人造崗石產(chǎn)業(yè)廢粉混凝土抗折強(qiáng)度試驗(yàn)研究

李桂山 張金團(tuán) 王痛快 張帆 胡琴 蒙東林 莫錦平

(1.廣西賀州交通投資集團(tuán)有限公司 廣西賀州 542899；2.賀州學(xué)院建筑工程學(xué)院 廣西賀州 542899;3.賀州市生態(tài)新城開發(fā)有限公司 廣西賀州 542899)

0 引言

廣西賀州市作為全國大理石主要產(chǎn)地之一，儲(chǔ)藏有豐富的大理石礦產(chǎn)，當(dāng)?shù)卣畬⒋罄硎a(chǎn)業(yè)打造成地方千億元產(chǎn)業(yè)。隨著大理石產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，大理石開采量不斷增加，在開采、運(yùn)輸、切割、打磨等過程產(chǎn)生大量的廢渣、廢粉、廢漿等固體廢棄物。有研究表明，一塊重15～20t的大理石巖塊，在開采、切割、打磨等處理過程中會(huì)損失70%[1]。從開采到加工成產(chǎn)品，產(chǎn)生大量的大理石產(chǎn)業(yè)粉體[2]，其中產(chǎn)生的大理石產(chǎn)業(yè)粉體會(huì)被繼續(xù)利用制造人造崗石，而人造崗石在生產(chǎn)加工中產(chǎn)生的含有非飽和樹脂的人造崗石產(chǎn)業(yè)廢粉利用途徑少、利用率很低，大量廢粉對環(huán)境產(chǎn)生了嚴(yán)重影響，阻礙了地方大理石產(chǎn)業(yè)發(fā)展。因此，將這些廢棄物重新利用起來，則將對環(huán)境污染和經(jīng)濟(jì)損失產(chǎn)生積極效應(yīng)[3- 4]。

近十年，逐漸有學(xué)者開始研究大理石粉在水泥基材料中的應(yīng)用。王嘉杰[5]研究發(fā)現(xiàn)，摻加適量大理石粉(8%～10%)可提高水泥漿體力學(xué)性能；Corinaldesi[6]研究了大理石粉在砂漿和混凝土中的應(yīng)用；Munir等[7]用大理石粉替代混凝土中的水泥開展研究，發(fā)現(xiàn)替代量為10%時(shí)，可以增加混凝土強(qiáng)度；肖佳等[8]研究了大理石粉對水泥基膠凝材料流動(dòng)性、強(qiáng)度和干縮的影響，研究發(fā)現(xiàn)水泥膠砂強(qiáng)度隨大理石粉摻量增加先增大后減少，摻量為5%其抗折和抗壓強(qiáng)度最大。雖然，大理石粉在混凝土中應(yīng)用研究取得了一定的成果，但對于含有非飽和樹脂的人造崗石廢粉在混凝土中的應(yīng)用研究較少。基此，本研究利用廣西利升石業(yè)有限公司產(chǎn)生的人造崗石廢粉，設(shè)計(jì)了6組試驗(yàn)，研究廢粉摻量對混凝土抗折強(qiáng)度的影響，為人造崗石產(chǎn)業(yè)廢粉在混凝土中的應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料

本試驗(yàn)水泥，選用華潤富川水泥廠生產(chǎn)的潤豐(旋窯)P·O42.5級水泥，記為P，化學(xué)組成成分(表1)，水泥物理力學(xué)性能指標(biāo)(表2)；粉體采用廣西利升石業(yè)有限公司產(chǎn)生的人造崗石產(chǎn)業(yè)廢粉，記為MF，人造崗石廢粉化學(xué)成分(表3)，粒徑分布特征及基本性能(表4)，樣品如圖1所示；砂采用廣西梧州市天然河沙，粗骨料采用連續(xù)級配的天然碎石骨料，最大顆粒粒徑為25mm；試驗(yàn)用水采用賀州市自來水。

圖1 人造崗石產(chǎn)業(yè)廢粉

表1 水泥的化學(xué)組成成分 %

表2 水泥物理力學(xué)性能指標(biāo)

表3 人造崗石產(chǎn)業(yè)廢粉化學(xué)組成成分 %

表4 人造崗石產(chǎn)業(yè)廢粉粒徑分布特征及基本性能

1.2 試驗(yàn)配合比

試驗(yàn)以人造崗石產(chǎn)業(yè)廢粉替代水泥摻量0%、5%、10%、15%、20%、25%為變量，共設(shè)計(jì)6組試驗(yàn)?；炷烈該搅?%為基準(zhǔn)配合比，配制強(qiáng)度為C30，對于其它不同人造崗石產(chǎn)業(yè)廢粉摻量的混凝土配合比，在基準(zhǔn)配合比基礎(chǔ)上保持砂、石子、水的量不變，膠凝材料總質(zhì)量保持不變，改變水泥及廢粉質(zhì)量，各組混凝土配合比如表5所示。

表5 混凝土配合比

1.3 試件制作

試件按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》(GB/T50081-2002)規(guī)范要求制作150mm×150mm×550mm的標(biāo)準(zhǔn)試件[9]，首先按配合比計(jì)算材料用量，考慮人造崗石產(chǎn)業(yè)廢粉顆粒細(xì)小而極易團(tuán)聚，并且其吸水性能較強(qiáng)、吸水后更易團(tuán)聚。為使廢粉在混凝土中分散均勻，首先將廢粉與水泥攪拌約0.5min，然后加水?dāng)嚢?.5～1min，最后加入粗、細(xì)骨料攪拌約2min，攪拌完后得到混凝土拌合物，裝模、成型、養(yǎng)護(hù)。試件制作流程如圖2所示。

圖2 試件制作流程

1.4 試驗(yàn)方法

(1)抗折強(qiáng)度試驗(yàn)

按照《普通混凝土力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)方法》(GB/T 50081-2002)規(guī)范要求[9]，試塊尺寸為150mm×150mm×550mm棱柱體，在試件跨度三分點(diǎn)處同時(shí)加載，加載方式如圖3所示。加載過程保持均勻、連續(xù)，加荷速度為0.02～0.05MPa/s。當(dāng)試件接近破壞時(shí)，記錄破壞荷載。當(dāng)試件下邊緣斷裂位置處于兩個(gè)集中荷載作用線之間時(shí)，試件的抗折強(qiáng)度ft按規(guī)范計(jì)算公式(1)計(jì)算：

(1)

式中：ft——混凝土抗折強(qiáng)度(MPa)；

F——試件破壞荷載(N)；

L——支座間跨度(mm)；

b——試件截面寬度(mm)；

h——試件截面高度(mm)。

試驗(yàn)計(jì)算混凝土的抗折強(qiáng)度值精確至0.1MPa?？箟簭?qiáng)度為抗折強(qiáng)度斷后的兩塊在兩個(gè)側(cè)面加上寬為150mm鋼板按標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法加載進(jìn)行抗壓試驗(yàn)所得的試驗(yàn)結(jié)果。

圖3 加載方式

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)按照混凝土的配合比，每組制作3個(gè)試件，共18個(gè)試件開展抗折試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)實(shí)測值按式(1)計(jì)算得到的28d抗折強(qiáng)度值如表6所示。表6中抗折強(qiáng)度數(shù)據(jù)均代表3個(gè)試件的平均值。圖4為不同摻量廢粉與抗折強(qiáng)度之間的變化關(guān)系。

圖4 廢粉摻量與抗折強(qiáng)度之間的變化關(guān)系

表6 試驗(yàn)抗折強(qiáng)度

由圖3、表5數(shù)據(jù)分析可知：

(1)不同摻量人造大理石產(chǎn)業(yè)廢粉混凝土抗折強(qiáng)度最低值為3.8MPa，最高值為5.87MPa，均值為4.94MPa；

(2)當(dāng)摻量為5%時(shí)，人造崗石產(chǎn)業(yè)廢粉混凝土抗折強(qiáng)度達(dá)到最大，與摻量為0%的混凝土抗折強(qiáng)度相比提高了9%；

(3)隨著廢粉摻量的不斷增大，混凝土抗折強(qiáng)度先增大后減少。當(dāng)摻量≥10%時(shí)，與摻量為0%的混凝土抗折強(qiáng)度相比，人造崗石產(chǎn)業(yè)廢粉混凝土抗折強(qiáng)度均低。

2.2 回歸分析

根據(jù)混凝土抗折強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸計(jì)算分析，得到回歸方程見式(2)：

y=5.4567+0.0874x-0.0114x2+0.002x3

(2)

式中：y——混凝土抗折強(qiáng)度，MPa；

x——人造崗石產(chǎn)業(yè)廢粉摻量，%。

不同摻量人造崗石產(chǎn)業(yè)廢粉混凝土抗折強(qiáng)度實(shí)測值擬合曲線如圖5所示，相關(guān)系數(shù)R=0.97，擬合精度較高，可用于人造崗石產(chǎn)業(yè)廢粉混凝土抗折強(qiáng)度與摻量分析及預(yù)測。

圖5 抗折強(qiáng)度擬合曲線

2.3 抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度對比分析

根據(jù)試驗(yàn)同組相同混凝土配合比實(shí)測抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度對比分析，不同摻量人造崗石產(chǎn)業(yè)廢粉混凝土抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度如表7所示。表7中抗壓強(qiáng)度為抗折試驗(yàn)后的兩塊在兩個(gè)側(cè)面加上寬為150mm鋼板按標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法加載進(jìn)行抗壓試驗(yàn)所得的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。

表7 抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度比值

根據(jù)不同摻量人造崗石產(chǎn)業(yè)廢粉混凝土抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度比值隨摻量的變化如圖6所示。

圖6 摻量與ft,k/fcu,k之間關(guān)系

由表7、圖6分析可知：

(1)不同摻量人造崗石產(chǎn)業(yè)廢粉混凝土抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度比值約為0.2，均值μ=0.2。隨著廢粉摻量的增加，ft,k/fcu,k比值基本保持不變。

(2)不同摻量人造崗石產(chǎn)業(yè)廢粉混凝土抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度之間的換算關(guān)系詳見式(3)。

ft,k=0.2fcu,k

(3)

3 結(jié)論

通過摻入不同摻量的人造崗石產(chǎn)業(yè)廢粉混凝土抗折試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)研究結(jié)果得到以下結(jié)論：

(1)隨著摻量的增加，人造崗石產(chǎn)業(yè)廢粉混凝土抗折強(qiáng)度先增加后減少，大理石廢粉摻量為5%時(shí)，抗折強(qiáng)度值達(dá)到最大5.87MPa，與摻量為0%混凝土抗折強(qiáng)度相比提高了9%。

(2)根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合了人造崗石廢粉混凝土抗折強(qiáng)度與摻量之間的函數(shù)方程，相關(guān)系數(shù)R=0.97擬合精度較高，可用于人造崗石產(chǎn)業(yè)廢粉混凝土抗折強(qiáng)度與摻量關(guān)系的分析及預(yù)測。

(3)不同摻量人造崗石產(chǎn)業(yè)廢粉混凝土抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度比值約為0.2，均值μ=0.2，得到了抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度之間的換算關(guān)系。