廢棄石粉對(duì)水泥砂漿性能影響的研究

摘要：廢棄石粉是礦物石材破碎加工過(guò)程中的副產(chǎn)品，因?yàn)槠淞捷^小，所以在處理和再次利用方面面臨挑戰(zhàn)。文章探索在室內(nèi)環(huán)境條件下利用石粉部分替代水泥制備石粉/水泥砂漿的可行性，并系統(tǒng)研究該砂漿的流動(dòng)度、凝結(jié)時(shí)間、水化產(chǎn)物的晶體組成及其相對(duì)含量，以及抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示：隨著石粉替代比例的提升，砂漿的流動(dòng)度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，同時(shí)初凝時(shí)間和終凝時(shí)間均相應(yīng)縮短，在3 d和28 d齡期時(shí)，C-S-H（水化硅酸鈣）和Ca（OH）2（氫氧化鈣）的相對(duì)含量均有所降低；當(dāng)石粉替代率達(dá)到10%時(shí)，相較于純水泥組，石粉/水泥砂漿在3 d和28 d的抗壓強(qiáng)度分別提高了21.4%和11.5%。該研究可為石粉固體廢棄物的資源化利用提供指導(dǎo)，對(duì)促進(jìn)石材加工副產(chǎn)品的有效利用和環(huán)境保護(hù)具有重要意義。

關(guān)鍵詞：廢棄石粉；流動(dòng)度；抗壓輕度；水化產(chǎn)物；資源化利用

中圖分類(lèi)號(hào)：TU528" " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " "文章編號(hào)：1674-0688（2024）11-0099-05

0 引言

當(dāng)前，“生態(tài)、綠色、低碳”的理念已成為全球經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的主流趨勢(shì)［1］。作為工程結(jié)構(gòu)中的主要核心材料之一，普通混凝土在全球范圍內(nèi)被廣泛應(yīng)用于各類(lèi)工程建設(shè)中。水泥生產(chǎn)過(guò)程中的能源消耗占全球總能耗的15%～20%，同時(shí)其二氧化碳排放量占人為排放源的5%～7%，每年CO?的排放量約為40億噸，并伴有大量有害物質(zhì)如粉塵顆粒的排放，對(duì)環(huán)境造成了顯著污染。值得注意的是，中國(guó)的水泥消費(fèi)量占全球總消費(fèi)量的70%左右，由此帶來(lái)的高資源消耗、高能耗以及高二氧化碳排放等問(wèn)題，給社會(huì)和環(huán)境帶來(lái)了沉重負(fù)擔(dān)［2］，已引起社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。與此同時(shí)，作為全球大理石的主要出口國(guó)之一，中國(guó)擁有豐富的大理石礦產(chǎn)資源［3］。然而，礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)與利用不可避免地會(huì)產(chǎn)生大量固體廢棄物。在大理石的開(kāi)采和加工過(guò)程中（如切割、拋光、研磨等環(huán)節(jié)），會(huì)產(chǎn)生大量固體廢料粉末，這些粉末的利用率極低，難以找到其他用途。常見(jiàn)的處理方式包括堆放或填埋，這不僅占用了大量土地，而且還帶來(lái)了粉塵污染等環(huán)境問(wèn)題。如果這些固體廢物不能得到及時(shí)有效的處理，將造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。因此，將廢棄石粉作為部分替代材料用于水泥中，實(shí)現(xiàn)其資源化利用，不僅能緩解水泥生產(chǎn)帶來(lái)的巨大能耗問(wèn)題，而且還能解決廢棄石粉帶來(lái)的環(huán)境負(fù)擔(dān)。

在廢棄石粉資源化利用的研究領(lǐng)域，我國(guó)已取得了一些相關(guān)研究成果。黃紅柳［4］通過(guò)優(yōu)化高石粉含量人工砂，并對(duì)其在混凝土中的力學(xué)性能和干縮性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，同時(shí)與大尺寸原級(jí)配混凝土進(jìn)行了對(duì)比研究，研究結(jié)果表明，使用高石粉人工砂能夠提升混凝土的力學(xué)性能、改善新拌混凝土的和易性，并增強(qiáng)混凝土的抗裂性能。該研究充分證明了石粉可以部分替代水泥，用于水泥、砂漿、混凝土的生產(chǎn)，以及作為生產(chǎn)磚塊和面板等建筑材料的原材料。與此同時(shí)，部分學(xué)者還對(duì)石粉的替代率進(jìn)行了深入研究。李北星等［5］探討了機(jī)制砂中石粉含量（3.5%、7.0%、10.5%、14.0%）和粉煤灰摻量（0%、11.3%、17.0%）對(duì)C60高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度、彈性模量、干縮率、氯離子擴(kuò)散系數(shù)和抗凍性等性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，機(jī)制砂中石粉的含量可放寬至10.5%，而不會(huì)影響混凝土的整體性能。此外，粉煤灰的摻用對(duì)機(jī)制砂混凝土中的石粉含量表現(xiàn)出不敏感性，機(jī)制砂中的部分石粉可作為摻和料使用，其替代量約為水泥用量的11.3%。然而，現(xiàn)有研究對(duì)石粉的替代率普遍控制在10%左右，這在一定程度上限制了石粉的資源化利用［6］?；诖吮尘?，本文將石粉的替代率進(jìn)一步提升至25%，旨在探討在高石粉替代率下石粉/水泥砂漿的性能表現(xiàn)，為石粉的資源化高效利用提供更豐富的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)原材料

本研究選用的是由本地經(jīng)銷(xiāo)商提供的“海螺”牌普通硅酸鹽水泥（P.O.42.5），其密度為3 116 kg/m3。硅酸鹽水泥的主要化學(xué)組成成分見(jiàn)表1，其激光粒度分布見(jiàn)圖1。為了降低石粉組分不均勻性可能帶來(lái)的實(shí)驗(yàn)誤差，本研究使用的大理石原材料購(gòu)自本地石材供應(yīng)商。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，這些大理石原料經(jīng)過(guò)破碎和篩分處理，最終制得粒徑小于0.075 mm的微細(xì)大理石石粉粉末。隨后，將石粉粉末置于溫度設(shè)定為105 ℃的恒溫烘箱中進(jìn)行24 h的干燥處理。干燥完成后，待石粉粉末冷卻至室溫，即進(jìn)行密封保存，以備后續(xù)使用。制備砂漿所需的砂料來(lái)源于本地建材經(jīng)銷(xiāo)商，其細(xì)度模數(shù)為2.36，表觀密度為2 600 kg/m3，并且顆粒級(jí)配良好。此外，在水泥砂漿的制備過(guò)程中，所使用的拌合水為本地自來(lái)水。

1.2 砂漿試件的制備

水泥砂漿的配合比見(jiàn)表2，其中Ctrl組為純水泥砂漿對(duì)照組，R5組表示使用石粉替代5%的水泥，其他組別的命名方式依此類(lèi)推。在制備砂漿時(shí)，首先將試驗(yàn)所需的凝膠材料、石粉及砂置于攪拌鍋內(nèi)，進(jìn)行3 min的初步攪拌。隨后，加入拌和水，并繼續(xù)攪拌3 min。攪拌結(jié)束后，將新制備的砂漿澆筑到尺寸為40 mm×40 mm×40 mm的立方體模具中。為確保砂漿結(jié)構(gòu)密實(shí)并排除內(nèi)部殘留空氣，將模具放置在振動(dòng)臺(tái)上振搗30 s。振搗完成后，使用刮平尺對(duì)試模表面進(jìn)行抹平處理。隨后，將成型的砂漿轉(zhuǎn)移到養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)的溫度控制在（20±2） ℃，濕度保持在95%以上。砂漿固化24 h后進(jìn)行脫模，再將試塊轉(zhuǎn)移到養(yǎng)護(hù)室繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至指定齡期。養(yǎng)護(hù)完成后，將進(jìn)行相應(yīng)的力學(xué)性能測(cè)試。此外，水泥凈漿的制備流程與砂漿制備基本相同，但需注意，水泥凈漿的制備過(guò)程不需要加入砂。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 流動(dòng)性

根據(jù)規(guī)范《水硬性水泥灰漿流動(dòng)性的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》（ASTM C1437），采用水泥膠砂流動(dòng)測(cè)定儀測(cè)定新拌砂漿的流動(dòng)性。在規(guī)定的震動(dòng)狀態(tài)下，測(cè)量砂漿的擴(kuò)展范圍。跳臺(tái)跳動(dòng)結(jié)束后，使用卡尺測(cè)量砂漿底面兩個(gè)垂直方向上的直徑，計(jì)算其平均值并將結(jié)果四舍五入至最近的整數(shù)值，以此作為砂漿流動(dòng)性的量化指標(biāo)，單位采用毫米（mm）。

1.3.2 凝結(jié)時(shí)間

參照規(guī)范《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 1346—2011），采用維卡儀測(cè)定砂漿的凝結(jié)狀態(tài)。初凝前，每隔5 min測(cè)量1次，當(dāng)試針下沉至距模具底板約4 mm時(shí)，判定砂漿為初凝狀態(tài)。隨后，將試件與模具一同取下并倒置于另一玻璃板上，繼續(xù)測(cè)定終凝時(shí)間。接近終凝狀態(tài)時(shí)，調(diào)整測(cè)試頻率為每隔15 min一次。當(dāng)試針在水泥砂漿表面不再留下圓環(huán)印記時(shí)，判定為終凝狀態(tài)。

1.3.3 抗壓強(qiáng)度測(cè)試

對(duì)養(yǎng)護(hù)至3 d、7 d和28 d齡期的試件，采用萬(wàn)能電力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試。每組測(cè)試包含3個(gè)試塊，取這3個(gè)試塊抗壓強(qiáng)度的平均值作為該組的最終抗壓強(qiáng)度值。

1.3.4 X射線衍射測(cè)試

為研究不同替代率石粉對(duì)水化產(chǎn)物的影響，采用Smartlab SE X射線衍射儀分析水泥凈漿在3 d和28 d齡期時(shí)的礦物成分。在進(jìn)行測(cè)試之前，所有組別的水泥凈漿樣品需在105 ℃的溫度下干燥24 h。隨后，將干燥后的水泥凈漿樣品進(jìn)行碾磨破碎處理，通過(guò)200目標(biāo)準(zhǔn)篩（篩孔直徑為0.075 mm）篩分，選取粒徑小于0.075 mm的粉體樣品進(jìn)行X射線衍射測(cè)試。

1.3.5 熱重分析測(cè)試

為測(cè)定水化產(chǎn)物的相對(duì)含量，使用Q5000IR型熱重分析儀對(duì)3 d和28 d齡期的水泥凈漿樣品進(jìn)行熱重分析測(cè)試。測(cè)試在氮?dú)夥諊逻M(jìn)行，氮?dú)饬髁吭O(shè)定為25" mL/min，測(cè)試溫度范圍為30～900 ℃，升溫速率控制在20 ℃/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 流動(dòng)度分析

流動(dòng)度是衡量砂漿工作性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一［7］。不同石粉替代率下水泥砂漿的流動(dòng)度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖2，其中Ctrl組的流動(dòng)度為262 mm。由圖2可以看出，隨著石粉替代率的增加，流動(dòng)度呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)。當(dāng)替代率為5%時(shí)，水泥砂漿的流動(dòng)度降至246 mm，相比Ctrl組減少了6.1%；當(dāng)替代率增至25%時(shí)，流動(dòng)度進(jìn)一步減至214 mm，與Ctrl組相比降低了18.3%。這一現(xiàn)象的主要原因有以下兩點(diǎn)：①石粉自身具有疏松多孔的結(jié)構(gòu)，含有較多孔隙和裂紋，在砂漿制備過(guò)程中會(huì)吸收部分拌和水，導(dǎo)致砂漿的有效拌合水量減少，進(jìn)而影響其流動(dòng)性。②石粉在砂漿基體中分散性較好，隨著替代率的增大，單位體積內(nèi)石粉的凈含量逐漸增加。石粉因其粒徑較小，能夠沉積并填充水泥砂漿內(nèi)部的微細(xì)孔徑，雖然有助于砂漿的密實(shí)度提升，但是也增大了砂漿在震動(dòng)過(guò)程中受到的摩擦阻力，從而抑制了石粉砂漿的流動(dòng)速度。

2.2 凝結(jié)時(shí)間

凝結(jié)時(shí)間作為衡量砂漿凝結(jié)硬化性能的重要指標(biāo)，反映了砂漿從拌合狀態(tài)到失去可塑性并開(kāi)始硬化的過(guò)程變化。通常，凝結(jié)時(shí)間過(guò)短可能對(duì)混凝土的運(yùn)輸和施工帶來(lái)不利影響，而終凝凝結(jié)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)則會(huì)拖延施工進(jìn)度，降低施工效率，并導(dǎo)致時(shí)間延誤。不同石粉替代率下水泥砂漿的凝結(jié)時(shí)間見(jiàn)圖3，其中Ctrl組的初凝和終凝時(shí)間分別為450 min和550 min。與Ctrl組相比，5%和10%石粉替代率的砂漿初凝時(shí)間分別縮短了5 min和14 min，表明隨著石粉替代率的增加，初凝時(shí)間逐漸縮短。當(dāng)替代率達(dá)到25%時(shí)，初凝時(shí)間減少至360 min，與Ctrl組相比縮短了90 min。終凝時(shí)間的變化規(guī)律與初凝時(shí)間一致。這一現(xiàn)象可能是由于石粉內(nèi)部的微結(jié)構(gòu)特征，即石粉具有疏松多孔的結(jié)構(gòu)和高吸水率，在水泥水化過(guò)程中能夠吸收部分拌和水，降低砂漿整體的水灰比，從而加速了砂漿的凝結(jié)過(guò)程，縮短了凝結(jié)時(shí)間。

2.3 X射線衍射測(cè)試分析

通過(guò)測(cè)試砂漿的流動(dòng)度和凝結(jié)時(shí)間，得出以下結(jié)論：石粉對(duì)砂漿的凝結(jié)過(guò)程具有促進(jìn)作用。為進(jìn)一步研究水化產(chǎn)物的晶體類(lèi)型，對(duì)不同組別的水泥凈漿進(jìn)行了X射線衍射（XRD）測(cè)試，以進(jìn)行定性分析［8］ ，不同組別的水泥凈漿的XRD分析結(jié)果見(jiàn)圖4。主要水化產(chǎn)物包括氫氧化鈣［Ca（OH）2］、碳酸鈣（CaCO3）、硅酸三鈣（C3S）和二氧化硅（SiO2）。其中，Ca（OH）2由水泥中的硅酸三鈣（C3S）和硅酸二鈣（C2S）水化后進(jìn)一步反應(yīng)形成；CaCO3主要由Ca（OH）2與空氣中的CO2反應(yīng)產(chǎn)生；SiO2的衍射峰源于水泥本身的熟料成分；此外，還檢測(cè)到未完全水化的水泥顆粒對(duì)應(yīng)的C3S衍射峰。從總體來(lái)看，石粉的加入并未顯著改變水化產(chǎn)物的晶體類(lèi)型，但CaCO3的衍射峰逐漸增強(qiáng)，這可能是石粉本身含有較多的CaCO3所導(dǎo)致的。盡管如此，石粉的加入對(duì)各組水化產(chǎn)物的衍射峰產(chǎn)生的影響并不明顯。

2.4 熱重分析

為進(jìn)一步定量分析水化產(chǎn)物的相對(duì)含量，對(duì)3 d和28 d齡期的水泥凈漿進(jìn)行了熱重分析（TGA）測(cè)試，3 d/28 d齡期水泥凈漿的TGA分析結(jié)果分別見(jiàn)圖5和圖6。據(jù)相關(guān)學(xué)者研究，C-S-H（水化硅酸鈣）的熱分解溫度范圍通常為120～180 ℃，而Ca（OH）2的熱分解溫度范圍一般為400～500℃。當(dāng)測(cè)試溫度升至600～800 ℃時(shí)，主要分解的水化產(chǎn)物變?yōu)镃aCO3。通過(guò)計(jì)算各溫度區(qū)間內(nèi)的質(zhì)量差異，可得出C-S-H、Ca（OH）2和CaCO3的相對(duì)質(zhì)量損失含量。

不同組別砂漿在不同溫度下的質(zhì)量損失率見(jiàn)表3，表3中的數(shù)據(jù)可用于評(píng)估各組別砂漿的水化程度［9］。分析結(jié)果顯示，石粉的加入對(duì)水泥的水化過(guò)程具有一定的抑制作用。Ctrl組在3 d齡期時(shí)，C-S-H的相對(duì)含量為2.79%，而在28 d齡期時(shí)增至4.64%。同時(shí)，3 d和28 d齡期的Ca（OH）2相對(duì)含量分別為3.48%和3.91%。然而，隨著石粉替代率的增加，C-S-H、Ca（OH）2和CaCO3的相對(duì)含量均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。當(dāng)石粉替代率達(dá)到25%時(shí)，C-S-H的相對(duì)含量?jī)H為3.88%。這一現(xiàn)象主要是由于石粉的活性較低、比表面積較小且吸水率較高［10］。在水化過(guò)程中，石粉吸收部分拌和水，從而抑制了水泥的水化。這一發(fā)現(xiàn)與之前的凝結(jié)時(shí)間和流動(dòng)度測(cè)試結(jié)果相一致，進(jìn)一步證實(shí)了石粉對(duì)砂漿性能的影響。

2.5 抗壓強(qiáng)度分析

砂漿的抗壓強(qiáng)度是評(píng)估其力學(xué)性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一［11］。不同組別水泥砂漿3 d、7 d、28 d齡期的抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)見(jiàn)圖7。Ctrl組在3 d、7 d和28 d齡期時(shí)的抗壓強(qiáng)度分別為19.1 MPa、28.9 MPa和38.3 MPa。當(dāng)石粉替代5%的水泥時(shí)，相較于Ctrl組，3 d、7 d和28 d的抗壓強(qiáng)度分別提升了5.2%、8.0%和4.7%。當(dāng)石粉替代10%的水泥時(shí)，抗壓強(qiáng)度的提升最為顯著，3 d、7 d和28 d的抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到23.2 MPa、33.4 MPa和42.7 MPa，與Ctrl組相比，分別提升了21.5%、15.6%和11.5%。然而，當(dāng)石粉替代量增加至25%時(shí)，抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)明顯下降，28 d的抗壓強(qiáng)度較Ctrl組降低了11.6%。這一現(xiàn)象的主要原因是石粉的粉末形態(tài)遠(yuǎn)細(xì)于水泥顆粒，具有較大的比表面積和較好的吸水性能。因此，在水化過(guò)程中，石粉會(huì)吸收部分拌和水，導(dǎo)致水泥水化過(guò)程中所需的水量減少。當(dāng)石粉的替代率過(guò)高時(shí)，會(huì)抑制水化物的生成，這一點(diǎn)在XRD和TGA測(cè)試中得到了驗(yàn)證，從而導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度的降低。值得注意的是，當(dāng)石粉替代率為10%時(shí)，表現(xiàn)出較高的抗壓強(qiáng)度。這主要是由于石粉粒徑較小，能夠填充砂漿內(nèi)部的微細(xì)孔隙，提高砂漿的致密性，從而增強(qiáng)抗壓強(qiáng)度。

3 結(jié)論

本研究通過(guò)采用不同比例的石粉替代水泥，深入探究了其對(duì)砂漿性能的影響，具體包括流動(dòng)度、凝結(jié)時(shí)間、水化產(chǎn)物的晶體類(lèi)型及關(guān)鍵水化產(chǎn)物的相對(duì)含量，研究結(jié)果概述如下。

（1）隨著石粉替代率的增加，砂漿的流動(dòng)度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，同時(shí)初凝時(shí)間和終凝時(shí)間也相應(yīng)縮短。

（2）在3 d和28 d齡期時(shí)，隨著石粉替代率的提升，C-S-H和Ca（OH）2的相對(duì)含量均有所降低。這一現(xiàn)象歸因于石粉的活性相對(duì)較低、比表面積較小且吸水率較高。在水化過(guò)程中，石粉吸收部分拌和水，進(jìn)而抑制了水泥的水化進(jìn)程。這一發(fā)現(xiàn)與凝結(jié)時(shí)間和流動(dòng)度的測(cè)試結(jié)果相吻合。

（3）當(dāng)石粉替代率為10%時(shí)，砂漿在3 d、7 d和28 d齡期的抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到23.2 MPa、33.4 MPa和42.7 MPa，與較Ctrl組相比，分別提升了21.5%、15.6%和11.5%。然而，隨著石粉替代率的進(jìn)一步提高，砂漿的抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)明顯下降。

綜合試驗(yàn)結(jié)果，考慮到石粉作為一種固體廢物，適量地替代部分水泥不僅有助于提升砂漿的抗壓強(qiáng)度，而且還對(duì)固廢的資源化利用具有一定的實(shí)踐指導(dǎo)意義。

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