【研究探索】石材加工廢料在混凝土中的應(yīng)用研究

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本文選自《商品混凝土》雜志2024年第3期

石材加工廢料在混凝土中的應(yīng)用研究

成東京，張磊，徐坤，史海光，杜志彬，楊鵬鵬，杜娟

［摘 要］本文對石材加工過程中產(chǎn)生的廢料進(jìn)行了基本物理化學(xué)性能測試分析，并將其作為混凝土細(xì)骨料，研究了其對混凝土性能的影響。研究結(jié)果表明：廢料化學(xué)組成主要以 SiO、Al、CaO、Fe 為主，其中 SiO成分占 51.61%，Al 成分占15.70%，CaO 成分占10.33%，F(xiàn)e成分占 10.03%，其礦物組成主要以石英、長石為主；利用廢料代替部分混凝土細(xì)骨料，不僅可以提高混凝土的工作性能，同時有利于提高混凝土的力學(xué)性能和耐久性能。

［關(guān)鍵詞］石材加工；廢料；細(xì)骨料；混凝土；性能

0 引言

目前市場上的石材以大理石和花崗巖石為主。大理石具有與石灰石相似的化學(xué)組成和礦物組成，其化學(xué)組成主要是CaCO，礦物組成為較石灰石結(jié)晶度更為完整的方解石?；◢弾r化學(xué)組成以SiO、Al為主，礦物組成主要為石英，同時含有少量的長石和云母等礦物^[1]。本文對石材加工過程中產(chǎn)生的廢料進(jìn)行了基本物理化學(xué)性能測試分析，并將其作為混凝土細(xì)骨料，研究了其對混凝土性能的影響。

1 試驗材料

水泥：選用山西雙良鼎新水泥廠生產(chǎn)的PO42.5水泥，主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

粉煤灰：選用太原大唐第二熱電廠供應(yīng)的 Ⅲ 級粉煤灰，主要技術(shù)指標(biāo)見表2。

礦粉：選用太原鋼鐵集團(tuán)生產(chǎn)的S95級磨細(xì)礦渣粉，主要技術(shù)指標(biāo)見表3。

硅灰：選用陜西三江能源化工生產(chǎn)的SF85級硅灰，主要技術(shù)指標(biāo)見表4。

外加劑：選用山西格瑞特建筑科技股份有限公司生產(chǎn)的聚羧酸高性能外加劑，主要技術(shù)指標(biāo)見表5。

骨料：選用太原市陽曲縣機制砂和陽曲縣5～25mm碎石，以及從某石材加工廠廢料堆取得的廢料。粗、細(xì)骨料的主要技術(shù)指標(biāo)見表6和表7。

2 試驗方法

2.1 混凝土配合比

設(shè)置廢料替代率0%、30%、50%、70%、100%分別等質(zhì)量替代細(xì)骨料，保證試驗中細(xì)骨料用量不變。不同強度等級混凝土的試驗配合比如表8所示。

2.2 測試方法

混凝土拌合與取樣制作，以及工作性能、表觀密度、凝結(jié)時間和含氣量的測試方法均參照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50080—2016；不同養(yǎng)護(hù)齡期硬化混凝土的抗壓強度測試參照《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50081—2019，試件尺寸為100mm×100mm×100mm；混凝土抗碳化性能和抗氯離子滲透性能測試參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50082—2009。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 廢料基本性能分析

為了研究石材加工廢料對混凝土性能的影響及其影響機理，本文采用化學(xué)分析方法將廢料和機制砂進(jìn)行了化學(xué)成分對比分析，結(jié)果如表9。

由表可知廢料以SiO為主SiO成分占51.61%其次是AlCaOFe其中Al成分占15.70%CaO成分占10.33%Fe成分占10.03%。機制砂以CaCO為主，占93.7%

通過X射線衍射分析方法分析了廢料和機制砂的礦物組成，分析結(jié)果如圖1和圖2。

由圖1和圖2可以看出，廢料主要由石英、長石礦物組成，機制砂主要由方解石礦物組成。

3.2 廢料作為細(xì)骨料對混凝土工作性能的影響

按表8混凝土配合比、坍落度(200±20)mm進(jìn)行試驗，并測試其工作性能、含氣量及表觀密度，試驗結(jié)果見表10。

由表10可以看出，當(dāng)廢料替代率為30%時，混凝土坍落度、擴展度最優(yōu)，其原因可能與細(xì)骨料顆粒級配改善有關(guān)。機制砂采用粗破—中破的生產(chǎn)工藝，無粉控環(huán)節(jié)，導(dǎo)致2.36mm以上和0.3mm以下顆粒占比較大，中間顆粒較少，顆粒分布呈現(xiàn)“啞鈴”狀。而廢料2.36mm以下占比較大，與機制砂混合后，在一定程度上改善了細(xì)骨料顆粒級配。通過將廢料和機制砂按比例混合然后進(jìn)行顆粒級配篩分試驗，發(fā)現(xiàn)當(dāng)二者3:7復(fù)合時，顆粒級配接近Ⅱ區(qū)分布（如圖3）。

隨著廢料替代比例提高，混凝土的含氣量增加，其原因可能與廢料以細(xì)顆粒為主有關(guān)。隨著廢料替代比例增加，在細(xì)骨料用量保持不變的情況下，由于廢料較細(xì)，細(xì)骨料總比表面積增大，攪拌時引入更多氣體，不易排出。

隨著廢料替代比例的提高，混凝土表觀密度增加，其原因為廢料的表觀密度較大。廢料表觀密度為2880kg/m3，較機制砂高170kg/m3，細(xì)骨料總用量一致，隨著廢料替代比例的增加，混凝土拌合物表觀密度增加。

3.3 廢料作為細(xì)骨料對混凝土抗壓強度的影響

設(shè)計混凝土為C30和C40兩個強度等級，控制坍落度為(200±20)mm，廢料替代率變化對混凝土各齡期強度的影響如圖4、5。

由圖4、5結(jié)果可見，不同廢料替代率的混凝土28d抗壓強度均能達(dá)到C30和C40強度等級的設(shè)計要求。

就7d強度而言，當(dāng)廢料替代率由0%增加至50%時，7d強度基本接近，再隨著替代率的增加，7d強度逐漸降低。有關(guān)研究證明：CaCO的摻入，可使CS水化放熱速率明顯增加，第一放熱峰升高，第二峰出現(xiàn)時間提前，水化誘導(dǎo)期則縮短^[2]，從而提高了混凝土早期強度。廢料以SiO為主，與機制砂混合后，有利于骨料在混凝土中的填充，從而有利于混凝土結(jié)構(gòu)的致密。當(dāng)廢料替代率在50%以內(nèi)時，機制砂活性效益的降低與廢料填充效應(yīng)相當(dāng)，故早期強度變化不大。但隨著替代率的增加，廢料的填充效應(yīng)無法抵消機制砂活性效應(yīng)的降低值，導(dǎo)致早期強度逐漸降低。

就28d強度而言，對比不同強度等級的混凝土強度數(shù)據(jù)可知，在替代率均為30%條件下，C30和C40混凝土28d強度最高，分別為44.5MPa和56.8MPa。對于混凝土后期強度，其高低不僅與水化程度和水化速度有關(guān)，而且與混凝土結(jié)構(gòu)的致密性有關(guān)^[3]。后期強度的提高，與其中含有較多活性的SiO、Al有關(guān)。廢料主要成分也是以SiO、Al為主，其中SiO成分占51.61%，Al成分占15.70%。由于活性的SiO和Al與Ca(OH)反應(yīng)形成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，有利于混凝土強度的發(fā)展。此外，機制砂和廢料粒徑分布不同，混合使用也有利于骨料在混凝土中的填充，從而有利于混凝土結(jié)構(gòu)的致密。分析混凝土后期強度的數(shù)據(jù)可以看出，廢料不同替代率對混凝土后期強度的影響規(guī)律與對早期強度的影響規(guī)律不同，當(dāng)廢料替代率由0%增加至30%時，28d強度逐漸增加，再隨著替代率的增加，28d強度逐漸降低。主要原因還是由于后期廢料的活性效益貢獻(xiàn)和混合集料微集料效益貢獻(xiàn)的此消彼長。

3.4 廢料作為細(xì)骨料對混凝土抗碳化性能的影響

混凝土的抗碳化性能直接影響混凝土的耐久性能?；炷恋奶蓟^程主要是空氣中的CO與混凝土中的Ca(OH)、C-S-H等反應(yīng)生產(chǎn)CaCO，從而降低混凝土耐久性能。為了研究廢料作為細(xì)骨料對混凝土抗碳化性能的影響，測定了廢料替代率0%和30%時，C30混凝土在不同齡期的碳化深度，所得試驗結(jié)果如圖6所示。

從圖6中可以看出，在各個碳化齡期，摻有廢料的混凝土的碳化深度均要小于不摻廢料的混凝土。混凝土抗碳化性能與混凝土孔隙率及孔徑的大小有關(guān)。相對于機制砂，廢料顆粒細(xì)小，對混凝土中的空隙有更好的填充作用，從而使混凝土結(jié)構(gòu)更加致密，阻隔CO的傳輸通道，提高了混凝土的抗碳化性能。

3.5 廢料作為細(xì)骨料對混凝土抗氯離子滲透性能的影響

混凝土的滲透性對混凝土耐久性起著重要的作用，因為滲透性控制著水份滲入的速率，這些水可能含有侵蝕性的化合物，混凝土的滲透性直接影響到其中鋼筋的耐久性。為了研究廢料作為細(xì)骨料對混凝土抗氯離子滲透性能的影響，本文測定了廢料替代率0%和30%時C30混凝土6h的電通量，結(jié)果分別為636C和623C。

由結(jié)果可知，摻有廢料的混凝土抗氯離子滲透性能略小于不摻廢料的混凝土，6h電通量僅為623C，氯離子滲透性“很低”。廢料的加入有利于提高混凝土的抗氯離子滲透性能，但是作用并不明顯?；炷量孤入x子滲透性能主要與混凝土中的孔隙率及孔徑大小有關(guān)。廢料由于其含有較多的活性SiO、Al，這些活性物質(zhì)參與了二次水化反應(yīng)，除使混凝土孔徑細(xì)化從而阻止氯離子滲透外，還生產(chǎn)較多的水化氯酸鹽及其衍生物，能夠結(jié)合更多的Cl^-[4]，進(jìn)而有利于改善混凝土的抗氯離子滲透性能。廢料相對較細(xì)，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)更加密實。機制砂主要成分以CaCO為主，會與對Cl有吸附作用的鋁酸鹽礦物反應(yīng)^[5]，故其抗氯離子滲透性要差。

4 結(jié)論

（1）廢料以SiO、Al、CaO、Fe為主，其中SiO成分占51.61%，Al成分占15.70%，CaO成分占10.33%，F(xiàn)e成分占10.03%，礦物組成主要為石英、長石。

（2）利用廢料代替部分混凝土細(xì)骨料，有利于提高混凝土拌合物的坍落度、擴展度，增加含氣量，從而改善混凝土工作性能。

（3）利用廢料代替部分混凝土細(xì)骨料，可提高混凝土的后期強度、抗碳化性能和抗氯離子滲透性能。

（4）利用石材加工廢料作混凝土細(xì)骨料，不僅可以解決石材加工帶來的環(huán)境污染問題，而且可以變廢為寶，實現(xiàn)節(jié)能減排和創(chuàng)造經(jīng)濟效益。

參考文獻(xiàn)

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供稿人：成東京，張磊

編輯員：李海亮

審核人：孫繼成，寧夏

【標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范】

《建筑固廢再生砂粉應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》行標(biāo)

《建筑物綠色拆除與建筑垃圾綜合利用技術(shù)規(guī)程》CECS

《預(yù)拌混凝土使用說明書》團(tuán)標(biāo)

《砂漿和混凝土用石屑》團(tuán)標(biāo)

《預(yù)拌混凝土產(chǎn)品質(zhì)量追溯規(guī)范》團(tuán)標(biāo)

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