基于均勻設計試驗法石材廢粉再利用研究

田建冬，陸隆源

(1.桂林理工大學土木與建筑工程學院，桂林 541004；2.蘇州工業職業技術學院，蘇州 215104)

0 引 言

廣西壯族自治區賀州市是全國重要的石材產地之一，全市已探明的礦產資源高達60多種[1]。大量石材開采、加工每年新生產約50萬t廢石(土)，這些石材廢料大多被堆置于野外，對當地水土資源造成嚴重污染[2]。針對此問題，賀州市政府于2019年提出“礦山開采—天然石材—重鈣粉體—生態巖石—涂料、塑料—廢漿廢渣再利用”的發展戰略[3]，開發利用這些廢料能產生極大的經濟效益，并能從根本上解決當地的石材廢料污染問題。

水泥纖維壓力板(fiber cement board， FCB)以水泥為膠凝材料，礦物摻合物或其他纖維為增強材料，經混合攪拌、成型、養護等工序后制成的一種建筑材料，因其具有強度高、耐候性好等優點，是市場上使用較多的墻板材料之一[4-8]。水泥和天然石英砂是生產水泥纖維壓力板的兩大主要原材料，近年來隨著國家環保政策的推進，水泥和天然石英砂產量逐年下降，價格不斷上漲，將工業廢料及石材邊角料部分取代水泥和石英砂制備水泥纖維壓力板，具有極高的經濟效益[9-11]。郭秋生等[12]利用鉬尾礦替代石英砂制備水泥纖維壓力板，當鉬尾礦的質量替代率達20%時，抗折強度達到最高；曹永丹等[13]利用硅鈣渣、粉煤灰、脫硫石膏完全替代石英砂和部分替代水泥，制備出符合國家強度等級Ⅱ級要求的水泥纖維壓力板；夏惠鳳[14]研究發現，當硅藻土等質量替代50%石英砂時，可制備出低密度水泥纖維壓力板；Wang等[15]以粉煤灰為原材料制備水泥纖維壓力板，在最佳的壓縮應力、礦漿纖維含量和水泥含量的條件下，水泥纖維壓力板的抗折強度可達到10.55 MPa，導熱系數達到0.242 4 W·m-1·K-1；此外還有學者采用硅鐵尾礦[16]、生物底灰[17]、秸稈灰[18]、造紙污泥[19]等廢棄物制備水泥纖維壓力板。

目前尚未發現采用花崗巖廢粉和大理石廢粉制備水泥纖維壓力板的報道，本文嘗試以硅酸鹽水泥、石英砂為主要原材料，添加適量的花崗巖廢粉、大理石廢粉、粉煤灰和木漿纖維，制備水泥纖維壓力板，并對試驗結果進行回歸分析，得到材料最佳配合比，可為石材廢料再利用研究提供理論參考。

1 實 驗

1.1 原材料

膠凝材料為水泥和粉煤灰，水泥為華潤水泥(賀州)有限公司提供的P·Ⅱ 42.5R型硅酸鹽水泥，粉煤灰為賀州市電廠提供的II級粉煤灰，比表面積1 560 cm2/g；活性填充料選用賀州市金森石英砂有限公司生產的石英砂，200目(0.075 mm)方孔篩篩余6%；石材廢粉由賀州市當地石材加工廠提供，廢粉為切割石材產生的廢料，經添加少量聚丙烯胺后沉淀、烘干形成。原材料的主要化學成分見表1。纖維選用賀州砂漿纖維有限公司提供的桉木質木漿纖維，長度為1～3 mm。

表1 原材料的主要化學成分Table 1 Main chemical composition of raw materials

1.2 試驗設計

本文采用試驗統計設計中的均勻設計，也稱為空間填充設計，這種方法由方開泰在1978年提出[20]。作為“Pseudo-Monte Carlo method”的一種應用，此方法側重于測試領域中數據點的一致性，僅考慮在各測試點中均勻分布的測試點及測試范圍，以最少的試驗次數獲得最多的信息，利用回歸分析得出的模型，既可進行影響因素的重要性分析及新條件試驗的結果估算，還可進行結果預報和參數優化。

各試驗因素對應的試驗水平，詳見表2。本試驗方案考慮6個試驗因素，即x1(硅酸鹽水泥用量)、x2(石英砂用量)、x3(粉煤灰用量)、x4(花崗巖廢粉用量)、x5(大理石廢粉用量)和x6(木漿纖維用量)，每個因素設置5個試驗水平，共計20組組合方案，詳見表3。

表2 各試驗因素對應的試驗水平Table 2 Test level corresponding to each test factor

表3 均勻設計試驗方案Table 3 Uniform design test scheme

1.3 試樣制備

經過試驗人員反復的試驗研究，探索出了輕質高強水泥纖維壓力板的制備工藝流程，如下[21-22]：

(1)按試驗設計配合比分別稱量各原材料；

(2)將稱重后的原材料放入球磨機中干磨，得到混合干料；

(3)將混合干料加入高速攪拌機中，按照0.25的水灰比加水，以600 r/min 的攪拌速率混合30 min后取出，得到混合漿料；

(4)混合漿料澆筑到鋼模具中用液壓成型機加壓成型，成型壓力為5 MPa，成型后緩慢卸壓，得到胚體；

(5)胚體靜置3 h后脫模，并將其放入蒸壓釜中進行蒸壓養護，壓力為1 MPa，溫度為180 ℃；

(6)胚體蒸壓養護12 h后取出，經24 h烘干處理后進行相關性能測試。

1.4 工程性能測試

(1)抗折強度

抗折強度測試參照標準GB/T 7019—2014《纖維水泥制品試驗方法》進行，各組配合比鑄造6個尺寸為250 mm×250 mm×10 mm的長方體試件，采用上海標卓科學儀器有限公司生產的YDW-20B型平板抗折試驗機，加載桿作用于試樣中心線處。

(2)抗沖擊強度

抗沖擊強度測試參照標準GB/T 7019—2014《纖維水泥制品試驗方法》進行，各組配合比鑄造6個尺寸為120 mm×15 mm×10 mm的長方體試件，采用中國科盛設備有限公司生產的JBW-Z型擺錘沖擊試驗機，擺錘檔位為1J檔。

(3)導熱系數

導熱系數測試參照標準GB/T 10294—2008《絕熱材料穩態熱阻及有關特性的測定》進行，試件尺寸為300 mm×300 mm×30 mm，采用武漢市盛科技術發展有限公司產的SK-DR300B+平板導熱儀進行測試。

1.5 晶體成分與微觀結構表征

試樣的晶體成分表征采用Ultima IVTM型X射線衍射儀(XRD)，掃描范圍為10°～80°，掃描速度為2(°)/min。試樣的微觀結構表征采用JSM-7610(日本)熱場發射掃描電子顯微鏡(SEM)，掃描前需將試樣放入離子濺射儀中噴射一層導電層，加載電壓為15 kV。

2 結果與討論

2.1 工程性能

各組試樣的抗折強度、抗沖擊強度及導熱系數的測試結果詳見表4。試樣的抗折強度在13.20 MPa到14.62 MPa之間，抗沖擊強度從6.67 kJ·m-2至7.74 kJ·m-2不等，并且導熱系數在0.310 W·m-1·K-1至0.371 W·m-1·K-1之間。

表4 試樣性能測試結果Table 4 Sample performances test results

各組試樣中，第20號試樣組(配合比為m(水泥) ∶m(石英砂) ∶m(粉煤灰) ∶m(花崗巖廢粉) ∶m(大理石廢粉) ∶m(木漿纖維)=1 ∶1 ∶0.867 ∶0.333 ∶0.333 ∶0.003)表現出最高的抗折強度及抗沖擊強度，但其導熱系數卻為最高值。第6號試樣組(配合比為m(水泥) ∶m(石英砂) ∶m(粉煤灰) ∶m(花崗巖廢粉) ∶m(大理石廢粉) ∶m(木漿纖維)=1 ∶0.917 ∶1.250 ∶0.625 ∶0.417 ∶0.013)表現出最低的導熱系數，并且抗折強度及抗沖擊強度達到了各試樣組的平均值，代表了各組試樣中的最優配合比。第9號試樣組(配合比為m(水泥) ∶m(石英砂) ∶m(粉煤灰) ∶m(花崗巖廢粉) ∶m(大理石廢粉) ∶m(木漿纖維)=1 ∶1.077 ∶0.923 ∶0.385 ∶0.769 ∶0.004)表現出中等的導熱系數，但其抗折強度與抗沖擊強度均為最低值，代表了各組試樣中的最差配合比。

通過對試驗數據進行回歸分析，建立6種材料的混合設計參數與抗折強度(y1)、抗沖擊強度(y2)及導熱系數(y3)的3個預測方程：

(1)

(2)

y3=0.391+0.002x1-0.002x3-0.001x4-0.002x5-0.002x4x6

(3)

預測值與實驗值之間具有較高的相關性系數(R2)，關于抗折強度、抗沖擊強度及導熱系數預測方程的R2值分別為0.989、0.966與0.971，表示預測值與實驗值之間的吻合度較好，并且3個預測方程的置信度(F)均小于0.05，代表建立的預測方程可用于揭示各變量x對目標值的影響性及影響程度。通過預測方程可以得出：水泥纖維壓力板抗折強度主要取決于水泥、粉煤灰、花崗巖廢粉和大理石廢粉用量；抗沖擊強度主要取決于水泥、石英砂、花崗巖廢粉和大理石廢粉用量；而導熱系數主要取決于水泥、粉煤灰、花崗巖廢粉、大理石廢粉和木漿纖維用量。其中花崗巖廢粉與大理石廢粉用量的增加可降低試樣的導熱系數，提高水泥纖維壓力板的保溫隔熱性能。

2.2 廢粉用量對力學性能的影響

花崗巖廢粉和大理石廢粉用量對水泥纖維壓力板抗折強度和抗沖擊強度的影響包括兩方面：一方面是花崗巖廢粉與大理石廢粉共同作用；另一方面是花崗巖廢粉與大理石廢粉單獨作用。

現以第6號試樣組的配合比為基礎，固定水泥、石英砂、粉煤灰及木漿纖維的試驗水平，并繪制關于抗折強度和抗沖擊強度的三維等高線圖,詳見圖1、圖2。通過三維等高線圖不難發現，在兩種廢粉的共同作用影響下，水泥纖維壓力板的抗折強度預測值為12.35～14.37 MPa，抗沖擊強度預測值為6.885～7.840 kJ·m-2，且在X和Y值較小時，Z值呈上升趨勢，當X和Y值超過某一數值后，Z值便呈下降趨勢。說明花崗巖廢粉和大理石廢粉用量同時增加時，在一定范圍內可提高試樣的抗折強度和抗沖擊強度，但當其用量超過一定的數值時抗折強度和抗沖擊強度有下降趨勢。

圖1 花崗巖廢粉和大理石廢粉共同作用下抗折強度變化趨勢圖(24 kg水泥、22 kg石英砂、30 kg粉煤灰和0.3 kg木漿纖維)Fig.1 Change trend of flexural strength under the combined action of waste granite powder and marble waste powder(24 kg cement, 22 kg quartz sand, 30 kg fly ash and 0.3 kg wood pulp fiber)

圖2 花崗巖廢粉和大理石廢粉共同作用下抗沖擊強度的變化趨勢圖(24 kg水泥、22 kg石英砂、30 kg粉煤灰和0.3 kg木漿纖維)Fig.2 Change trend of impact strength under the combined action of granite waste powder and marble waste powder(24 kg cement, 22 kg quartz sand, 30 kg fly ash and 0.3 kg wood pulp fiber)

以第6號試樣組的配合比為基礎，固定花崗巖廢粉和大理石廢粉外其他各因素的試驗水平，分別改變花崗巖廢粉和大理石廢粉摻量(0～30 kg)，并按1.4節試驗方法進行抗折強度及抗沖擊強度測試，結果見圖3和圖4。由圖3可知，當花崗巖廢粉用量小于等于5 kg時，試樣的抗折強度和抗沖擊強度得到一定提升，用量大于5 kg時，試樣抗折強度和抗沖擊強度呈下降趨勢，且超過20 kg時，下降趨勢很明顯；由圖4可知，當大理石廢粉用量小于等于5 kg時，試樣的抗折強度和抗沖擊強度有所提升，用量大于5 kg時，試樣抗折強度和抗沖擊強度呈下降趨勢，且超過15 kg時，下降趨勢很明顯。說明少量添加花崗巖廢粉及大理石廢粉時，可提升水泥纖維壓力板的抗折強度和抗沖擊強度，但添加量過大時，則降低水泥纖維壓力板的抗折強度和抗沖擊強度。最后通過對比發現，大理石廢粉用量對試樣抗折強度和抗沖擊強度的影響與花崗巖廢粉相比更顯著。

圖3 花崗巖廢粉用量對試樣抗折強度和抗沖擊強度影響(24 kg水泥、22 kg石英砂、30 kg粉煤灰、10 kg大理石廢粉和0.3 kg木漿纖維)Fig.3 Influence of the amount of granite waste powder on the flexural strength and impact strength of samples(24 kg cement, 22 kg quartz sand, 30 kg fly ash, 10 kg marble waste powder and 0.3 kg wood pulp fiber)

圖4 大理石廢粉用量對試樣抗折強度和抗沖擊強度影響(24 kg水泥、22 kg石英砂、30 kg粉煤灰、15 kg花崗巖廢粉和0.3 kg木漿纖維)Fig.4 Influence of the amount of marble waste powder on the flexural strength and impact strength of samples(24 kg cement, 22 kg quartz sand, 30 kg fly ash, 15 kg granite waste powder and 0.3 kg wood pulp fiber)

2.3 不同試樣性能對比分析

為了研究添加石材廢粉后對試樣的物理性能、水化產物與微觀結構的影響，以最優組合方案6為基準，制備不含廢粉的試樣組(用*表示)，兩組試樣的物理、力學性能對比見表5。對兩組試樣進行X射線衍射分析，獲得的XRD譜見圖5；使用掃描電子顯微鏡表征兩組試樣斷面的微觀結構，獲得的SEM照片見圖6。

表5 組合方案6和組合方案*試樣性能對比表Table 5 Performance comparison of samples of combination plan 6 and combination plan *

從表5中不難發現，組合方案*和最優組合方案6對應試樣抗折強度和抗沖擊強度幾乎無差異，并且組合方案6試樣密度更高，吸水率、濕脹率、導熱系數更低。證明適量添加花崗巖廢粉和大理石廢粉對水泥纖維壓力板的力學性能影響較小，且有利于提高板的各項耐久性能。

圖5(a)和圖5(b)分別反映了組合方案*和最優組合方案6對應試件的XRD結果，兩方案對應試件的主要晶相有石英、方解石、氫氧化鈣、鈣礬石、水化硅酸鈣和托貝莫來石，證明花崗巖廢粉與大理石廢粉的加入，不會對蒸壓養護條件下水泥基材的水化產物種類產生影響。與方案*相比，方案6試樣中石英、氫氧化鈣、鈣礬石、水化硅酸鈣和托貝莫來石的特征峰都有所降低，方解石特征峰得到提升，并且出現鈉長石與鉀長石特征峰。這是由于廢粉外摻量增加，膠凝材料用量減小，使鈣礬石、水化硅酸鈣和托貝莫來石含量減少[23-24]；少量花崗巖廢粉中的活性Al2O3和SiO2與氫氧化鈣產生水化反應，使氫氧化鈣含量減小，而大多數未參與水化反應的廢粉顆粒(主要成分為方解石、鈉長石和鉀長石)作為細骨料存在[25-26]。

通過對兩組合方案SEM照片(見圖6(a)、圖6(b))進行對比分析，可發現組合方案*試樣中有較多發育良好的針狀與細柱狀鈣礬石及其他水化晶體，并且各水化晶體表面及空隙間的水化硅酸鈣凝膠體成規則的網絮狀，各晶體間的膠結較為緊密。組合方案6與組合方案*相比，其內部致密，這是由于廢粉顆粒級配良好，起到了骨料填充作用[26]，可有效提高試樣的保溫隔熱性能。組合方案6試樣的水化硅酸鈣雖呈網絮狀，但其發育程度相對完整，證明摻入適量的花崗巖廢粉和大理石廢粉，對試件內部晶體的發育未產生顯著影響。

圖5 組合方案*和組合方案6試樣XRD譜Fig.5 XRD patterns of samples of combination plan * and combination plan 6

圖6 組合方案*和組合方案6試樣斷面處SEM照片Fig.6 SEM images of samples section of combination plan * and combination plan 6

3 結 論

(1)采用均勻設計試驗法對水泥纖維壓力板各原材料進行試驗選優，得到最優配合比為，m(水泥) ∶m(石英砂) ∶m(粉煤灰) ∶m(花崗巖廢粉) ∶m(大理石廢粉) ∶m(木漿纖維)=1 ∶0.917 ∶1.250 ∶0.625 ∶0.417 ∶0.013，為新產品制備試驗研究提供了一種新方法。

(2)結合均勻設計試驗法與回歸分析法，得到3個預測方程，并結合實際試驗，證明了添加花崗巖廢粉和大理石廢粉可降低水泥纖維壓力板的導熱系數，提高保溫性能，并且添加適量的花崗巖廢粉和大理石廢粉可提高板的抗折強度和抗沖擊強度。

(3)通過對比試驗，證明了加入適量花崗巖廢粉和大理石廢粉可提高水泥纖維壓力板的密度并降低吸水率，并且在蒸壓養護條件下對水泥基材水化反應的影響較小，為后續廢棄石料再利用提供了依據。