大理石礦產，當地政府將大理石產業打造成地方千億元產業。隨著大理石產業的不斷發展，大理石開采量不斷增加，在開采、運輸、切割、打磨等過程產生大量的廢渣、廢粉、廢漿等固體廢棄物。有研究表明，一塊重15～20t的大理石巖塊，在開采、切割、打磨等處理過程中會損失70%[1]。從開采到加工成產品，產生大量的大理石產業粉體[2]，其中產生的大理石產業粉體會被繼續利用制造人造崗石，而人造崗石在生產加工中產生的含有非飽和樹脂的人造崗石產業廢粉利用途徑少、利用率很低，大量廢粉對環境產生了嚴重影響，阻礙了地方大理石產業發展。因此，將這些廢棄物重新利用起來，則將對環境污染和經濟損失產生積極效應[3- 4]。

近十年，逐漸有學者開始研究大理石粉在水泥基材料中的應用。王嘉杰[5]研究發現，摻加適量大理石粉(8%～10%)可提高水泥漿體力學性能；Corinaldesi[6]研究了大理石粉在砂漿和混凝土中的應用；Munir等[7]用大理石粉替代混凝土中的水泥開展研究，發現替代量為10%時，可以增加混凝土強度；肖佳等[8]研究了大理石粉對水泥基膠凝材料流動性、強度和干縮的影響，研究發現水泥膠砂強度隨大理石粉摻量增加先增大后減少，摻量為5%其抗折和抗壓強度最大。雖然，大理石粉在混凝土中應用研究取得了一定的成果，但對于含有非飽和樹脂的人造崗石廢粉在混凝土中的應用研究較少。基此，本研究利用廣西利升石業有限公司產生的人造崗石廢粉，設計了6組試驗，研究廢粉摻量對混凝土抗折強度的影響，為人造崗石產業廢粉在混凝土中的應用提供參考依據。

1 試驗概況

1.1 原材料

本試驗水泥，選用華潤富川水泥廠生產的潤豐(旋窯)P·O42.5級水泥，記為P，化學組成成分(表1)，水泥物理力學性能指標(表2)；粉體采用廣西利升石業有限公司產生的人造崗石產業廢粉，記為MF，人造崗石廢粉化學成分(表3)，粒徑分布特征及基本性能(表4)，樣品如圖1所示；砂采用廣西梧州市天然河沙，粗骨料采用連續級配的天然碎石骨料，最大顆粒粒徑為25mm；試驗用水采用賀州市自來水。

圖1 人造崗石產業廢粉

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 人造崗石產業廢粉化學組成成分 %

表4 人造崗石產業廢粉粒徑分布特征及基本性能

1.2 試驗配合比

試驗以人造崗石產業廢粉替代水泥摻量0%、5%、10%、15%、20%、25%為變量，共設計6組試驗。混凝土以摻量0%為基準配合比，配制強度為C30，對于其它不同人造崗石產業廢粉摻量的混凝土配合比，在基準配合比基礎上保持砂、石子、水的量不變，膠凝材料總質量保持不變，改變水泥及廢粉質量，各組混凝土配合比如表5所示。

表5 混凝土配合比

1.3 試件制作

試件按照《普通混凝土力學性能試驗方法》(GB/T50081-2002)規范要求制作150mm×150mm×550mm的標準試件[9]，首先按配合比計算材料用量，考慮人造崗石產業廢粉顆粒細小而極易團聚，并且其吸水性能較強、吸水后更易團聚。為使廢粉在混凝土中分散均勻，首先將廢粉與水泥攪拌約0.5min，然后加水攪拌0.5～1min，最后加入粗、細骨料攪拌約2min，攪拌完后得到混凝土拌合物，裝模、成型、養護。試件制作流程如圖2所示。

圖2 試件制作流程

1.4 試驗方法

(1)抗折強度試驗

按照《普通混凝土力學性能實驗方法》(GB/T 50081-2002)規范要求[9]，試塊尺寸為150mm×150mm×550mm棱柱體，在試件跨度三分點處同時加載，加載方式如圖3所示。加載過程保持均勻、連續，加荷速度為0.02～0.05MPa/s。當試件接近破壞時，記錄破壞荷載。當試件下邊緣斷裂位置處于兩個集中荷載作用線之間時，試件的抗折強度ft按規范計算公式(1)計算：

(1)

式中：ft——混凝土抗折強度(MPa)；

F——試件破壞荷載(N)；

L——支座間跨度(mm)；

b——試件截面寬度(mm)；

h——試件截面高度(mm)。

試驗計算混凝土的抗折強度值精確至0.1MPa。抗壓強度為抗折強度斷后的兩塊在兩個側面加上寬為150mm鋼板按標準試驗方法加載進行抗壓試驗所得的試驗結果。

圖3 加載方式

2 試驗結果與討論

2.1 抗折強度試驗結果分析

試驗按照混凝土的配合比，每組制作3個試件，共18個試件開展抗折試驗，并根據試驗實測值按式(1)計算得到的28d抗折強度值如表6所示。表6中抗折強度數據均代表3個試件的平均值。圖4為不同摻量廢粉與抗折強度之間的變化關系。

圖4 廢粉摻量與抗折強度之間的變化關系

表6 試驗抗折強度

由圖3、表5數據分析可知：

(1)不同摻量人造大理石產業廢粉混凝土抗折強度最低值為3.8MPa，最高值為5.87MPa，均值為4.94MPa；

(2)當摻量為5%時，人造崗石產業廢粉混凝土抗折強度達到最大，與摻量為0%的混凝土抗折強度相比提高了9%；

(3)隨著廢粉摻量的不斷增大，混凝土抗折強度先增大后減少。當摻量≥10%時，與摻量為0%的混凝土抗折強度相比，人造崗石產業廢粉混凝土抗折強度均低。

2.2 回歸分析

根據混凝土抗折強度試驗數據進行回歸計算分析，得到回歸方程見式(2)：

y=5.4567+0.0874x-0.0114x2+0.002x3

(2)

式中：y——混凝土抗折強度，MPa；

x——人造崗石產業廢粉摻量，%。

不同摻量人造崗石產業廢粉混凝土抗折強度實測值擬合曲線如圖5所示，相關系數R=0.97，擬合精度較高，可用于人造崗石產業廢粉混凝土抗折強度與摻量分析及預測。

圖5 抗折強度擬合曲線

2.3 抗折強度與抗壓強度對比分析

根據試驗同組相同混凝土配合比實測抗折強度與抗壓強度對比分析，不同摻量人造崗石產業廢粉混凝土抗折強度與抗壓強度如表7所示。表7中抗壓強度為抗折試驗后的兩塊在兩個側面加上寬為150mm鋼板按標準試驗方法加載進行抗壓試驗所得的抗壓強度試驗結果。

表7 抗折強度與抗壓強度比值

根據不同摻量人造崗石產業廢粉混凝土抗折強度與抗壓強度比值隨摻量的變化如圖6所示。

圖6 摻量與ft,k/fcu,k之間關系

由表7、圖6分析可知：

(1)不同摻量人造崗石產業廢粉混凝土抗折強度與抗壓強度比值約為0.2，均值μ=0.2。隨著廢粉摻量的增加，ft,k/fcu,k比值基本保持不變。

(2)不同摻量人造崗石產業廢粉混凝土抗折強度與抗壓強度之間的換算關系詳見式(3)。

ft,k=0.2fcu,k

(3)

3 結論

通過摻入不同摻量的人造崗石產業廢粉混凝土抗折試驗，根據試驗研究結果得到以下結論：

(1)隨著摻量的增加，人造崗石產業廢粉混凝土抗折強度先增加后減少，大理石廢粉摻量為5%時，抗折強度值達到最大5.87MPa，與摻量為0%混凝土抗折強度相比提高了9%。

(2)根據試驗數據擬合了人造崗石廢粉混凝土抗折強度與摻量之間的函數方程，相關系數R=0.97擬合精度較高，可用于人造崗石產業廢粉混凝土抗折強度與摻量關系的分析及預測。

(3)不同摻量人造崗石產業廢粉混凝土抗折強度與抗壓強度比值約為0.2，均值μ=0.2，得到了抗折強度與抗壓強度之間的換算關系。