利用南安廢棄大理石粉作為水泥混合材的研究

林松偉(福建省建筑材料工業(yè)科學(xué)研究所，福建 福州 350002)

素有“中國石材之鄉(xiāng)”稱號(hào)的福建泉州南安市作為國內(nèi)最大的大理石加工集散中心，每年因加工大理石材料而產(chǎn)生的廢棄大理石粉達(dá)200多萬噸。這些大理石粉因得不到有效的綜合利用，以致大量填埋，造成了土地的板結(jié)、硬化、地下水污染和資源的極大浪費(fèi)[1]。

本研究的目的是利用大理石粉作為生產(chǎn)水泥的混合材，為大理石粉在水泥行業(yè)的大規(guī)模使用提供技術(shù)支撐。這對(duì)于我省從根本上解決南安石粉污染，保證當(dāng)?shù)厥臉I(yè)可持續(xù)發(fā)展，排放物資源循環(huán)利用具有十分重大的意義。

1 南安廢棄大理石粉的理化性質(zhì)

1.1 廢棄大理石粉的比表面積

大理石粉主要由切割大理石產(chǎn)生，其比表面積遠(yuǎn)大于日常生產(chǎn)控制中水泥的比表面積。經(jīng)檢測(cè)，大理石粉的比表面積＞660m2/kg，屬于超細(xì)微粉。大理石粉比表面積情況詳見表1。

1.2 廢棄大理石粉的電鏡掃描,見圖1。

從廢棄大理石粉的電鏡掃描可以看出：廢棄大理石粉的團(tuán)聚現(xiàn)象較為嚴(yán)重，這可能是由于大理石在加工時(shí)，為了更好的使大理石粉沉淀，加入的鹵化物絮凝劑使得大理石粉團(tuán)聚[1]。

表1 大理石粉比表面積

圖1 廢棄大理石粉的電鏡掃描

1.3 廢棄大理石粉的化學(xué)成分分析

選取8個(gè)廢棄大理石粉樣品進(jìn)行化學(xué)分析，其化學(xué)成分見表2。

根據(jù)以上大理石粉理化參數(shù)測(cè)定分析，可以得出：1)大理石粉比表面積高，為超細(xì)粉體；2)大理石粉因石材加工時(shí)加入鹵化物絮凝劑，大理石粉呈現(xiàn)較嚴(yán)重團(tuán)聚現(xiàn)象；3)大理石粉主要成分為CaO，其CaO含量均＞50%，最高達(dá)55.38%，相當(dāng)于高品位天然石灰石中CaO含量。因此，大理石粉具備替代天然石灰石作為生產(chǎn)水泥混合材的潛能。

表2 大理石粉的化學(xué)成分

2.2.1 配制多品種硅酸鹽水泥所用原料的化學(xué)成分分析

配制多品種硅酸鹽水泥所用原料的化學(xué)分析數(shù)據(jù)見表3。

2.2.2 用不同比例大理石粉、石灰石分別作為混合材配制硅酸鹽水泥

用不同比例大理石粉作為混合材配制硅酸鹽水泥，其物理性能測(cè)定及MgO、SO3

表3 配制多品種硅酸鹽水泥所用原料的化學(xué)成分分析

2 南安廢棄大理石粉作為水泥混合材的試驗(yàn)研究

2.1 研究依據(jù)

GB 175-2007《通用硅酸鹽水泥》；GB/T 21372-2008《硅酸鹽水泥熟料》；GB/T 1345-2005《水泥細(xì)度檢驗(yàn)方法(篩析法)》；GB/T 8074-2008《水泥比表面積測(cè)定方法(勃氏法)》；GB/T 176-2008《水泥化學(xué)分析方法》；JC/T 600-2010《石灰石硅酸鹽水泥》；GB/T 1346- 2011《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法》；GB/T 17671-1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)》。

2.2 配制多品種硅酸鹽水泥的試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

化學(xué)分析結(jié)果見表4。

從表4可以看出：1、大理石粉作為生產(chǎn)水泥的混合材，表中序號(hào)1～4號(hào)試驗(yàn)(即摻量在5%-12%之間)對(duì)水泥3天抗折、抗壓強(qiáng)度影響不大。但對(duì)28天抗折、抗壓強(qiáng)度影響比較明顯。隨著大理石粉摻量增加，28天抗折、抗壓強(qiáng)度逐漸下降。2、當(dāng)大理石粉摻量達(dá)到15%時(shí)(第6號(hào)試驗(yàn))，水泥3天、28天抗折、抗壓強(qiáng)度均明顯下降。3、大理石粉作水泥混合材對(duì)水泥其它主要性能指標(biāo)沒有影響。

用不同比例石灰石作為混合材配制硅酸鹽水泥，其物理性能測(cè)定及MgO、SO3化學(xué)分析結(jié)果見表5。

比較表4、表5可以看出：大理石粉作水泥混合材與天然石灰石作混合材對(duì)水泥強(qiáng)度的影響相一致。

表4 不同比例大理石粉作為混合材配制硅酸鹽水泥的物理性能和化學(xué)分析

表5 不同比例石灰石作為混合材配制硅酸鹽水泥的物理性能和化學(xué)分析

表6 42.5R復(fù)合硅酸鹽水泥指標(biāo)測(cè)定

2.2.3 四種硅酸鹽水泥配制情況

用熟料、脫硫石膏加上大理石粉等材料配制通用硅酸鹽水泥3個(gè)品種均獲得較滿意結(jié)果，水泥各項(xiàng)指標(biāo)經(jīng)國家水泥質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心檢驗(yàn)均達(dá)到GB175-2007《通用硅酸鹽水泥》國家標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)要求[2]。所配制的3個(gè)品種通用硅酸鹽水泥分別為：42.5R復(fù)合硅酸鹽水泥、42.5Ⅱ型硅酸鹽水泥、42.5普通硅酸鹽水泥。用熟料、脫硫石膏加上大理石粉等材料配制的32.5石灰石硅酸鹽水泥，水泥各項(xiàng)指標(biāo)經(jīng)國家水泥質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心檢驗(yàn)達(dá)到JC/T 600-2010《石灰石硅酸鹽水泥》標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)要求[3]。具體實(shí)測(cè)值詳見表6、表7、表8、表9。為改善大理石粉團(tuán)聚現(xiàn)象，試驗(yàn)中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02%的醇胺類表面活性劑，以利于大理石粉的分散、均化。

2.2.3.1 42.5R復(fù)合硅酸鹽水泥的配制

物料配比為：水泥熟料70.75%、大理石粉8%、礦渣粉16%、脫硫石膏5.25%。所配制的42.5R復(fù)合硅酸鹽水泥各項(xiàng)指標(biāo)要求與實(shí)測(cè)值見表6。

表6表明：用大理石粉8%、礦渣粉16%作為混合材配制的42.5R復(fù)合硅酸鹽水泥各項(xiàng)指標(biāo)均符合GB175-2007《通用硅酸鹽水泥》國家標(biāo)準(zhǔn)要求[2]。而且強(qiáng)度富裕很多。說明大理石粉與礦渣粉復(fù)合作為水泥混合材使用，有利于熟料強(qiáng)度的發(fā)揮。當(dāng)大理石粉摻量為8%、礦渣粉摻量為16%時(shí)，熟料強(qiáng)度發(fā)揮很好。所配制的42.5R復(fù)合硅酸鹽水泥其強(qiáng)度及各項(xiàng)指標(biāo)實(shí)際上達(dá)到52.5R復(fù)合硅酸鹽水泥標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2.3.2 42.5Ⅱ型硅酸鹽水泥的配制

物料配比為：水泥熟料89.75%、大理石粉5%、脫硫石膏5.25%。所配制的42.5Ⅱ型硅酸鹽水泥各項(xiàng)指標(biāo)要求與實(shí)測(cè)值見表7。

表7表明：用大理石粉5%作為混合材配制的42.5Ⅱ型硅酸鹽水泥各項(xiàng)指標(biāo)均符合GB175-2007《通用硅酸鹽水泥》國家標(biāo)準(zhǔn)要求[2]。

2.2.3.3 42.5普通硅酸鹽水泥的配制

物料配比為：水泥熟料81.75%、大理石粉8%、礦渣粉5%、脫硫石膏5.25%。所配制的42.5普通硅酸鹽水泥各項(xiàng)指標(biāo)要求與實(shí)測(cè)值見表8。

表8表明：用大理石粉8%、礦渣粉5%作為混合材配制的普通硅酸鹽水泥各項(xiàng)指標(biāo)符合GB175-2007《通用硅酸鹽水泥》國家標(biāo)準(zhǔn)要求[2]。比較表7、表8可知：配制的42.5普通硅酸鹽水泥比42.5Ⅱ型硅酸鹽水泥多摻3%大理石粉，同時(shí)42.5普通硅酸鹽水泥還摻有5%礦渣粉，而42.5Ⅱ型硅酸鹽水泥則不摻任何礦渣粉。但兩種水泥3天、28天強(qiáng)度基本持平。說明大理石粉與礦渣粉的復(fù)合使用作為水泥混合材，有利于熟料強(qiáng)度發(fā)揮。

2.2.3.4 32.5石灰石硅酸鹽水泥的配制

物料配比為：水泥熟料79.75%、大理石粉15%、脫硫石膏5.25%。所配制的32.5石灰石硅酸鹽水泥各項(xiàng)指標(biāo)要求與實(shí)測(cè)值見表9。

表9表明：用大理石粉15%作為混合材配制的32.5石灰石硅酸鹽水泥各項(xiàng)指標(biāo)均符合JC/T600-2010《石灰石硅酸鹽水泥》部頒標(biāo)準(zhǔn)要求[3]。

本試驗(yàn)研究共用大理石粉配制4種硅酸鹽水泥，大理石粉在水泥中摻量分別為8%、5%、8%、15%，最少摻量5%，最高摻量15%，大理石粉含有鹵化物絮凝劑，但從表6至表9水泥指標(biāo)測(cè)定結(jié)果看，4種硅酸鹽水泥各項(xiàng)指標(biāo)均合格。說明大理石粉所含鹵化物絮凝劑在大理石粉摻量15%范圍內(nèi)，未對(duì)所配制水泥性能產(chǎn)生不良影響。

3 結(jié)語

表7 42.5II型硅酸鹽水泥指標(biāo)測(cè)定

表8 42.5普通硅酸鹽水泥指標(biāo)測(cè)定

表9 32.5石灰石硅酸鹽水泥指標(biāo)測(cè)定

1)大理石粉比表面積＞660m2/kg，為超細(xì)微粉。在水泥石中能起到很好的填充作用，這對(duì)改善水泥顆粒組成和施工性能具有積極意義。因此，大理石粉可替代石灰石作為水泥混合材使用。大理石粉作為混合材單摻的合理摻量在5%-12%之間。

2)大理石粉與礦渣粉復(fù)合使用，作為水泥生產(chǎn)中的混合材，有利于熟料強(qiáng)度發(fā)揮。當(dāng)大理石粉摻量為8%、礦渣粉摻量為16%時(shí)，熟料強(qiáng)度發(fā)揮很好。所配制的42.5R復(fù)合硅酸鹽水泥其強(qiáng)度及各項(xiàng)指標(biāo)實(shí)際上達(dá)到52.5R復(fù)合硅酸鹽水泥標(biāo)準(zhǔn)要求。

3)與天然石灰石相比，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，大理石粉可以不必經(jīng)過破碎工序而直接進(jìn)行給料、配料。這對(duì)于簡化生產(chǎn)工序、降低生產(chǎn)成本有積極作用。

4)大理石粉作為混合材，在15%摻量范圍內(nèi)，大理石粉中所含有的鹵化物絮凝劑對(duì)水泥性能沒有影響。

5)利用南安廢棄大理石粉作為混合材生產(chǎn)水泥既有效利用了廢棄大理石粉，同時(shí)又生產(chǎn)出具有與32.5復(fù)合硅酸鹽水泥同樣的性質(zhì)和用途的32.5強(qiáng)度等級(jí)石灰石硅酸鹽水泥，有較大的市場(chǎng)需求，具有良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益[4]。

[1] 林松偉等.利用南安廢棄大理石粉生產(chǎn)通用硅酸鹽水泥研究報(bào)告[R].福州.福建省建筑材料工業(yè)科學(xué)研究所.2014.1-9.

[2] 顏碧蘭、江麗珍、肖忠明等.GB 175-2007 《通用硅酸鹽水泥》國家標(biāo)準(zhǔn)[S].中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局、中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)2007-11-09發(fā)布.1-4.

[3] 甘向晨、金福錦、趙婷婷等.JC/T 600-2010《石灰石硅酸鹽水泥》部頒標(biāo)準(zhǔn)[S].中華人民共和國工業(yè)和信息化部2010-11-22發(fā)布.1-3.

[4] 林松偉等.利用石材業(yè)廢棄石粉生產(chǎn)水泥的方法[P].中華人民共和國國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局發(fā)明專利公報(bào).2014-1-19.（5）.949.