石灰石礦山廢石在混凝土中的應用研究

0 引言

作為由膠凝材料和粗細骨料等組成的工程復合材料，混凝土產業正面臨上游優質砂石骨料資源日益緊缺的挑戰，促使低品位骨料逐步進入應用領域[1。機制砂、再生骨料及礦山廢石骨料等新型環保材料正逐步替代傳統骨料，推動混凝土骨料行業向可持續發展方向轉型。

由于石灰石礦山與母巖物理性質相同，粒度分布適中、抗壓強度較高，通過破碎和篩分等深加工流程后，可得到滿足國家標準要求的骨料，用于人工砂石料的生產 ^?2? 。石灰石礦山廢石在建材行業中具有廣泛的潛在應用前景，其再利用不僅有助于節約成本和資源，還能減少環境污染，實現可持續發展。但由于廢石成分復雜，且雜質成分、含泥量等存在較大的不均勻性，如何實現石灰石礦山廢石的資源化利用是一項艱巨性的任務。

王敏 ^?3? 等研究發現，可將礦山廢石合理應用于混凝土中，代替部分砂石料，解決了礦山廢石的占地和環境問題，同時緩解了商品混凝土砂石料緊張問題。朱照康 ^14? 論述了石灰石礦山高硅廢石、采礦廢石的綜合利用現狀，指出礦山廢石采用一定的合理化處理后可實現綜合利用。韓仲琦在研究中提出了建設綠色生態礦山、發展智能式數字礦山的前景，還提出了新一代水泥石灰石礦山發展指標的設想。雖然石灰石礦山廢石已引起水泥混凝土領域的關注，但其對混凝土性能的影響機制尚未明確，從而制約了其大規模應用。

本文通過將加工后的石灰石礦山廢石替代普通粗骨料制備混凝土，系統研究其對工作性能、力學強度和耐久性的影響規律，以期為礦山廢石在建材領域的資源化利用提供新思路。

1實驗

1. 1 原材料

本文選用山東濟南山水集團生產的P·042.5普通硅酸鹽水泥；細骨料采用濟南某廠生產的天然河砂，中砂，細度模數為2.8，表觀密度2600kg/m；粗骨料選用花崗石碎石，粒徑范圍為5～25mm，級配良好，表觀密度 2750kg/m³ ；水為城市自來水；選用江蘇蘇博特新材料有限公司生產的聚羧酸高效減水劑，固含量30%，減水率為35%。礦山廢石從不同石灰石礦山取樣，經均化后，進行破碎篩分后得到廢石骨料，其級配范圍為 5～20mm 。

1.2試樣制備

制備的C50混凝土配合比見表1，礦山廢石骨料取代花崗石碎石的量分別為 0% 、5%、10%、15%和 20% （粗骨料取代量占比）。C50混凝土的制備流程如下：將水泥、粗細骨料倒入攪拌鍋，干攪2min，然后加入減水劑和水繼續攪拌3min后，混凝土出鍋成型，養護至測試齡期后進行試驗。

表1混凝土配合比（kg/m）

1.3 測試方法

混凝土坍落度測試按照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》（GB/T50080-2016）進行。

(1）抗壓-抗折強度測試。混凝土抗壓-抗折強度按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T50081）有關規定進行測試。

（2）抗凍性能測試。采用《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB/T50082－2009）中的快速凍融法進行試驗。

（3）干燥收縮測試。依據《普通混凝土長期性

能和耐久性能試驗方法標準》（GB/T50082－2009）進行。

（4）微觀形貌測試?；炷恋奈⒂^結構采用ZEISSGemini500型掃描電鏡進行觀察。

2 結果與分析

2.1石灰石礦山廢石骨料對混凝土工作性能的影響

不同石灰石礦山廢石骨料摻量對混凝土坍落度的影響規律見圖1。由圖1可知，廢石骨料對混凝土的工作性能有較大的負面影響。隨著廢石骨料取代量的逐漸增加，初始坍落度和1h后坍落度均呈現逐漸下降的趨勢。當廢石骨料取代量為10%時，混凝土初始和 1h 坍落度分別下降了25%和41%；廢石骨料取代量為20%時，混凝土初始和1h坍落度分別下降了60%和88%。綜合比較而言，廢石骨料取代量超過10%后，對混凝土坍落度的負面作用更強，下降幅度更大，1h坍損的更多一些。因此，從混凝土施工角度建議，廢石骨料的取代量不宜超過10%。

石灰石礦山廢石品位相差較大，成分復雜，對混凝土的工作性能有劣化作用，特別是泥土對自由水和減水劑的吸附作用較大，極容易導致流動性降低。

圖1石灰石礦山廢石取代量對混凝土坍落度的影響

2.2石灰石礦山廢石骨料對混凝土力學性能的影響

抗壓和抗折強度是混凝土結構設計和工程驗收的重要依據[。不同石灰石礦山廢石骨料取代量對混凝土抗壓和抗折強度的影響規律見圖2。由圖2可知，隨著石灰石礦山廢石骨料摻量的增加，混凝土抗壓-抗折強度均呈現先小幅上漲后逐漸下降的趨勢。當廢石骨料取代量為5%時，混凝土抗壓-抗折強度分別增加了1MPa和 0.2MPa 。廢石骨料取代量為 10% 時，混凝土抗壓-抗折強度分別下降了10%和14%；廢石骨料取代量為 20% 時，混凝土抗壓-抗折強度分別下降了28%和18%。綜合分析來看，少量廢石摻入混凝土中雖然對力學性能有所改善，但整體提升幅度不大，但高摻量下對力學性能的劣化作用明顯，且這種效應對抗壓強度更顯著。

圖2石灰石礦山廢石取代量對混凝土力學強度的影響

當石灰石礦山廢石骨料取代普通骨料摻入混凝土中， 5% 摻量下由于廢石骨料組分復雜，可能形成了更好的級配，有利于強度提高。但廢石骨料中的有害雜質太多，相當于在混凝土中引入了較多的“內部缺陷”，所以引起強度下降。且這種效應在受壓模式下裂縫發展更快，所以抗壓強度下降更明顯。

2.3石灰石礦山廢石骨料對混凝土凍融性能的影響

不同石灰石礦山廢石骨料取代量對混凝土抗凍性能的影響見圖3。由圖3可知，隨實驗凍融循環次數的逐漸增加，所有混凝土試樣的相對質量損失率均呈現逐漸下降的趨勢，這主要是由于混凝土內部的水結冰時體積膨脹約 9% ，產生的膨脹壓力對混凝土內部結構造成損傷所導致[7]

圖3石灰石礦山廢石取代量對混凝土抗凍性能的影響

當石灰石礦山廢石骨料摻量低于 10% 時，混凝土的質量損失率雖有所下降，但整體幅度不大，基本在 9% 以內；當摻量超過 10% 時，混凝土的質量損失率下降幅度明顯高于對照組。其中，當廢石骨料的摻量為 20% 時，混凝土的質量損失率最低，150次凍融循環后，相對質量損失率為13.9%，相比不摻加廢石骨料的試樣降低了43%，表明大摻量廢石骨料極大劣化了混凝土的抗凍能力。

在本文實驗中，廢石骨料產地廣、質量差別大，本身抗凍性較差，且相比普通骨料有較大的吸水量。綜合因素下，摻加廢石骨料的試樣抗凍能力更差，質量損失率更高，且摻量越大，劣化作用越明顯。

2.4石灰石礦山廢石骨料對混凝土干燥收縮的影響

不同石灰石礦山廢石骨料取代量對混凝土干燥收縮的影響見圖4。由圖4中可知，所有試樣的干燥收縮率均隨測試齡期的延長逐漸增加。初始時，增幅較大，測試齡期達到40天時，基本可完成180天收縮量的 90% ，這與之前文獻報道的結果類似[8。此外，摻加廢石骨料試樣的混凝土，其干燥收縮率相比對照組均有所降低，且摻量越大，下降幅度越明顯。這表明廢石骨料有助于降低混凝土的干燥收縮值，有利于控制混凝土的開裂問題。當廢石骨料取代量為10%時，混凝土120天的收縮率下降了5%；廢石骨料取代量為20%時，混凝土120天的收縮率下降了15%。

圖4石灰石礦山廢石取代量對混凝土干燥收縮的影響

石灰石礦山廢石骨料有助于降低混凝土的收縮。這主要是由于廢石骨料含有較大的孔隙，可以吸附一部分混凝土中的自由水。當混凝土水化反應進行的較為徹底時，廢石骨料中的水分由于濃度差會重新釋放到膠凝材料顆粒表面，從而進一步完成水化，有效降低收縮變形。

2.5摻加石灰石礦山廢石骨料的混凝土微觀形貌

摻加 0% 和 10% 石灰石礦山廢石骨料的混凝土微觀形貌見圖5。從圖5中可知，混凝土養護28天后的水化產物主要由無定形狀的 C-S-H 凝膠和片狀的氫氧化鈣等組成。綜合對比兩幅SEM圖發現，對照組的微觀結構較為致密，無明顯的孔洞、缺陷存在。而摻加 10% 廢石骨料的混凝土其表面有較多的孔隙和裂縫，連接較為松散，這也是導致其強度下降的主要原因。

圖5石灰石礦山廢石取代量對混凝土微觀形貌的影響(a） 0% 摻量；（b）10%摻量

3結論

本文系統研究了不同摻量的石灰石礦山廢石骨料對混凝土工作性能、力學強度、抗凍性能以及干燥收縮的影響規律，利用掃描電鏡分析了廢石骨料對混凝土微觀結構的作用機理，得到的主要結論如下。

（1）石灰石礦山廢石骨料能夠大幅降低混凝土的坍落度，當廢石骨料取代量為20%時，混凝土初始和 1h 坍落度分別下降了60%和88%。從混凝土便于施工角度而言，廢石骨料的取代量不宜超過10%。

（2）混凝土抗壓-抗折強度隨著廢石骨料摻量的增加呈現先小幅上漲后下降的趨勢。當廢石骨料取代量為5%時，抗壓-抗折強度分別增加了1MPa和0.2MPa。廢石骨料取代量為20%時，抗壓-抗折強度分別下降了28%和18%。廢石骨料對混凝土力學強度劣化作用較大。

(3）混凝土凍融循環作用下的質量損失率隨廢石骨料摻量增加逐漸下降。當廢石骨料摻量低于10%時，下降幅度不明顯；超過10%后，降低趨勢顯著。當廢石骨料達到20%，經歷150次循環后，混凝土的質量損失率降低了43%。

（4）摻加廢石骨料能夠有效降低混凝土的干燥收縮率，有助于抑制混凝土的干縮開裂現象。當廢石骨料取代量為20%時，混凝土120天的收縮率下降了15%，這主要是由于廢石骨料可以均化混凝土內部的

水分分布。

（5）摻加廢石骨料后，混凝土微觀結構表面有較多的孔隙和裂縫，連接較為松散?；炷翆φ战M的微觀形貌較為致密，無明顯的孔洞、缺陷存在。這更好地解釋了摻加廢石骨料后混凝土強度下降的原因。

參考文獻：

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