花崗巖礦石廢料混凝土空心砌塊試驗(yàn)研究

趙更歧，王慶輝，黃小星

（鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450000）

0 前 言

我國擁有豐富的花崗巖資源，但在開采大量的花崗巖礦石的同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生邊角料、石粉沫等廢料。石材在切割、拋光等工藝過程中產(chǎn)生近50%邊角料，這些邊角料絕大部分以廢料的形式被拋棄[1]?；◢弾r廢料的簡單丟棄、堆積，浪費(fèi)土地資源；花崗巖產(chǎn)品加工過程所產(chǎn)生的冷卻液排放進(jìn)入河道、湖泊，污染水資源，破壞當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)系統(tǒng)。這些傳統(tǒng)的處理方法，不符合生態(tài)文明建設(shè)的理念?；◢弾r廢料的資源化利用是解決該環(huán)保難題的唯一途徑。

目前，國內(nèi)外對(duì)花崗巖廢料資源化的嘗試有：用花崗巖廢料制作裝飾材料，生產(chǎn)高性能瓷磚及輕質(zhì)人造飾面磚等[2]。本文以花崗巖邊角料人工破碎制成的骨料，完全代替天然粗骨料，并將適量的花崗巖石粉替代天然砂作為細(xì)骨料。以水灰比、水泥用量、粉渣比為主要因素，進(jìn)行L9（33）正交試驗(yàn)，從而確定最佳配合比，并以此制備符合GB/T 8239—2014要求的花崗巖礦石廢料混凝土空心砌塊。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

再生粗骨料：以河南省內(nèi)鄉(xiāng)縣寶天曼石材有限公司提供的花崗巖廢料經(jīng)反復(fù)破碎篩選的粒徑為5～10 mm連續(xù)級(jí)配的顆粒作為粗骨料。根據(jù)JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測試其物理性能，結(jié)果見表1。

表1 花崗巖廢料粗骨料的物理性能指標(biāo)

砂：河南省新鄉(xiāng)市生產(chǎn)的天然河砂，中砂，細(xì)度模數(shù)3.0，密度2640 kg/m3。

石粉：河南省內(nèi)鄉(xiāng)縣寶天曼石材公司提供的鋸切和拋光等工藝產(chǎn)生的石粉，粒徑0～1.18 mm，密度2850 kg/m3。

水泥：新鄉(xiāng)新星水泥廠生產(chǎn)的P·O32.5水泥，3d抗壓、抗折強(qiáng)度分別為17.33、2.11 MPa，28 d抗壓、抗折強(qiáng)度分別為34.8、5.33 MPa。符合GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》要求。

1.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

（1）花崗巖廢料混凝土的抗壓強(qiáng)度及凍融試驗(yàn)

由于空心砌塊在壓制成型后將立即脫模，所以要求花崗巖廢料混凝土應(yīng)具有抵抗一定變形的能力，必須滿足的2個(gè)條件是：一是混凝土坍落度必須為0；二是混凝土粘聚性良好。首先通過混凝土試配（坍落度試驗(yàn)）找出最低水泥用量，取粉渣比為15%進(jìn)行試配，結(jié)果見表2。

表2 不同水膠比的試配結(jié)果

由表2可知，當(dāng)水膠比為0.50、0.55時(shí)，水泥用量不應(yīng)小于320 kg/m3；水膠比為0.60時(shí)水泥用量不應(yīng)小于340 kg/m3。

為了尋求更加經(jīng)濟(jì)的配合比，本研究采用正交試驗(yàn)，以水灰比、水泥用量和粉渣比（花崗巖礦石細(xì)骨料與花崗巖礦石粗骨料的質(zhì)量比）為主要因素，正交試驗(yàn)因素水平如表3所示。

表3 正交試驗(yàn)因素水平

按照L9（33）進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，澆筑N1～N9共9組100 mm×100 mm×100 mm試塊，每組試驗(yàn)包括3個(gè)小組（每組3個(gè)試塊），分別進(jìn)行立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、凍融后抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、未凍融抗壓強(qiáng)度對(duì)比試驗(yàn)。

（2）空心砌塊的抗壓強(qiáng)度及凍融試驗(yàn)

在上述正交試驗(yàn)確定的花崗巖廢料混凝土優(yōu)化配比的基礎(chǔ)上，制備390 mm×190 mm×190 mm單排雙孔砌塊，空洞率46.1%，根據(jù)GB/T 8239—2014《普通混凝土小型砌塊》對(duì)于承重砌塊的對(duì)外壁和肋厚的要求設(shè)計(jì)為35 mm，孔洞轉(zhuǎn)角設(shè)計(jì)為半徑為15 mm的??；鋼模與砌塊如圖1所示。本節(jié)試驗(yàn)共分為3組：抗壓試驗(yàn)組、凍融試驗(yàn)組、未凍融對(duì)比組。

圖1 空心砌塊試模及制備的空心砌塊

凍融組與對(duì)比組的混凝土試塊與空心砌塊處理方法：依據(jù)GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》在凍融組試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至24 d時(shí)，將其拿出并置于水池中浸泡。待試件養(yǎng)護(hù)至28 d時(shí)將浸泡在水池中的試件取出擦去表面明水，并稱量記錄m1，然后將其置于-15℃的凍融箱內(nèi)冷凍4 h，凍融機(jī)自動(dòng)注入15～25℃溫水融解2 h，該過程為1個(gè)循環(huán)。根據(jù)河南地區(qū)的氣候條件和GB/T 50082—2009要求確定凍融次數(shù)為25次，凍融結(jié)束后整理試件表面，稱量記錄m2，計(jì)算其質(zhì)量損失率。在凍融期間對(duì)比組時(shí)間保持原有養(yǎng)護(hù)條件，待距離凍融結(jié)束還有4 d時(shí)，將對(duì)比組試件置于水池中浸泡。待凍融組凍融結(jié)束后，凍融組與對(duì)比組試件一同進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試。

1.3 性能測試方法

混凝土試塊與空心砌塊的抗壓及凍融試驗(yàn)分別依據(jù)GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》及GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測試，混凝土試塊與空心砌塊的加載速度分別為5 kN/s、4 kN/s。每組試驗(yàn)測得3個(gè)數(shù)據(jù)，找出其中間值，若其它2個(gè)數(shù)據(jù)未在在中間值的85%～115%之間，則剔除，取剩余值的平均值為測試值。

壓力機(jī)為YAW2000B型微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)，最大量程為2000 kN；凍融機(jī)為蘇州市東華試驗(yàn)儀器有限公司生產(chǎn)的TDS-300型慢凍法試驗(yàn)機(jī)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析（見表4）

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果

從表 4可以看出，N1、N5、N7、N8、N9 配合比試塊強(qiáng)度達(dá)到C25級(jí)，N2、N3、N4、N6配合比試塊強(qiáng)度達(dá)到C30級(jí)。

正交試驗(yàn)極差分析見表5。

表5 正交試驗(yàn)極差分析

由表4、表5可知，隨著水膠比的增大，花崗巖廢料混凝土試塊凍融前抗壓強(qiáng)度先提高后降低，在水膠比為0.55時(shí)，立方體抗壓強(qiáng)度最高；水膠比為固定值時(shí)，凍融組抗壓強(qiáng)度隨著粉渣比的增大而增大，在粉渣比為15%時(shí)，凍融后試塊的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值；當(dāng)水膠比為0.50與0.55時(shí)，與凍融對(duì)比組相比凍融組平均強(qiáng)度下降率先增大后減小，在粉渣比為15%時(shí)凍融組平均強(qiáng)度下降率達(dá)到最低，且凍融后平均質(zhì)量損失率同時(shí)達(dá)到最低。石粉粒徑微小填補(bǔ)了骨料簡的縫隙，使得混凝土集料更加密實(shí)，吸水率降低，從而提高混凝土的抗凍性。

影響混凝土抗壓強(qiáng)度的因素主次順序?yàn)锳>C>B，即水膠比>粉渣比>水泥用量；影響強(qiáng)度損失率的因素主次順序?yàn)镃>B>A，且后2個(gè)因素影響程度相近；對(duì)質(zhì)量損失率影響因素極差較大為B、C，且兩者極差值接近，最小的為A。

綜合考慮，在配制花崗巖廢料混凝土?xí)r應(yīng)優(yōu)先考慮的因素為A、C，即水膠比、粉渣比。花崗巖廢料混凝土最佳配合比選擇水膠比為0.55，粉渣比為15%，考慮到混凝土的強(qiáng)度和經(jīng)濟(jì)性，將水泥用量確定為340 kg/m3和320 kg/m3。

2.2 空心砌塊抗壓與凍融試驗(yàn)分析

按照最佳配合比：水膠比為0.55，粉渣比為15%，水泥用量分別為340、320 kg/m3時(shí)制備的空心砌塊抗壓強(qiáng)度見表6，抗凍性見表7。

表6 空心砌塊的抗壓強(qiáng)度

由表6可以看出，2種水泥用量配比制備的砌塊強(qiáng)度均能符合GB/T 8239—2014《普通混凝土小型砌塊》中MU10的要求（抗壓強(qiáng)度≥10 MPa）。其中采用水泥用量為340 kg/m3配比制作的砌塊強(qiáng)度較為穩(wěn)定，且其外觀較為密實(shí)美觀，而水泥用量為320 kg/m3的砌塊強(qiáng)度穩(wěn)定性較差，且外觀并不嚴(yán)實(shí)有較多空隙，但若進(jìn)行工廠生產(chǎn)可優(yōu)先選取該配比制作MU10砌塊，因?yàn)樵撆浔雀咏?jīng)濟(jì)且工廠生產(chǎn)還需壓力壓制，會(huì)減少砌塊空隙率，強(qiáng)度會(huì)更加穩(wěn)定。

表7 空心砌塊的抗凍性

由表7可知，25次凍融循環(huán)后，空心砌塊的質(zhì)量損失率≤5%，強(qiáng)度損失率平均值≤20%[3]，由2種混凝土配合比制作的空心砌塊均能抵御25次凍融循環(huán)，滿足砌塊的正常使用，但水泥用量為320 kg/m3的配比成本更低。

3 結(jié)語

（1）在花崗巖廢料混凝土抗壓和凍融試驗(yàn)中，配制混凝土?xí)r水膠比、粉渣比為主要考慮因素，水泥用量為次要考慮因素。

（2）石粉粒徑微小填補(bǔ)了骨料間的縫隙，使得混凝土集料更加密實(shí)，吸水率降低，從而提高混凝土的抗凍性；粉渣比為15%時(shí)，抗凍性能最佳。

（3）采用水膠比為0.55，粉渣比為15%，水泥用量分別為340 kg/m3和320 kg/m32個(gè)配比配制的花崗巖廢料混凝土空心砌塊均能滿足MU10級(jí)的強(qiáng)度要求，水泥用量為320 kg/m3的配比制備的砌塊更加經(jīng)濟(jì)。