【研究探索】石材加工废料在混凝土中的应用研究

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本文选自《商品混凝土》杂志2024年第3期

石材加工废料在混凝土中的应用研究

成东京，张磊，徐坤，史海光，杜志彬，杨鹏鹏，杜娟

［摘 要］本文对石材加工过程中产生的废料进行了基本物理化学性能测试分析，并将其作为混凝土细骨料，研究了其对混凝土性能的影响。研究结果表明：废料化学组成主要以 SiO、Al、CaO、Fe 为主，其中 SiO成分占 51.61%，Al 成分占15.70%，CaO 成分占10.33%，Fe成分占 10.03%，其矿物组成主要以石英、长石为主；利用废料代替部分混凝土细骨料，不仅可以提高混凝土的工作性能，同时有利于提高混凝土的力学性能和耐久性能。

［关键词］石材加工；废料；细骨料；混凝土；性能

0 引言

目前市场上的石材以大理石和花岗岩石为主。大理石具有与石灰石相似的化学组成和矿物组成，其化学组成主要是CaCO，矿物组成为较石灰石结晶度更为完整的方解石。花岗岩化学组成以SiO、Al为主，矿物组成主要为石英，同时含有少量的长石和云母等矿物^[1]。本文对石材加工过程中产生的废料进行了基本物理化学性能测试分析，并将其作为混凝土细骨料，研究了其对混凝土性能的影响。

1 试验材料

水泥：选用山西双良鼎新水泥厂生产的PO42.5水泥，主要技术指标见表1。

粉煤灰：选用太原大唐第二热电厂供应的 Ⅲ 级粉煤灰，主要技术指标见表2。

矿粉：选用太原钢铁集团生产的S95级磨细矿渣粉，主要技术指标见表3。

硅灰：选用陕西三江能源化工生产的SF85级硅灰，主要技术指标见表4。

外加剂：选用山西格瑞特建筑科技股份有限公司生产的聚羧酸高性能外加剂，主要技术指标见表5。

骨料：选用太原市阳曲县机制砂和阳曲县5～25mm碎石，以及从某石材加工厂废料堆取得的废料。粗、细骨料的主要技术指标见表6和表7。

2 试验方法

2.1 混凝土配合比

设置废料替代率0%、30%、50%、70%、100%分别等质量替代细骨料，保证试验中细骨料用量不变。不同强度等级混凝土的试验配合比如表8所示。

2.2 测试方法

混凝土拌合与取样制作，以及工作性能、表观密度、凝结时间和含气量的测试方法均参照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》GB/T 50080—2016；不同养护龄期硬化混凝土的抗压强度测试参照《混凝土物理力学性能试验方法标准》GB/T 50081—2019，试件尺寸为100mm×100mm×100mm；混凝土抗碳化性能和抗氯离子渗透性能测试参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T 50082—2009。

3 试验结果与分析

3.1 废料基本性能分析

为了研究石材加工废料对混凝土性能的影响及其影响机理，本文采用化学分析方法将废料和机制砂进行了化学成分对比分析，结果如表9。

由表可知废料以SiO为主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%。机制砂以CaCO为主，占93.7%

通过X射线衍射分析方法分析了废料和机制砂的矿物组成，分析结果如图1和图2。

由图1和图2可以看出，废料主要由石英、长石矿物组成，机制砂主要由方解石矿物组成。

3.2 废料作为细骨料对混凝土工作性能的影响

按表8混凝土配合比、坍落度(200±20)mm进行试验，并测试其工作性能、含气量及表观密度，试验结果见表10。

由表10可以看出，当废料替代率为30%时，混凝土坍落度、扩展度最优，其原因可能与细骨料颗粒级配改善有关。机制砂采用粗破—中破的生产工艺，无粉控环节，导致2.36mm以上和0.3mm以下颗粒占比较大，中间颗粒较少，颗粒分布呈现“哑铃”状。而废料2.36mm以下占比较大，与机制砂混合后，在一定程度上改善了细骨料颗粒级配。通过将废料和机制砂按比例混合然后进行颗粒级配筛分试验，发现当二者3:7复合时，颗粒级配接近Ⅱ区分布（如图3）。

随着废料替代比例提高，混凝土的含气量增加，其原因可能与废料以细颗粒为主有关。随着废料替代比例增加，在细骨料用量保持不变的情况下，由于废料较细，细骨料总比表面积增大，搅拌时引入更多气体，不易排出。

随着废料替代比例的提高，混凝土表观密度增加，其原因为废料的表观密度较大。废料表观密度为2880kg/m³，较机制砂高170kg/m³，细骨料总用量一致，随着废料替代比例的增加，混凝土拌合物表观密度增加。

3.3 废料作为细骨料对混凝土抗压强度的影响

设计混凝土为C30和C40两个强度等级，控制坍落度为(200±20)mm，废料替代率变化对混凝土各龄期强度的影响如图4、5。

由图4、5结果可见，不同废料替代率的混凝土28d抗压强度均能达到C30和C40强度等级的设计要求。

就7d强度而言，当废料替代率由0%增加至50%时，7d强度基本接近，再随着替代率的增加，7d强度逐渐降低。有关研究证明：CaCO的掺入，可使CS水化放热速率明显增加，第一放热峰升高，第二峰出现时间提前，水化诱导期则缩短^[2]，从而提高了混凝土早期强度。废料以SiO为主，与机制砂混合后，有利于骨料在混凝土中的填充，从而有利于混凝土结构的致密。当废料替代率在50%以内时，机制砂活性效益的降低与废料填充效应相当，故早期强度变化不大。但随着替代率的增加，废料的填充效应无法抵消机制砂活性效应的降低值，导致早期强度逐渐降低。

就28d强度而言，对比不同强度等级的混凝土强度数据可知，在替代率均为30%条件下，C30和C40混凝土28d强度最高，分别为44.5MPa和56.8MPa。对于混凝土后期强度，其高低不仅与水化程度和水化速度有关，而且与混凝土结构的致密性有关^[3]。后期强度的提高，与其中含有较多活性的SiO、Al有关。废料主要成分也是以SiO、Al为主，其中SiO成分占51.61%，Al成分占15.70%。由于活性的SiO和Al与Ca(OH)反应形成水化硅酸钙和水化铝酸钙，有利于混凝土强度的发展。此外，机制砂和废料粒径分布不同，混合使用也有利于骨料在混凝土中的填充，从而有利于混凝土结构的致密。分析混凝土后期强度的数据可以看出，废料不同替代率对混凝土后期强度的影响规律与对早期强度的影响规律不同，当废料替代率由0%增加至30%时，28d强度逐渐增加，再随着替代率的增加，28d强度逐渐降低。主要原因还是由于后期废料的活性效益贡献和混合集料微集料效益贡献的此消彼长。

3.4 废料作为细骨料对混凝土抗碳化性能的影响

混凝土的抗碳化性能直接影响混凝土的耐久性能。混凝土的碳化过程主要是空气中的CO与混凝土中的Ca(OH)、C-S-H等反应生产CaCO，从而降低混凝土耐久性能。为了研究废料作为细骨料对混凝土抗碳化性能的影响，测定了废料替代率0%和30%时，C30混凝土在不同龄期的碳化深度，所得试验结果如图6所示。

从图6中可以看出，在各个碳化龄期，掺有废料的混凝土的碳化深度均要小于不掺废料的混凝土。混凝土抗碳化性能与混凝土孔隙率及孔径的大小有关。相对于机制砂，废料颗粒细小，对混凝土中的空隙有更好的填充作用，从而使混凝土结构更加致密，阻隔CO的传输通道，提高了混凝土的抗碳化性能。

3.5 废料作为细骨料对混凝土抗氯离子渗透性能的影响

混凝土的渗透性对混凝土耐久性起着重要的作用，因为渗透性控制着水份渗入的速率，这些水可能含有侵蚀性的化合物，混凝土的渗透性直接影响到其中钢筋的耐久性。为了研究废料作为细骨料对混凝土抗氯离子渗透性能的影响，本文测定了废料替代率0%和30%时C30混凝土6h的电通量，结果分别为636C和623C。

由结果可知，掺有废料的混凝土抗氯离子渗透性能略小于不掺废料的混凝土，6h电通量仅为623C，氯离子渗透性“很低”。废料的加入有利于提高混凝土的抗氯离子渗透性能，但是作用并不明显。混凝土抗氯离子渗透性能主要与混凝土中的孔隙率及孔径大小有关。废料由于其含有较多的活性SiO、Al，这些活性物质参与了二次水化反应，除使混凝土孔径细化从而阻止氯离子渗透外，还生产较多的水化氯酸盐及其衍生物，能够结合更多的Cl^-[4]，进而有利于改善混凝土的抗氯离子渗透性能。废料相对较细，导致混凝土结构更加密实。机制砂主要成分以CaCO为主，会与对Cl有吸附作用的铝酸盐矿物反应^[5]，故其抗氯离子渗透性要差。

4 结论

（1）废料以SiO、Al、CaO、Fe为主，其中SiO成分占51.61%，Al成分占15.70%，CaO成分占10.33%，Fe成分占10.03%，矿物组成主要为石英、长石。

（2）利用废料代替部分混凝土细骨料，有利于提高混凝土拌合物的坍落度、扩展度，增加含气量，从而改善混凝土工作性能。

（3）利用废料代替部分混凝土细骨料，可提高混凝土的后期强度、抗碳化性能和抗氯离子渗透性能。

（4）利用石材加工废料作混凝土细骨料，不仅可以解决石材加工带来的环境污染问题，而且可以变废为宝，实现节能减排和创造经济效益。

参考文献

[1] 史玉军，吕辉，孙虎，等．石材加工业废料在混凝土中的应用研究[J]．天津建材，2011(2): 23-28．

[2] 陆平，陆树标．CaCO对 CS 水化的影响[J]．硅酸盐学报，1987,15(4): 289-294．

[3] 孙虎．石材加工业废料在水泥混凝土工业中的应用研究[D]．广州：华南理工大学，2010．

[4] 谢友均，马昆林，龙广成，等．矿物掺合料对混凝土中氯离子渗透性的影响[J]．硅酸盐学报，2006，34(11): 1345-1350．

[5] 马烨红．石灰石粉作混凝土矿物掺合料的研究[D]．广州：华南理工大学，2007．

供稿人：成东京，张磊

编辑员：李海亮

审核人：孙继成，宁夏

【标准规范】

《建筑固废再生砂粉应用技术规范》行标

《建筑物绿色拆除与建筑垃圾综合利用技术规程》CECS

《预拌混凝土使用说明书》团标

《砂浆和混凝土用石屑》团标

《预拌混凝土产品质量追溯规范》团标

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