人造石材切割廢屑在水泥及混凝土中的應用技術研究

林啟揚 林彬濤 吳暉凡 余軼凡 張瑞華 張 敏＊

（華南農業大學水利與土木工程學院，廣東 廣州 510642）

我國經濟正保持著穩定的高速增長，城市化建設正處于持續性發展的階段。隨著我國建設水平逐步提高，天然石材及人造石的需求量不斷增加，因此也產生了大量建筑廢棄物。建筑廢料處理成本較高，同時存在占用場地、污染環境等問題。綠色、節能、環保是中國新式建筑發展的重要指標和要求，因此，如何有效回收利用人造石拋光廢料等建筑廢料是亟待解決的重要問題。

目前，國內外較多學者在建筑廢料回收利用方面已經取得了一些成就，像是大理石廢料替換碎石灰石可以配制自密實混凝土[1]、利用石材廢料可以生產聚酯型人造大理石[2]、利用石材廢料制作仿石涂料、仿石雕塑、人造石材等[3]。Singh 等[4-6]認為摻入花崗巖廢料可以提高混凝土的抗壓強度、抗彎強度等性能。在更早期的研究工作中，張敖榮等研究工作表明，廢料代替部分礦渣和石膏，可以磨制水泥[7]。花崗巖板材加工廢料的綜合利用也具有實現可能性[8]。但是，從總體上來說，綜合利用石材加工廢料的研究和在工業上的應用還不夠廣泛，僅集中在低附加值的建材領域。

本文以云浮地區石屑廢料為研究對象，分析該廢屑材料的組成成分及特性，提出石屑廢料在水泥砂漿和水泥混凝土中的回收利用，通過配比設計和力學實驗測試，研究了不同廢屑摻量對最終混合物性能的影響規律，實現了石材廢料的資源化和效益化綜合利用。

1 實驗材料及試件制備

1.1 原材料

本文實驗采用的材料包括：石井牌P.C 復合C32.5R 硅酸鹽水泥，自來水，天然河砂，碎石以及人造石材廢屑。

1.2 石材廢料分析

將人造石材切割廢屑進行破碎研磨后進行成分測試發現其主要成分為氧化鈣、碳酸鈣與有機樹脂。

1.2.1 含水量測試

將研磨好的廢屑粉料取五組均為50g 的試樣（誤差0.01g之內），倒入蒸發皿中，放入烘干箱中，在105℃溫度下進行烘干，24 小時后取出放在干燥器內冷卻至室溫后稱重。

數據結果表明（表1），樣品經過烘干后總質量減少明顯，5組樣品的原含水量均大于混凝土摻和物容許含水量（即1%）。因此，為滿足規范標準[9-10]，降低對混凝土拌合物的影響，使用人造石材廢屑前進行其烘干，保證含水量降至0.5%以內。

表1 含水量測試結果

1.2.2 細度測試

將烘干后的人造石材廢屑粉料取樣100g，倒入45μm 方孔篩篩網并放置在篩析儀器上進行篩析，篩析3min 后將篩網顆粒刷開，再度進行篩析，1min 后，收集篩余物并稱量，與篩析前的質量進行對比，結果如表2 所示。

表2 廢屑研磨粉料細度篩析值

多次篩析試驗的結果表明，研磨后的人造石材切割廢屑在經過45μm 方孔篩篩析后平均篩余量為25.79%，平均通過率為74.21%，達到二級粉煤灰細度標準，說明該廢屑的研磨粉料粒徑符合粉料規定標準[9-10]。

2 水泥砂漿試驗

2.1 配合設計及試塊制備

水泥砂漿實驗設計時，根據土木工程材料知識進行配合比設計，確定混合料用量，其中水泥用量為450g，河砂用量為1350g，水灰比為0.51。設計5%、8%和10%三種不同石材廢屑摻入量，制備混合料。每種摻量制作12 個棱柱體試件（40mm×40mm×160mm）進行標準養護（見圖1），測試7 天抗壓強度，取其均值進行分析。

圖1 水泥砂漿試塊脫模養護后圖

2.2 水泥砂漿性能測試

2.2.1 力學性能

根據《水泥膠砂強度檢驗方法》[11]，采用萬能試驗機測定水泥砂漿試塊7 天的抗壓強度（圖2-3），與未摻入廢屑的砂漿試塊試驗結果進行對比，結果見圖4。

圖2 水泥砂漿試塊加壓圖

圖3 砂漿試塊加壓破壞

圖4 不同廢屑摻量的水泥砂漿抗壓強度

從圖4 可知，隨著廢屑摻量的增加，其7d 的抗壓強度為先上升后下降曲線。當摻量占比小于8%時，材料抗壓強度幾乎呈線性上升，且7d 提高抗壓強度比達30%以上。當摻量大于8%時，抗壓強度下降明顯，且稍小于對照組抗壓強度。

實驗數據顯示，水泥砂漿材料中添加合理摻量的石材廢屑，能夠有助于提高水泥砂漿的抗壓強度，但試驗過程中發現試塊樣品表面出現廢屑粉料滲出現象，摻量超過8%后，隨著摻量增加，該現象越明顯，這是由于廢屑粉料粒徑偏小，容易滲出。廢屑逐漸不能很好的發揮填充效應，而且由于過多的廢屑細顆粒游離在水泥顆粒之間降低了水泥顆粒間的粘聚力，進而降低了砂漿強度[12]。

2.2.2 流動度的影響

依據《水泥膠砂流動度測定方法》對砂漿混合料進行流動度測試[13]，水泥膠砂流動度測定儀跳動次數設定為25 次，測量水泥膠砂在規定振動狀態下的擴展范圍來衡量其流動性。跳動完畢后，用尺子測量膠砂底面互相垂直的兩個方向直徑，計算平均值，取整數，單位為毫米。從材料開始加水至膠砂流動的擴展直徑和垂直直徑測量完成，試驗整個過程應控制在6min 內，得到水泥膠砂流動度測定值，試驗數據結果見圖5 所示。

圖5 不同廢屑摻量對水泥砂漿流動度的影響

由圖5 可知，未摻入石材廢屑時，水泥砂漿流動度值較大，并隨著廢屑摻量的不斷增大，流動度逐漸趨向于平緩，廢屑摻入超過5%之后，其摻量增加對水泥砂漿流動度的影響并不顯著。在10%的摻入率之內，整體流動度沒有較大差異。

3 混凝土性能試驗

3.1 混凝土配比設計

根據《混凝土物理力學性能試驗方法標準》[14]進行混凝土配合比設計，使用石井牌C32.5R 復合硅酸鹽水泥進行設計與制作，設計強度等級為C30，配合比計算步驟如下：

混凝土配制強度：

坍落度設計要求為55～70mm；每立方用水量采用mw0=205kg/m3；每立方水泥用量采用mb0=205/0.43=476.7kg/m3；材料砂率β 為30%，河砂的單位質量為ms0=515.49kg/m3；碎石的單位質量為mg0=1202.81kg/m3。

根據上述設計，單次試塊制作所用材料用量如表3 所示。

表3 混凝土試塊制作各材料用量

對上述基準水泥混凝土材料，添加5%、8%和10%三種摻量的石材廢屑，制備150×150×150mm 混凝土立方體試塊，每種摻量制作12 個試塊。在標準條件下養護28 天后，測試其抗壓強度，對比分析不同摻入率對混凝土試塊抗壓強度和施工和易性的影響規律。

3.2 混凝土試驗及結果分析

3.2.1 石材廢屑對混凝土力學性能影響

按《混凝土物理力學性能試驗方法標準》[14]制作混凝土標準試件，試塊制備過程中發現，隨著廢屑摻入量的增加，混合料流動性相對下降，試塊表面同樣出現了粉料滲出現象，且隨著摻入量的增加，粉料滲出情況越明顯。按照標準條件養護28 天后進行立方體抗壓試驗，見圖6 和圖7 所示，抗壓強度測試結果如圖8。

圖6 脫模后加壓圖

圖7 加壓破壞與粉料滲出圖

圖8 不同廢屑摻量混凝土28 天抗壓強度

實驗數據顯示，一定量的人造石材切割廢屑的摻入有助于提高混凝土的抗壓強度，即有助于提升混凝土的力學性能。試驗途中有發現試塊樣品表面出現廢屑粉料滲出現象，養護時間越長，摻入率越大，該現象也越明顯。由于制作工藝、環境因素以及材料受潮情況，同組試塊抗壓強度有一定離散性，但仍在容許范圍以內（5%）。整體試驗數據表明，當摻入率為5%～8%時，混凝土強度將得到明顯的加強；但當摻入率為10%時，混凝土強度不會得到明顯強化。

3.2.2 石材切割廢屑對混凝土坍落度影響

根據確定的混凝土配合比稱量材料，按試驗規范要求依次將原料放入攪拌機進行攪拌，測得不同廢屑摻料下，混凝土坍落度值如圖9 所示。

圖9 坍落度隨摻量的變化曲線圖

從實驗數據可知，人造石材切割廢屑摻入水泥粉料配制混凝土，隨著摻入率的提高，混凝土的坍落度會稍微受到影響，但其坍落度仍處于設計坍落度范圍內，其工作性能仍能保證。

4 結論

4.1 人造石材切割廢屑在保證水泥水灰比的情況下適當用量取代粉煤灰水泥可以有效提高水泥砂漿試塊及混凝土試塊的力學強度，水泥砂漿中摻量在8%左右時，7 天抗壓強度提高23%左右，混凝土試驗中摻入5%-8%的廢料時，試塊抗壓強度提升約30%。

4.2 人造石材切割廢屑本身含水量較高，應用前需進行烘干以免造成對水泥及混凝土水灰比的影響；其研磨粉料粒徑符合二級粉煤灰細度規范，粒徑較小的部分會對成品的外觀和強度造成細微影響；粉料摻入后會影響水泥流動度，吸水性能較強，配制水泥砂漿時需注意用水和對水灰比造成的影響。

4.3 人造石材切割廢屑的二次利用可以解決建筑石材廢棄物對耕地占用、污染環境、資源浪費等問題，還可提高水泥砂漿和混凝土的工作性能、力學性能，進行適當處理即可滿足國標規范的要求，實現變廢為寶，具有使用價值和推廣意義。