廢棄大理石粉對水泥膠砂性能的影響研究

宋健民,黃寶蓮,張勝權,溫小棟

（1.浙江廣天構件股份有限公司,浙江 寧波 315021; 2.浙江寧工檢測科技有限公司,浙江 寧波 315021;3.寧波工程學院 建筑與交通工程學院,浙江 寧波 315211）

0 引言

隨著國民生活水平的逐步提升，大理石在我國石材工業(yè)中的比重日益增長。但是，大理石在加工過程中會產生大量的廢棄大理石粉，這些廢棄石粉約占原材料的30%，帶來了嚴重的環(huán)境污染和自然資源的浪費[1]。因此，如何提升廢棄大理石粉的應用水平，變廢為寶是大理石工業(yè)面臨的一個重大難題。

為了解決上述問題，國內外研究人員提出將廢棄大理石粉用作為調節(jié)劑以中和酸性土壤，或作為助溶劑來回收電池鉛，但其用量較小無法有效解決大量廢棄大理石粉的利用問題[2-4]。我國基礎設施建設日新月異，水泥混凝土行業(yè)體量巨大，若能將這些廢棄大理石粉作為輔助性膠凝材料應用到水泥混凝土中，則有望實現(xiàn)經濟可行、規(guī)?；盁o害化消納利用廢棄大理石粉，也可實現(xiàn)水泥混凝土行業(yè)的綠色發(fā)展。

近來，國內外學者將石灰石粉作為輔助膠凝材料應用于水泥混凝土行業(yè)，并開展了大量研究工作[5-7]，我國工程建設行業(yè)標準JGJ/T 318—2014《石灰石粉在混凝土中應用技術規(guī)程》中也明確規(guī)定了石灰石粉可摻入到混凝土膠凝材料中。這些成果可為廢棄大理石粉在水泥混凝土中的應用提供潛在的可能性[8-9]。雖然大理石粉與石灰石粉的性質相似，但兩者還是有諸多不同，如：母巖成因不同、礦物成分不同及粉體形貌不同，且廢棄大理石粉方面的研究甚少。因此，本文將廢棄大理石粉作為輔助性膠凝材料應用到水泥膠砂中，并研究了廢棄大理石粉不同摻量對水泥膠砂性能的影響，為廢棄大理石粉在水泥混凝土中的應用奠定了基礎。

1 原材料和實驗方法

1.1 原材料

水泥選用華新水泥股份有限公司生產的P.O 42.5普通硅酸鹽水泥（C），其比表面積為410 m2/kg，主要化學組成如表1所示；物理力學性能指標如表2所示。

表1 水泥、廢棄大理石粉的化學組成

表2 水泥物理力學性能指標

選用的廢棄大理石粉（FSF）來自湖北麻城大理石石材加工廠，主要化學組成如表1所示，其含水率為0.6%，細度為325目，亞甲藍值為0.65。

選用的砂滿足GB/T 17671—1999的標準砂。

1.2 試驗方法

1.2.1 樣品制備

本試驗中所有試樣制備水灰比均為1:2，膠凝材料與砂比例均保持1:3。試驗配合比如表3所示。

表3 膠砂試驗配合比

1.2.2 測試方法

不同廢棄大理石粉摻量條件下水泥膠砂流動度按照GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動度測定方法》進行測試；凝結時間按照GB/T 1346—2011《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》進行測試；強度按照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法》進行測試。

采用壓汞法對廢棄大理石粉摻量為0%、30%的28 d齡期試樣進行孔結構表征。

2 試驗結果與討論

2.1 水泥膠砂流動度

流動度是反映水泥基材料施工性的一個重要基礎指標，廢棄大理石粉摻量對水泥膠砂流動度的影響如圖1所示。

圖1 廢棄大理石粉摻量對水泥膠砂流動度的影響

由圖1可知，隨著廢棄大理石粉摻量的增加，水泥膠砂的流動度逐漸增大。當廢棄大理石粉的摻量分別為10%、20%、30%時，對應的水泥膠砂流動度分別為178 mm、190 mm和196 mm，與空白組相比，分別提高了11.25%、18.75%和22.50%。

上述實驗結果表明，廢棄大理石粉的摻入能夠增加水泥膠砂的流動度，這與之前的研究結果一致[10-11]。其原因為，廢棄大理石粉的摻入，降低了體系中的水泥用量，間接提高了體系的有效水灰比，從而使水泥膠砂的流動度增加；同時廢棄大理石粉顆粒較小且表面光滑，能夠填充在水泥顆粒之間起到潤滑作用，減少水泥顆粒之間的摩擦，并使水泥絮凝結構解體，釋放出被包裹的封閉拌合水，從而增大了水泥的流動性，有利于混凝土的施工。

2.2 水泥膠砂凝結時間

凝結時間是水泥混凝土材料工程應用過程中備受關注的指標，對于混凝土澆筑施工而言，通常希望初凝時間較長，終凝時間較短。不同廢棄大理石粉摻量對水泥膠砂凝結時間的影響如圖2所示。從圖2可看出，廢棄大理石粉的摻入延長了水泥膠砂的凝結時間，即廢棄大理石粉摻量為10%、20%和30%時，其初凝時間分別為173 min、175 min和174 min，與空白組相比分別延長了23 min、25 min和24 min；且摻入10%、20%和30%的廢棄大理石粉時，其終凝時間分別為220 min、225 min和223 min，與空白組相比分別延長了10 min、15 min和13 min。以上結果表明，廢棄大理石粉的摻入能夠延長水泥膠砂的凝結時間，其原因可能是水泥用量的降低使得水化產物生成量減少。但水泥膠砂的凝結時間并未隨著大理石粉摻量的進一步增加而顯著變化。

圖2 廢棄大理石粉摻量對水泥膠砂凝結時間的影響

2.3 水泥膠砂強度

廢棄大理石粉對水泥膠砂3 d、7 d、28 d強度的影響如圖3所示。由圖可知，隨著廢棄大理石粉摻量的增加，水泥膠砂強度有所下降。以28 d強度為例，當廢棄大理石粉的摻量分別為10%、20%和30%時，28 d水泥膠砂抗壓強度分別為55 MPa、47.3 MPa和44.6 MPa，相比于空白組分別下降了8.33%、21.17%和25.67%。究其原因是，廢棄大理石粉的摻入，降低了體系中水泥量，減少了水化產物，導致了各齡期膠砂強度的下降，這與之前的相關研究結論一致[12-13]。

圖3 廢棄大理石粉摻量對水泥膠砂強度的影響

2.4 孔結構

水泥基材料的基本性能與其孔結構的大小及分布關系密切[14-16]。水泥基膠凝材料的孔隙根據(jù)大小可分為：無害孔、少害孔、有害孔和多害孔[17]。表4為空白組及廢棄大理石粉摻量為30%試樣28 d的孔徑分布情況。由表可知，與空白樣相比，當廢棄大理石粉摻量為30%時，總孔隙率由0.207 7 mL·g-1降至0.193 3 mL·g-1，同時大于50 nm的有害空及多害孔的孔體積由0.080 8 mL·g-1下降至0.057 2 mL·g-1。這表明，廢棄大理石粉的摻入可減少試樣孔隙率，并細化孔徑，這主要是由于廢棄大理石粉的填充效應。但廢棄大理石粉摻入對水泥膠砂強度具有正負效應，一方面可通過密實填充效應提高強度，另一方面會因水泥用量的減少而降低水泥膠砂的強度，但當廢棄大理石粉摻量較高（30%）時，負效應占據(jù)主導地位，總體上表現(xiàn)為水泥膠砂強度下降。因此在使用廢棄大理石粉時需要考慮此影響。

表4 不同試樣28 d孔徑分布情況

3 結論

通過室內試驗研究了廢棄大理石粉替代水泥后水泥膠砂的宏觀性能及微觀孔結構，得出以下結論：

（1）廢棄大理石粉摻入，能夠提升膠砂流動度，延長凝結時間，但摻量的增加并不會造成凝結時間的進一步延長。

（2）廢棄大理石粉摻量的增加會對強度造成影響，且摻量越高影響越為顯著；由于廢棄大理石粉的填充效應，可以降低水泥石的總孔隙率及細化孔徑。

（3）從流動度、凝結時間及抗壓強度3個指標綜合考慮，廢棄大理石粉建議摻量為10%。