廢棄石粉配制綠色高性能混凝土的試驗研究

摘 要：對原狀廢棄花崗巖石粉進行了再加工處理，研究了廢棄石粉對高性能混凝土綜合性能的影響。試驗研究表明：在合理的摻量范圍內(nèi)，經(jīng)過處理的廢棄石粉與硅灰復摻等量取代水泥，能夠配制出同時滿足高流動性、高強度與高抗?jié)B的高性能混凝土。石粉與硅灰的合適摻配比例為15％：。利用廢棄石粉作為綠色混凝土礦物摻合料，不僅滿足高性能要求，同時可以節(jié)約水泥、節(jié)約石材礦產(chǎn)資源，減少環(huán)境污染，具有環(huán)境保護與實現(xiàn)混凝土綠色化的雙重效益。

關(guān)鍵詞：廢棄石粉；礦物摻合料；綠色高性能混凝土

中圖分類號：TU528. 01 文獻標識碼： A

0 引言

　　隨著建筑裝飾石材加工行業(yè)發(fā)展迅速，我國石材加工企業(yè)每年產(chǎn)生了大量的廢漿。廢漿中水和石粉各約占50%，由于隨意排放，造成嚴重的粉塵污染和河流污染。據(jù)保守估計，福建省石材加工企業(yè)每年產(chǎn)生的廢棄石粉近千萬噸[1]，至今仍沒有很好的加以利用。因此，廢棄石粉的綜合利用已成為福建、廣東等石材大省環(huán)保領(lǐng)域急待解決的問題。另一方面，混凝土作為土木工程需求最大的結(jié)構(gòu)材料，為了可持續(xù)發(fā)展和改善自身性能，需要大量利用各種工業(yè)廢渣或固體廢棄物，目前，國內(nèi)外對粉煤灰、磨細高爐礦渣、硅灰等活性礦物摻合料的研究已日臻成熟，但有關(guān)廢棄石粉用作混凝土礦物摻合料方面的報道并不多見。

　　近年來，作者對廢棄花崗巖石粉開展了專門的試驗研究。前期研究表明：在合理的摻量范圍內(nèi)，廢棄石粉能夠有效地改善混凝土拌和物的和易性，提高坍落度；對硬化混凝土的強度雖有負面影響，但是可以配制中等強度等級的商品混凝土[2]。作為一種新的資源，廢棄石粉能否配制綠色高性能混凝土？本文對廢棄石粉的再加工處理、摻配方式及其對高性能混凝土性能的影響進行了進一步的試驗研究。

1 試驗原材料及其加工處理

1.1 試驗材料

　　采用廈門“國道牌”P.O42.5 級普通硅酸鹽水泥，其密度3.10g/cm3，比表面積350m2/kg；九龍江河砂，密度2.63g/m3，堆積密度1434kg/m3，細度模數(shù)Mx=2.86；5~25mm的碎石，密度2.68g/m3，堆積密度1440kg/ m3，級配合格；廈門科之杰公司生產(chǎn)的“點石牌”FDN 萘系減水劑，黃褐色粉末，減水率為8%～25%；礦物摻合料：a.粉煤灰：廈門嵩能粉煤灰開發(fā)有限公司生產(chǎn)的I級粉煤灰，過45μm篩的篩余量為3%，比表面積504m2/kg。b.硅灰：成都東藍星科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)，平均粒徑0.115μm，比表面積30100 m2/kg。c. 廢棄石粉：來源于漳州龍海角美板材廠，花崗巖材質(zhì)，從廢料池中鏟出，呈淤泥土塊狀，經(jīng)烘箱65℃烘干后稍加碾壓，過0.63mm方孔篩篩出雜物備用。

1.2 廢棄石粉的加工處理

　　本文采用的廢棄石粉系花崗巖材質(zhì)，是一種惰性的、非活性礦物質(zhì)粉體材料。經(jīng)檢測，未經(jīng)處理的原狀石粉通過0.080mm方孔篩的篩余為39.48%，比表面積S 比＝297.5m2/kg<300m2/kg，顯然不適宜直接做混凝土的摻合料。因此，采用SM-500試驗磨對其進行了研磨加工。由表1 看出，隨著研磨時間的延長，石粉的細度相應增大，但增長趨勢逐漸趨緩?？紤]到成本因素，確定研磨時間為18min，此時石粉的比表面積S 比＝549.5m2/kg，超過I級粉煤灰的細度。

2 試驗方案設計

　　混凝土按照高性能混凝土標準設計，設計目標為：設計強度等級為C50；滿足泵送施工要求，坍落度控制在160±30mm；滿足高抗?jié)B要求，抗?jié)B等級≥P12。經(jīng)過試配得到的基準配合比如下：膠凝材料：砂：石：水＝1：1.29：1.94：0.36。膠凝材料含水泥和礦物摻合料，后者包括粉煤灰、硅灰和石粉，采用等量、內(nèi)摻方式取代水泥，它們的摻量范圍是粉煤灰10%~30%、硅灰5%~10%、石粉10%~25%。為了確定石粉的最佳摻入方式，分別采用單摻、與粉煤灰復摻、與硅灰復摻三種方案。試驗過程中，固定膠凝材料總量、砂子、石子和水的質(zhì)量不變。為了滿足坍落度要求，各組外摻0.6%~1.0%不等的萘系高效減水劑。具體試驗方案詳見表2。

3 試驗結(jié)果及分析

　　根據(jù)《普通混凝土配合比設計規(guī)程》進行混凝土成型、養(yǎng)護和工作性能、抗壓強度試驗；對《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》中抗?jié)B性試驗方法進行了修改。當水壓加至1.2MPa 恒壓8h后無滲水現(xiàn)象時，采用劈裂法劈開試件，測量滲水高度，據(jù)此開展混凝土抗?jié)B性能試驗。試驗結(jié)果見表3 和圖1所示。

3.1 石粉對工作性能的影響

　　表3 顯示，在膠凝材料粉體總量和用水量相同、減水劑不變或減少的前提下，與空白組相比，隨著石粉的加入，除與硅灰復摻的第11組，其余各組混凝土拌和物的坍落度均較空白組提高了10 mm ~30mm，顯示出石粉對流動性的改善作用。但是，粘聚性和保水性則隨著石粉摻配方式的不同而表現(xiàn)不一。在20％摻量范圍以內(nèi)，單摻石粉不僅提高了坍落度，同時粘聚性和保水性保持著良好狀態(tài)。當摻量達到25％時，粘聚性和保水性變差，出現(xiàn)泌水、離析分層現(xiàn)象；與粉煤灰復摻時，石粉與粉煤灰的復配比例宜為15％：10％~15％；與硅灰復摻結(jié)果表明，硅灰對于石粉混凝土的粘聚性和保水性有特別顯著的改進作用，石粉與硅灰的適宜比例為15％：5％。

　　本試驗采用的廢棄石粉為花崗巖石粉，屬于晶態(tài)非活性礦物質(zhì)材料。雖然是一種惰性粉末，但是由于其顆粒細度達到了I級粉煤灰的細度水平，所以在混凝土中不僅可以發(fā)揮微粒填充效應，同時還有形態(tài)效應。它可以補充混凝土中缺少的小顆粒，增大固體表面面積的比例，從而減少泌水和離析，保持良好的粘聚性與保水性；由于是惰性粉末，花崗巖石粉不參與水化，親水能力較差，相對需水量小，同時細粒的石粉和水泥、粉煤灰與水一道形成流動的漿體，增加了混凝土中漿體的數(shù)量，因此在維持相同水膠比條件下，當用石粉替代一部分水泥時，拌和物的水分顯得較為富余，所以使坍落度得以提高，流動性得到改善。

3.2 石粉對抗壓強度的影響

　　從強度的檢測結(jié)果來看，除了11 組的28d強度是個例外，無論是單摻還是復摻，石粉的加具備化學活性，所以不能參與水泥漿體的水化與硬化，因而無法體現(xiàn)出火山灰效應。因此過多的石粉替代水泥之后，會對高性能混凝土的強度和入，對于混凝土的早期強度和后期強度都產(chǎn)生了不利影響，且這種不利影響隨著石粉摻量的增加更趨明顯。其中，只有前3 組和后3 組的28d強度達到了C50 的配制強度要求?？梢钥闯觯杌业膹蛽接欣谠鲞M石粉混凝土的強度，可以考慮將石粉與硅灰復配。從滿足高強要求的角度考慮，石粉的摻量以不超過15%為宜。值得注意的是，與粉煤灰的復配使石粉混凝土強度下降的幅度更大，因此此種摻配方式可以不予考慮。

3.3 石粉對抗?jié)B性能的影響

　　混凝土的各項耐久性能都與抗?jié)B性密切相關(guān)，它反映了混凝土的致密程度和內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)。抗?jié)B性好，意味著混凝土的總孔隙率低，最可幾孔徑小，開口連通的孔隙少，侵蝕介質(zhì)難以滲入，抗蝕性高。在強度檢測的基礎上，選取了幾組有代表性的配比進行了混凝土抗?jié)B性能試驗。圖1的試驗結(jié)果顯示：單摻15％石粉對混凝土的抗?jié)B性能沒有不良影響；當10％的石粉與10％的硅灰復摻時，混凝土的抗?jié)B性能最優(yōu)；當石粉與粉煤灰各自按15％復摻時，混凝土的抗?jié)B性能最差。說明石粉的摻量及摻入方式對混凝土的抗?jié)B性能影響較大。

　　試驗結(jié)果進一步證實了花崗巖石粉是一種非活性礦物摻合料，在混凝土中通過改善固體粒子的顆粒級配以及填充密實作用，增加混凝土硬化體的密實性，其作用主要體現(xiàn)在物理方面。但因其不具備化學活性，所以不抗?jié)B性產(chǎn)生負面影響。

　　硅灰對石粉混凝土的增強作用與提高抗?jié)B性能的原因有兩點：一是由于硅灰具有遠較石粉巨大的比表面積，平均粒徑僅0.115μm，同石粉的平均粒徑不在同一個數(shù)量級，相互間有更好的填充密實效應，在水泥、石粉、硅灰粒子之間形成了“超復合疊加效應”，使水泥石結(jié)構(gòu)和界面結(jié)構(gòu)更加致密，從而大大降低了混凝土的孔隙率，并使孔徑減小，阻斷了可能形成的滲透通路，因此水和各種侵蝕介質(zhì)難以進入混凝土內(nèi)部；二是由于硅灰的稀釋效應，特別是火山灰效應，減少了粗大結(jié)晶、穩(wěn)定性極差，容易遭到氯鹽等侵蝕介質(zhì)腐蝕的水化產(chǎn)物—Ca(OH)2 的數(shù)量及其在水泥石—集料界面過渡區(qū)上的富集與定向排列，從而優(yōu)化了界面結(jié)構(gòu)，并生成強度更高、穩(wěn)定性更優(yōu)、數(shù)量更多的低堿度水化硅酸鈣凝膠。水化產(chǎn)物相組成的改善，對于提高包括抗?jié)B性在內(nèi)的混凝土各方面耐久性的作用極大，被大量研究證明具有顯著的增強特性和高抗蝕性[3]。

4 結(jié)論

　　未經(jīng)處理的原狀花崗巖石粉不宜直接用作混凝土的礦物摻合料，應采用烘干、碾壓、研磨工序?qū)ζ溥M行加工處理，處理后的廢棄石粉比表面積應達到500 m2/kg以上。

　　比較單摻、與粉煤灰復摻、與硅灰復摻三種方案的試驗結(jié)果認為，在合適的摻量范圍內(nèi)，與硅灰復摻等量取代水泥，更有利于發(fā)揮廢棄石粉的微粒填充作用與微集料效應，能夠配制出同時滿足高流動性、高強度與高抗?jié)B的高性能混凝土。石粉與硅灰的合適摻配比例為15％：。能否進一步提高石粉摻量有待于后續(xù)研究。

　　利用廢棄石粉作為綠色混凝土礦物摻合料，不僅能夠滿足高性能要求，同時可以節(jié)約水泥、節(jié)約石材礦產(chǎn)資源，減少環(huán)境污染，具有環(huán)境保護與實現(xiàn)混凝土綠色化的雙重效益。

參考文獻

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　　2. 胡紅梅，程瑤，黃紅柳．廢棄石粉作為混凝土礦物摻合料的探索性研究[A]．見：全國高性能混凝土和礦物摻合料的研究與工程應用技術(shù)交流會論文集[C]．廣東珠海，2006．383-386．

　　3. [美]泰倫斯．C．赫蘭．關(guān)于硅灰和高性能混凝土的一些思考 [J]．混凝土， 2004，：10-13．