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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生的廢料進行了基本物理化學性能測試分析，并將其作為混凝土細骨料，研究了其對混凝土性能的影響。研究結果表明：廢料化學組成主要以 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性能和耐久性能。

［關鍵詞］石材加工；廢料；細骨料；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組成和礦物組成，其化學組成主要是CaCO，礦物組成為較石灰石結晶度更為完整的方解石。花崗巖化學組成以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生的廢料進行了基本物理化學性能測試分析，并將其作為混凝土細骨料，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的PO42.5水泥，主要技術指標見表1。

粉煤灰：選用太原大唐第二熱電廠供應的 Ⅲ 級粉煤灰，主要技術指標見表2。

礦粉：選用太原鋼鐵集團生產的S95級磨細礦渣粉，主要技術指標見表3。

硅灰：選用陜西三江能源化工生產的SF85級硅灰，主要技術指標見表4。

外加劑：選用山西格瑞特建筑科技股份有限公司生產的聚羧酸高性能外加劑，主要技術指標見表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、細骨料的主要技術指標見表6和表7。

2 試驗方法

2.1 混凝土配合比

設置廢料替代率0%、30%、50%、70%、100%分別等質量替代細骨料，保證試驗中細骨料用量不變。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準》GB/T 50080—2016；不同養(yǎng)護齡期硬化混凝土的抗壓強度測試參照《混凝土物理力學性能試驗方法標準》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準》GB/T 50082—2009。

3 試驗結果與分析

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，本文采用化學分析方法將廢料和機制砂進行了化學成分對比分析，結果如表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進行試驗，并測試其工作性能、含氣量及表觀密度，試驗結果見表10。

由表10可以看出，當廢料替代率為30%時，混凝土坍落度、擴展度最優(yōu)，其原因可能與細骨料顆粒級配改善有關。機制砂采用粗破—中破的生產工藝，無粉控環(huán)節(jié)，導致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骨料顆粒級配。通過將廢料和機制砂按比例混合然后進行顆粒級配篩分試驗，發(fā)現(xiàn)當二者3:7復合時，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顆粒為主有關。隨著廢料替代比例增加，在細骨料用量保持不變的情況下，由于廢料較細，細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 廢料作為細骨料對混凝土抗壓強度的影響

設計混凝土為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結果可見，不同廢料替代率的混凝土28d抗壓強度均能達到C30和C40強度等級的設計要求。

就7d強度而言，當廢料替代率由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構的致密。當廢料替代率在50%以內時，機制砂活性效益的降低與廢料填充效應相當，故早期強度變化不大。但隨著替代率的增加，廢料的填充效應無法抵消機制砂活性效應的降低值，導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，而且與混凝土結構的致密性有關^[3]。后期強度的提高，與其中含有較多活性的SiO、Al有關。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構的致密。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和混合集料微集料效益貢獻的此消彼長。

3.4 廢料作為細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。混凝土的碳化過程主要是空氣中的CO與混凝土中的Ca(OH)、C-S-H等反應生產CaCO，從而降低混凝土耐久性能。為了研究廢料作為細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。相對于機制砂，廢料顆粒細小，對混凝土中的空隙有更好的填充作用，從而使混凝土結構更加致密，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，結果分別為636C和623C。

由結果可知，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。廢料由于其含有較多的活性SiO、Al，這些活性物質參與了二次水化反應，除使混凝土孔徑細化從而阻止氯離子滲透外，還生產較多的水化氯酸鹽及其衍生物，能夠結合更多的Cl^-[4]，進而有利于改善混凝土的抗氯離子滲透性能。廢料相對較細，導致混凝土結構更加密實。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^[5]，故其抗氯離子滲透性要差。

4 結論

（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)造經濟效益。

參考文獻

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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

【標準規(guī)范】

《建筑固廢再生砂粉應用技術規(guī)范》行標

《建筑物綠色拆除與建筑垃圾綜合利用技術規(guī)程》CECS

《預拌混凝土使用說明書》團標

《砂漿和混凝土用石屑》團標

《預拌混凝土產品質量追溯規(guī)范》團標

【會議培訓】

2025全國混凝土行業(yè)創(chuàng)新發(fā)展與廢棄物資源再生技術交流大會

第十屆全國建筑固廢和余泥渣土處理及資源化利用大會暨中國砂石協(xié)會建筑固廢利用分會年會

2025第二十一屆全國商品混凝土可持續(xù)發(fā)展論壇暨2025中國商品混凝土年會

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碳化再生骨料制備技術

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《新技術在混凝土中的應用》圖書

《常見預拌混凝土質量事故分析百例》圖書

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