廢棄石粉配制綠色高性能混凝土的試驗(yàn)研究

摘 要：對(duì)原狀廢棄花崗巖石粉進(jìn)行了再加工處理，研究了廢棄石粉對(duì)高性能混凝土綜合性能的影響。試驗(yàn)研究表明：在合理的摻量范圍內(nèi)，經(jīng)過(guò)處理的廢棄石粉與硅灰復(fù)摻等量取代水泥，能夠配制出同時(shí)滿足高流動(dòng)性、高強(qiáng)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(shí)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(hù)與實(shí)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(hào)：TU528. 01 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(guó)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(yán)重的粉塵污染和河流污染。據(jù)保守估計(jì)，福建省石材加工企業(yè)每年產(chǎn)生的廢棄石粉近千萬(wàn)噸[1]，至今仍沒(méi)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(wèn)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(guó)內(nèi)外對(duì)粉煤灰、磨細(xì)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(bào)道并不多見。

　　近年來(lái)，作者對(duì)廢棄花崗巖石粉開展了專門的試驗(yàn)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(duì)硬化混凝土的強(qiáng)度雖有負(fù)面影響，但是可以配制中等強(qiáng)度等級(jí)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(duì)廢棄石粉的再加工處理、摻配方式及其對(duì)高性能混凝土性能的影響進(jìn)行了進(jìn)一步的試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)原材料及其加工處理

1.1 試驗(yàn)材料

　　采用廈門“國(guó)道牌”P.O42.5 級(jí)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(xì)度模數(shù)Mx=2.86；5~25mm的碎石，密度2.68g/m3，堆積密度1440kg/ m3，級(jí)配合格；廈門科之杰公司生產(chǎn)的“點(diǎn)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(jí)粉煤灰，過(guò)45μm篩的篩余量為3%，比表面積504m2/kg。b.硅灰：成都東藍(lán)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(lái)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(guò)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(cè)，未經(jīng)處理的原狀石粉通過(guò)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(yàn)?zāi)?duì)其進(jìn)行了研磨加工。由表1 看出，隨著研磨時(shí)間的延長(zhǎng)，石粉的細(xì)度相應(yīng)增大，但增長(zhǎng)趨勢(shì)逐漸趨緩。考慮到成本因素，確定研磨時(shí)間為18min，此時(shí)石粉的比表面積S 比＝549.5m2/kg，超過(guò)I級(jí)粉煤灰的細(xì)度。

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

　　混凝土按照高性能混凝土標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)目標(biāo)為：設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)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(jí)≥P12。經(jīng)過(guò)試配得到的基準(zhǔn)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(fù)摻、與硅灰復(fù)摻三種方案。試驗(yàn)過(guò)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(yàn)方案詳見表2。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

　　根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》進(jìn)行混凝土成型、養(yǎng)護(hù)和工作性能、抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)；對(duì)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》中抗?jié)B性試驗(yàn)方法進(jìn)行了修改。當(dāng)水壓加至1.2MPa 恒壓8h后無(wú)滲水現(xiàn)象時(shí)，采用劈裂法劈開試件，測(cè)量滲水高度，據(jù)此開展混凝土抗?jié)B性能試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表3 和圖1所示。

3.1 石粉對(duì)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(fù)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(duì)流動(dòng)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(shí)粘聚性和保水性保持著良好狀態(tài)。當(dāng)摻量達(dá)到25％時(shí)，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(fù)摻時(shí)，石粉與粉煤灰的復(fù)配比例宜為15％：10％~15％；與硅灰復(fù)摻結(jié)果表明，硅灰對(duì)于石粉混凝土的粘聚性和保水性有特別顯著的改進(jìn)作用，石粉與硅灰的適宜比例為15％：5％。

　　本試驗(yàn)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(xì)度達(dá)到了I級(jí)粉煤灰的細(xì)度水平，所以在混凝土中不僅可以發(fā)揮微粒填充效應(yīng)，同時(shí)還有形態(tài)效應(yīng)。它可以補(bǔ)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(duì)需水量小，同時(shí)細(xì)粒的石粉和水泥、粉煤灰與水一道形成流動(dòng)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(dāng)用石粉替代一部分水泥時(shí)，拌和物的水分顯得較為富余，所以使坍落度得以提高，流動(dòng)性得到改善。

3.2 石粉對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

　　從強(qiáng)度的檢測(cè)結(jié)果來(lái)看，除了11 組的28d強(qiáng)度是個(gè)例外，無(wú)論是單摻還是復(fù)摻，石粉的加具備化學(xué)活性，所以不能參與水泥漿體的水化與硬化，因而無(wú)法體現(xiàn)出火山灰效應(yīng)。因此過(guò)多的石粉替代水泥之后，會(huì)對(duì)高性能混凝土的強(qiáng)度和入，對(duì)于混凝土的早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)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(qiáng)度達(dá)到了C50 的配制強(qiáng)度要求?？梢钥闯觯杌业膹?fù)摻有利于增進(jìn)石粉混凝土的強(qiáng)度，可以考慮將石粉與硅灰復(fù)配。從滿足高強(qiáng)要求的角度考慮，石粉的摻量以不超過(guò)15%為宜。值得注意的是，與粉煤灰的復(fù)配使石粉混凝土強(qiáng)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(duì)抗?jié)B性能的影響

　　混凝土的各項(xiàng)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(qiáng)度檢測(cè)的基礎(chǔ)上，選取了幾組有代表性的配比進(jìn)行了混凝土抗?jié)B性能試驗(yàn)。圖1的試驗(yàn)結(jié)果顯示：?jiǎn)螕?5％石粉對(duì)混凝土的抗?jié)B性能沒(méi)有不良影響；當(dāng)10％的石粉與10％的硅灰復(fù)摻時(shí)，混凝土的抗?jié)B性能最優(yōu)；當(dāng)石粉與粉煤灰各自按15％復(fù)摻時(shí)，混凝土的抗?jié)B性能最差。說(shuō)明石粉的摻量及摻入方式對(duì)混凝土的抗?jié)B性能影響較大。

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

　　硅灰對(duì)石粉混凝土的增強(qiáng)作用與提高抗?jié)B性能的原因有兩點(diǎn)：一是由于硅灰具有遠(yuǎn)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(gè)數(shù)量級(jí)，相互間有更好的填充密實(shí)效應(yīng)，在水泥、石粉、硅灰粒子之間形成了“超復(fù)合疊加效應(yīng)”，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(jìn)入混凝土內(nèi)部；二是由于硅灰的稀釋效應(yīng)，特別是火山灰效應(yīng)，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(guò)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(qiáng)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(duì)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(qiáng)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(yīng)采用烘干、碾壓、研磨工序?qū)ζ溥M(jìn)行加工處理，處理后的廢棄石粉比表面積應(yīng)達(dá)到500 m2/kg以上。

　　比較單摻、與粉煤灰復(fù)摻、與硅灰復(fù)摻三種方案的試驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為，在合適的摻量范圍內(nèi)，與硅灰復(fù)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(yīng)，能夠配制出同時(shí)滿足高流動(dòng)性、高強(qiáng)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(jìn)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(shí)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(hù)與實(shí)現(xiàn)混凝土綠色化的雙重效益。

參考文獻(xiàn)

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