廢棄石粉對水泥砂漿性能影響的研究

摘要：廢棄石粉是礦物石材破碎加工過程中的副產品，因為其粒徑較小，所以在處理和再次利用方面面臨挑戰。文章探索在室內環境條件下利用石粉部分替代水泥制備石粉/水泥砂漿的可行性，并系統研究該砂漿的流動度、凝結時間、水化產物的晶體組成及其相對含量，以及抗壓強度表現。試驗結果顯示：隨著石粉替代比例的提升，砂漿的流動度呈現下降趨勢，同時初凝時間和終凝時間均相應縮短，在3 d和28 d齡期時，C-S-H（水化硅酸鈣）和Ca（OH）2（氫氧化鈣）的相對含量均有所降低；當石粉替代率達到10%時，相較于純水泥組，石粉/水泥砂漿在3 d和28 d的抗壓強度分別提高了21.4%和11.5%。該研究可為石粉固體廢棄物的資源化利用提供指導，對促進石材加工副產品的有效利用和環境保護具有重要意義。

關鍵詞：廢棄石粉；流動度；抗壓輕度；水化產物；資源化利用

中圖分類號：TU528" " "文獻標識碼：A" " "文章編號：1674-0688（2024）11-0099-05

0 引言

當前，“生態、綠色、低碳”的理念已成為全球經濟社會發展的主流趨勢［1］。作為工程結構中的主要核心材料之一，普通混凝土在全球范圍內被廣泛應用于各類工程建設中。水泥生產過程中的能源消耗占全球總能耗的15%～20%，同時其二氧化碳排放量占人為排放源的5%～7%，每年CO?的排放量約為40億噸，并伴有大量有害物質如粉塵顆粒的排放，對環境造成了顯著污染。值得注意的是，中國的水泥消費量占全球總消費量的70%左右，由此帶來的高資源消耗、高能耗以及高二氧化碳排放等問題，給社會和環境帶來了沉重負擔［2］，已引起社會各界的廣泛關注。與此同時，作為全球大理石的主要出口國之一，中國擁有豐富的大理石礦產資源［3］。然而，礦產資源的開發與利用不可避免地會產生大量固體廢棄物。在大理石的開采和加工過程中（如切割、拋光、研磨等環節），會產生大量固體廢料粉末，這些粉末的利用率極低，難以找到其他用途。常見的處理方式包括堆放或填埋，這不僅占用了大量土地，而且還帶來了粉塵污染等環境問題。如果這些固體廢物不能得到及時有效的處理，將造成嚴重的資源浪費和環境污染。因此，將廢棄石粉作為部分替代材料用于水泥中，實現其資源化利用，不僅能緩解水泥生產帶來的巨大能耗問題，而且還能解決廢棄石粉帶來的環境負擔。

在廢棄石粉資源化利用的研究領域，我國已取得了一些相關研究成果。黃紅柳［4］通過優化高石粉含量人工砂，并對其在混凝土中的力學性能和干縮性能進行了實驗分析，同時與大尺寸原級配混凝土進行了對比研究，研究結果表明，使用高石粉人工砂能夠提升混凝土的力學性能、改善新拌混凝土的和易性，并增強混凝土的抗裂性能。該研究充分證明了石粉可以部分替代水泥，用于水泥、砂漿、混凝土的生產，以及作為生產磚塊和面板等建筑材料的原材料。與此同時，部分學者還對石粉的替代率進行了深入研究。李北星等［5］探討了機制砂中石粉含量（3.5%、7.0%、10.5%、14.0%）和粉煤灰摻量（0%、11.3%、17.0%）對C60高性能混凝土的抗壓強度、彈性模量、干縮率、氯離子擴散系數和抗凍性等性能的影響。研究發現，機制砂中石粉的含量可放寬至10.5%，而不會影響混凝土的整體性能。此外，粉煤灰的摻用對機制砂混凝土中的石粉含量表現出不敏感性，機制砂中的部分石粉可作為摻和料使用，其替代量約為水泥用量的11.3%。然而，現有研究對石粉的替代率普遍控制在10%左右，這在一定程度上限制了石粉的資源化利用［6］。基于此背景，本文將石粉的替代率進一步提升至25%，旨在探討在高石粉替代率下石粉/水泥砂漿的性能表現，為石粉的資源化高效利用提供更豐富的基礎數據和參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗原材料

本研究選用的是由本地經銷商提供的“海螺”牌普通硅酸鹽水泥（P.O.42.5），其密度為3 116 kg/m3。硅酸鹽水泥的主要化學組成成分見表1，其激光粒度分布見圖1。為了降低石粉組分不均勻性可能帶來的實驗誤差，本研究使用的大理石原材料購自本地石材供應商。在實驗室環境中，這些大理石原料經過破碎和篩分處理，最終制得粒徑小于0.075 mm的微細大理石石粉粉末。隨后，將石粉粉末置于溫度設定為105 ℃的恒溫烘箱中進行24 h的干燥處理。干燥完成后，待石粉粉末冷卻至室溫，即進行密封保存，以備后續使用。制備砂漿所需的砂料來源于本地建材經銷商，其細度模數為2.36，表觀密度為2 600 kg/m3，并且顆粒級配良好。此外，在水泥砂漿的制備過程中，所使用的拌合水為本地自來水。

1.2 砂漿試件的制備

水泥砂漿的配合比見表2，其中Ctrl組為純水泥砂漿對照組，R5組表示使用石粉替代5%的水泥，其他組別的命名方式依此類推。在制備砂漿時，首先將試驗所需的凝膠材料、石粉及砂置于攪拌鍋內，進行3 min的初步攪拌。隨后，加入拌和水，并繼續攪拌3 min。攪拌結束后，將新制備的砂漿澆筑到尺寸為40 mm×40 mm×40 mm的立方體模具中。為確保砂漿結構密實并排除內部殘留空氣，將模具放置在振動臺上振搗30 s。振搗完成后，使用刮平尺對試模表面進行抹平處理。隨后，將成型的砂漿轉移到養護室進行養護，養護箱內的溫度控制在（20±2） ℃，濕度保持在95%以上。砂漿固化24 h后進行脫模，再將試塊轉移到養護室繼續養護至指定齡期。養護完成后，將進行相應的力學性能測試。此外，水泥凈漿的制備流程與砂漿制備基本相同，但需注意，水泥凈漿的制備過程不需要加入砂。

1.3 試驗方法

1.3.1 流動性

根據規范《水硬性水泥灰漿流動性的標準試驗方法》（ASTM C1437），采用水泥膠砂流動測定儀測定新拌砂漿的流動性。在規定的震動狀態下，測量砂漿的擴展范圍。跳臺跳動結束后，使用卡尺測量砂漿底面兩個垂直方向上的直徑，計算其平均值并將結果四舍五入至最近的整數值，以此作為砂漿流動性的量化指標，單位采用毫米（mm）。

1.3.2 凝結時間

參照規范《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》（GB/T 1346—2011），采用維卡儀測定砂漿的凝結狀態。初凝前，每隔5 min測量1次，當試針下沉至距模具底板約4 mm時，判定砂漿為初凝狀態。隨后，將試件與模具一同取下并倒置于另一玻璃板上，繼續測定終凝時間。接近終凝狀態時，調整測試頻率為每隔15 min一次。當試針在水泥砂漿表面不再留下圓環印記時，判定為終凝狀態。

1.3.3 抗壓強度測試

對養護至3 d、7 d和28 d齡期的試件，采用萬能電力試驗機進行抗壓強度測試。每組測試包含3個試塊，取這3個試塊抗壓強度的平均值作為該組的最終抗壓強度值。

1.3.4 X射線衍射測試

為研究不同替代率石粉對水化產物的影響，采用Smartlab SE X射線衍射儀分析水泥凈漿在3 d和28 d齡期時的礦物成分。在進行測試之前，所有組別的水泥凈漿樣品需在105 ℃的溫度下干燥24 h。隨后，將干燥后的水泥凈漿樣品進行碾磨破碎處理，通過200目標準篩（篩孔直徑為0.075 mm）篩分，選取粒徑小于0.075 mm的粉體樣品進行X射線衍射測試。

1.3.5 熱重分析測試

為測定水化產物的相對含量，使用Q5000IR型熱重分析儀對3 d和28 d齡期的水泥凈漿樣品進行熱重分析測試。測試在氮氣氛圍下進行，氮氣流量設定為25" mL/min，測試溫度范圍為30～900 ℃，升溫速率控制在20 ℃/min。

2 結果與討論

2.1 流動度分析

流動度是衡量砂漿工作性能的關鍵指標之一［7］。不同石粉替代率下水泥砂漿的流動度測試結果見圖2，其中Ctrl組的流動度為262 mm。由圖2可以看出，隨著石粉替代率的增加，流動度呈現逐漸下降的趨勢。當替代率為5%時，水泥砂漿的流動度降至246 mm，相比Ctrl組減少了6.1%；當替代率增至25%時，流動度進一步減至214 mm，與Ctrl組相比降低了18.3%。這一現象的主要原因有以下兩點：①石粉自身具有疏松多孔的結構，含有較多孔隙和裂紋，在砂漿制備過程中會吸收部分拌和水，導致砂漿的有效拌合水量減少，進而影響其流動性。②石粉在砂漿基體中分散性較好，隨著替代率的增大，單位體積內石粉的凈含量逐漸增加。石粉因其粒徑較小，能夠沉積并填充水泥砂漿內部的微細孔徑，雖然有助于砂漿的密實度提升，但是也增大了砂漿在震動過程中受到的摩擦阻力，從而抑制了石粉砂漿的流動速度。

2.2 凝結時間

凝結時間作為衡量砂漿凝結硬化性能的重要指標，反映了砂漿從拌合狀態到失去可塑性并開始硬化的過程變化。通常，凝結時間過短可能對混凝土的運輸和施工帶來不利影響，而終凝凝結時間過長則會拖延施工進度，降低施工效率，并導致時間延誤。不同石粉替代率下水泥砂漿的凝結時間見圖3，其中Ctrl組的初凝和終凝時間分別為450 min和550 min。與Ctrl組相比，5%和10%石粉替代率的砂漿初凝時間分別縮短了5 min和14 min，表明隨著石粉替代率的增加，初凝時間逐漸縮短。當替代率達到25%時，初凝時間減少至360 min，與Ctrl組相比縮短了90 min。終凝時間的變化規律與初凝時間一致。這一現象可能是由于石粉內部的微結構特征，即石粉具有疏松多孔的結構和高吸水率，在水泥水化過程中能夠吸收部分拌和水，降低砂漿整體的水灰比，從而加速了砂漿的凝結過程，縮短了凝結時間。

2.3 X射線衍射測試分析

通過測試砂漿的流動度和凝結時間，得出以下結論：石粉對砂漿的凝結過程具有促進作用。為進一步研究水化產物的晶體類型，對不同組別的水泥凈漿進行了X射線衍射（XRD）測試，以進行定性分析［8］ ，不同組別的水泥凈漿的XRD分析結果見圖4。主要水化產物包括氫氧化鈣［Ca（OH）2］、碳酸鈣（CaCO3）、硅酸三鈣（C3S）和二氧化硅（SiO2）。其中，Ca（OH）2由水泥中的硅酸三鈣（C3S）和硅酸二鈣（C2S）水化后進一步反應形成；CaCO3主要由Ca（OH）2與空氣中的CO2反應產生；SiO2的衍射峰源于水泥本身的熟料成分；此外，還檢測到未完全水化的水泥顆粒對應的C3S衍射峰。從總體來看，石粉的加入并未顯著改變水化產物的晶體類型，但CaCO3的衍射峰逐漸增強，這可能是石粉本身含有較多的CaCO3所導致的。盡管如此，石粉的加入對各組水化產物的衍射峰產生的影響并不明顯。

2.4 熱重分析

為進一步定量分析水化產物的相對含量，對3 d和28 d齡期的水泥凈漿進行了熱重分析（TGA）測試，3 d/28 d齡期水泥凈漿的TGA分析結果分別見圖5和圖6。據相關學者研究，C-S-H（水化硅酸鈣）的熱分解溫度范圍通常為120～180 ℃，而Ca（OH）2的熱分解溫度范圍一般為400～500℃。當測試溫度升至600～800 ℃時，主要分解的水化產物變為CaCO3。通過計算各溫度區間內的質量差異，可得出C-S-H、Ca（OH）2和CaCO3的相對質量損失含量。

不同組別砂漿在不同溫度下的質量損失率見表3，表3中的數據可用于評估各組別砂漿的水化程度［9］。分析結果顯示，石粉的加入對水泥的水化過程具有一定的抑制作用。Ctrl組在3 d齡期時，C-S-H的相對含量為2.79%，而在28 d齡期時增至4.64%。同時，3 d和28 d齡期的Ca（OH）2相對含量分別為3.48%和3.91%。然而，隨著石粉替代率的增加，C-S-H、Ca（OH）2和CaCO3的相對含量均呈現下降趨勢。當石粉替代率達到25%時，C-S-H的相對含量僅為3.88%。這一現象主要是由于石粉的活性較低、比表面積較小且吸水率較高［10］。在水化過程中，石粉吸收部分拌和水，從而抑制了水泥的水化。這一發現與之前的凝結時間和流動度測試結果相一致，進一步證實了石粉對砂漿性能的影響。

2.5 抗壓強度分析

砂漿的抗壓強度是評估其力學性能的關鍵指標之一［11］。不同組別水泥砂漿3 d、7 d、28 d齡期的抗壓強度數據見圖7。Ctrl組在3 d、7 d和28 d齡期時的抗壓強度分別為19.1 MPa、28.9 MPa和38.3 MPa。當石粉替代5%的水泥時，相較于Ctrl組，3 d、7 d和28 d的抗壓強度分別提升了5.2%、8.0%和4.7%。當石粉替代10%的水泥時，抗壓強度的提升最為顯著，3 d、7 d和28 d的抗壓強度分別達到23.2 MPa、33.4 MPa和42.7 MPa，與Ctrl組相比，分別提升了21.5%、15.6%和11.5%。然而，當石粉替代量增加至25%時，抗壓強度出現明顯下降，28 d的抗壓強度較Ctrl組降低了11.6%。這一現象的主要原因是石粉的粉末形態遠細于水泥顆粒，具有較大的比表面積和較好的吸水性能。因此，在水化過程中，石粉會吸收部分拌和水，導致水泥水化過程中所需的水量減少。當石粉的替代率過高時，會抑制水化物的生成，這一點在XRD和TGA測試中得到了驗證，從而導致抗壓強度的降低。值得注意的是，當石粉替代率為10%時，表現出較高的抗壓強度。這主要是由于石粉粒徑較小，能夠填充砂漿內部的微細孔隙，提高砂漿的致密性，從而增強抗壓強度。

3 結論

本研究通過采用不同比例的石粉替代水泥，深入探究了其對砂漿性能的影響，具體包括流動度、凝結時間、水化產物的晶體類型及關鍵水化產物的相對含量，研究結果概述如下。

（1）隨著石粉替代率的增加，砂漿的流動度呈現下降趨勢，同時初凝時間和終凝時間也相應縮短。

（2）在3 d和28 d齡期時，隨著石粉替代率的提升，C-S-H和Ca（OH）2的相對含量均有所降低。這一現象歸因于石粉的活性相對較低、比表面積較小且吸水率較高。在水化過程中，石粉吸收部分拌和水，進而抑制了水泥的水化進程。這一發現與凝結時間和流動度的測試結果相吻合。

（3）當石粉替代率為10%時，砂漿在3 d、7 d和28 d齡期的抗壓強度分別達到23.2 MPa、33.4 MPa和42.7 MPa，與較Ctrl組相比，分別提升了21.5%、15.6%和11.5%。然而，隨著石粉替代率的進一步提高，砂漿的抗壓強度出現明顯下降。

綜合試驗結果，考慮到石粉作為一種固體廢物，適量地替代部分水泥不僅有助于提升砂漿的抗壓強度，而且還對固廢的資源化利用具有一定的實踐指導意義。

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