石材加工业废料对水泥混凝土性能的影响分析_石爽爽.pdf

32 STONE 2 0 2 3 No.2节能环保石材加工业废料对水泥混凝土性能的影响分析石爽爽，闫 垒，高鹏飞（黄河交通学院，河南 焦作 4549 50）石材加工废料属于典型的固体废物，在自然环境中难以降解。但石材粉末可用于制备混凝土，调控或者改变混凝土的理化特性，进而服务于工程建设，实现废物利用。在大范围应用之前应检验这种掺和料能否改善混凝土性能，并满足工程设计标准。一、石材加工业废料的基本特性根据天然石材统一编号（G B/T 17670-2008），国内天然石材主要分为五类，包括板石、石灰石、花岗岩、砂岩以及大理石。同时，烧结型人造石、复合型人造石、水泥型人造石的生产规模也较大。石材加工业利用天然石材和人造石制造工程装饰板材，在作业过程中大量运用切削、打磨、抛光等方法，进而产生了粗细不一的废料，通常表现为石粉1。研究过程中从国内某石材加工厂采集抛光工序的废石粉，该企业主要生产天然大理石、人造大理石以及天然花岗岩三种板材，因而废石粉由这三种石材组成。使用球磨机对天然大理石、天然花岗岩、人造大理石和烘干后的废石粉分别进行粉碎操作，使其达到均匀的粒度（粒径不超过0.08 m m）。经过专业的物理及化学检测，不同石粉的基本特性如表1所示。二、石材加工业废料作为掺和料对水泥混凝土性能的影响（一）试验材料准备石材加工业废料经适当的粉碎处理后可作为水泥混凝土中的掺和料，其作用与粉煤灰基本相同。在性能试验和检测中分别将粉煤灰、废石粉、天然大理石粉、天然花岗岩粉作为掺和料。水泥、砂、水、集料以及外加剂采用相同规格与品质的材料，严格控制试验变量。经检测，试验粉煤灰的密度为2530k g/m3，与其他三种材料接近，其粒径在大多在0.08 m m（8 0u m）以下。根据通用硅酸盐水泥（G B 175-2020），试验中采用代号为P的硅酸盐水泥，其强度等级为42.5R，初凝时间为1h 左右，终凝时间约为12h，28 天龄期抗压强度为52.5M Pa。所有混凝土中添加同一种减水剂。在各类材料的配合比方面，以粉煤灰、天然大理石粉、天然花岗岩粉为掺和料的混凝土作者简介：石爽爽（19 9 1），女，河南省濮阳市人，研究方向为建筑及道路材料；闫垒（19 9 5），男，河南省新乡市 人；高鹏飞（19 8 7），男，河南省安阳市人 表 1 石粉基本特性分类统计表试样名称石粉化学成分石粉物理特性烧失量2SiOCaOMgO密度（k g/m3）比表面积（m2k g-1）废石粉27.54%27.24%5.17%2.00%30.56%3.77%2640624人造石42.09%0.15%0.18%0.13%55.54%0.17%2670744天然大理石0.72%52.22%15.15%9.67%10.09%8.57%2650290天然花岗岩42.03%4.44%1.62%0.12%47.40%1.25%2550430DOI:10.14030/ki.scaa.2023.0087石材2 0 2 3 年2 期 33 石 材S H I C A I节能环保均按照41控制水泥和掺和料的比例。将废石粉作为掺和料时，设置三种配合比，水泥和废石粉分别按照8 020、8 515、9010进行配置。试验混凝土的水胶比、砂率以及含水率均相同。（二）石材加工业废料对水泥混凝土工作性能的影响1.水泥混凝土工作性能检验方法水泥混凝土的工作性能按照普通混凝土拌合物性能试验方法标准（G B/T 5008 0-2016）进行检验，主要检测坍落度、拓展度以及泌水性三项指标，检测方法如下。坍落度检测按照混凝土坍落度仪（JG/T 248-2009）的相关要求，选用符合国家标准的坍落度仪，筒高为300m m，底部直径为200m m，顶部直径为100m m，同时配备钢尺。混凝土试样分三层装入筒内，并分别振捣，装料结束之后将筒口的混凝土抹平。坍落时间控制为30s,然后使用钢尺精确测量混凝土顶面与筒口之间的高差。拓展度检测混凝土扩展度检测的设备也是坍落度仪和钢尺，但钢尺的量程至少要达到1m,且最小测量分度不应超过1m m。在坍落度检测结束之后，将坍落度仪筒体底部外侧的混凝土清理干净，在3到7秒的时间内将筒体平稳、垂直提起，使混凝土试样与筒壁彻底脱离。失去约束的混凝土试样开始向四周扩散，从筒壁与混凝土分离开始计时，持续50s 后使用钢尺测量扩展面的最大直径，计算出拓展度2。泌水性检测泌水试验的设备包括混凝土试验振动台、量筒、振捣棒以及精确的电子秤，量筒分为5L和100m L两种规格，根据混凝土试样的坍落度确定装填方式和振捣方式。将混凝土装填进试验用量筒，然后进行振捣密实，人工振捣时应分两层装入量筒。然后在1个小时内分6次吸取筒口的泌水，每10m i n 一次，之后按照每半小时一次的频率继续吸水，直至筒口不再泌水，每次吸水之后将筒口的盖子盖紧，防止水分蒸发3。泌水率计算方法如式（1）。100%)(W/mVBTW=（1）式中将泌水率记为B（%），泌水总量记为V W（m L），W 为制备混凝土试样的用水量（m L），m T为混凝土试样的总质量（g）。2.试验结果及结论水泥混凝土工作性能检测结果，见表2。对比废石粉相关数据可知，随着胶结材料中废石粉比例的提升，混凝土坍落度和扩展度也随之提高，泌水率与废石粉占比成负相关。与粉煤灰为掺和料的混凝土相比，废石粉对坍落度影响较大，在比例相同的情况下，坍落度相差近4m m，而混凝土材料的坍落度越小越好，说明在坍落度上，废石粉不具优势。对比坍落度数据可知，以天然花岗岩石粉为掺和料的混凝土表现最佳，以粉煤灰为掺和料的混凝土次之，以废石粉为掺和料的混凝土在坍落度上略逊于前两者，以天然大理石粉为掺和料的混凝土表现最差。扩展度可表征混凝土的流动性，显然,废石粉有利于促进混凝土的扩展度和流动性。泌水率方面，废石粉混凝土强于粉煤灰混凝土和花岗岩粉混凝土，弱于大理石粉混凝土。（三）石材加工业废料对水泥混凝土抗压强度的影响1.水泥混凝土抗压强度检验方法水泥混凝土结构抗压强度检验的依据为混凝土物理力学性能试验方法标准（G B/T 5008 1-2019），检验过程中的技术要点如下。制作混凝土试件按照表2中的混凝土配比，分别制作立方体标准试件，规格为150m m 150m m 150m m。每一种材料分别制备三个试件，共计18 块试件。制备试件时要进行捣实操作，养护时长为28 天，确保温度适宜，定期进行洒水。试验过程使用符合规范的混凝土压力试验机进行抗压强度 34 STONE 2 0 2 3 No.2节能环保检测，试验时应连续向试件加荷。由于水泥的抗压强度可达到52.5M Pa，因此，可适当提高加荷的速度，试验中按照0.6M Pa/s 施加载荷4。混凝土试件的抗压强度计算方法为式（2）。（2）式中抗压强度记为（M Pa），试件破坏时的载荷记为F（N），试件承压面积记为（m m2）2.试验结果及结论试验中按照C30强度等级配置混凝土，抗压强度检测结果如表3所示，其中统计了养护3天和28 天时的抗压强度试验数据。从中可知，废石粉相关的三种混凝土强度均超过了40M Pa，并且在水泥和废石粉比例为90:10的情况下达到了所有试件的最高强度（以28 天龄期强度为依据）。总体来看，使用粉煤灰、废石粉和天然花岗岩粉作为掺和料时，混凝土的强度水平较为接近。以天然大理石粉作为掺和料时，混凝土强度相对较低，但足以达到C30等级。另外，仅对比废石粉混凝土的抗压强度数据，在养护时长为3天时，抗压强度随废石粉占比的增加而提高，但养护时长为28天时，该指标却随着废石粉的增加而降低。说明废石粉有利于提高混凝土的早期强度。（四）石材加工业废料对水泥混凝土抗碳化性能的影响1.水泥混凝土抗碳化性能检验方法水泥混凝土抗碳化性能检测的依据为普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法（G B/T 5008 2-2009），试验的主要步骤如下。制作混凝土试件此类试验的混凝土试件宜采用棱柱体结构或者立方体结构，每一种材料制作三个试件。选用相同的骨料，最大粒径不超过30m m，试件设计为立方体，规格为200m m 200m m 100m m。所有试件均养护至28天。试件打蜡密封将立方体试件中200m m 200m m 的两个面作为试表 2 混凝土工作性能检测结果掺和料胶结材料/%水胶比砂率/%减水剂/%坍落度/m m扩展度/m m泌水率/%水泥掺和料粉煤灰8 0200.45430.31323459.4废石粉90101443459.18 5151633578.68 0201713628.1天然大理石粉8 02018 63736.8天然花岗岩粉8 02012232610.1表 3 废石粉混凝土抗压强度检测结果统计表掺和料胶结材料/%3d 龄期抗压强度（M Pa）28 d 龄期抗压强度水泥掺和料粉煤灰8 02025.644.5废石粉901023.845.58 51526.042.78 02028.941.5天然大理石粉8 02030.135.6天然花岗岩粉8 02025.442.9石材2 0 2 3 年2 期 35 石 材S H I C A I节能环保验工作面，其余部位均使用石蜡进行密封处理。但密封之前需检测试件的干燥程度，标准做法为事先烘干试件，温度设定为60，烘干时长为48 h。设定碳化深度检测点使用彩色的记号笔在测试面上划线，形成网格状，每一个网格均为正方形，边长控制为10m m。然后在这些网格中选定碳化深度检测点。开展碳化处理将试件放入标准碳化箱内，保持足够的间距，然后向其中充入CO2，检测其浓度，应按照规范将CO2浓度控制在203%，实验过程中将温度统一设定为20。从试件养护开始，直到28 天的龄期，这一过程中始终进行碳化处理，并且试验过程中要定期检测碳化箱内的温度、湿度以及CO2浓度，确保试验条件全程满足要求5。碳化深度检测整个碳化过程中，分别在第3、7、14、28 天开展碳化深度检测，将试件从碳化箱内暂时取出，破坏检测点表面，测定碳化深度。每次检测完后重新密封，然后再将试件放回碳化箱。试件的平均碳化深度按照式（3）进行计算。ndnil=1_td （3）其中dI为检测点的碳化深度（m m），检测点的总数量记为n，ndnil=1_td为碳化第t 天时的碳化深度值。2.试验结果及结论表3统计了试件抗碳化性能的检测结果，对比可知，随着废石粉占比的增加，混凝土的抗碳化性能逐渐增强（以28 天碳化深度为依据）。天然大理石粉混凝土的抗碳化性能最强，其次为废石粉混凝土，粉煤灰混凝土抗碳化性能最差。三、结语将废石粉、天然大理石粉、天然花岗岩粉以及粉煤灰作为水泥混凝土的掺和料，然后按照国家标准和规范对混凝土开展性能试验。结果显示，废石粉作为掺和料时，混凝土的泌水率和扩展度均表现良好，坍落度稍差，但优于大理石粉混凝土。在抗压强度方面，废石粉混凝土与粉煤灰混凝土、花岗岩粉混凝土基本一致，可达到较高水平。抗碳化性能方面，废石粉混凝土优于粉煤灰混凝土和花岗岩粉混凝土。参 考 文 献1 张淑梅.石灰石矿粉对水泥混凝土路面性能的影响研究D .河北工业大学,2 0 19.2 范华峰.外掺花岗岩石粉对水工混凝土性能及微观结构的影 响研究D .山东农业大学,2 0 2 0.3 林慧.山区卵石机制砂特性对水泥基材料性能的影响研究 D .重庆交通大学,2 0 2 0.4 郑科.机制砂在高速公路桥梁高标号混凝土结构中的应用研 究D .华南理工大学,2 0 19.5 余海洋.凝灰岩机制砂水泥混凝土性能研究D .长安大学,2 0 2 1.表 4 废石粉对混凝土碳化性能的影响掺和料胶结材料/%3d 碳化深度/c m7d 碳化深度/c m14d 碳化深度/c m28 d 碳化深度/c m水泥掺和料粉煤灰8 0200.50.911.472.01废石粉90100.480.8 91.281.8 68 5150.380.731.161.708 0200.430.8 81.071.67天然大理石粉8 0200.330.651.071.60天然花岗岩粉8 0200.470.8 31.171.8 2