大理石廢粉-水泥力學(xué)性能及微觀結(jié)構(gòu)影響研究*

蒙茂貞，何淇鋒，何振嘉，曹德瑞，殷軍帆，王海波

（賀州學(xué)院 建筑與電氣工程學(xué)院，廣西 賀州542899）

廣西賀州市蘊(yùn)藏有豐富的大理石資源，據(jù)地質(zhì)部門勘測(cè)儲(chǔ)量居全國(guó)白色大理石資源首位，大理石產(chǎn)業(yè)成為了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)支柱的產(chǎn)業(yè)之一。隨著大理石礦產(chǎn)的不斷開發(fā)，大理石的開采、運(yùn)輸、打磨、切割等處理過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的廢渣、廢粉、廢漿等廢棄物，大量的廢漿、廢粉利用途徑較少，利用率低，帶來(lái)嚴(yán)重的污染問(wèn)題，因此這一問(wèn)題制約了當(dāng)?shù)禺a(chǎn)業(yè)的發(fā)展。大理石廢粉的產(chǎn)生環(huán)境問(wèn)題備受關(guān)注。

大理石廢漿、廢粉作為摻合料用于水泥基材料中的研究較多。Hüseyin Ylmaz Arunta等[1]人使用大理石廢棄物同水泥摻加生產(chǎn)波特蘭水泥。10%的大理石廢棄物可作為摻加料生產(chǎn)水泥，不影響水泥凝結(jié)時(shí)間，增加了比重和比表面積。所有比例的大理石廢棄物水泥的各齡期抗壓強(qiáng)度均高于波特蘭水泥。楊永民等[2]人開展了石粉在水泥生產(chǎn)中的再利用，利用大理石粉和花崗巖粉用作水泥混合材料進(jìn)行了分析研究，大理石粉使水泥凝結(jié)時(shí)間縮短，水泥早期水化有明顯的促進(jìn)作用。Ahmed N等[3]人用大理石粉替代石灰石粉用于制造新型水泥（白色水泥CRⅡ號(hào)），發(fā)現(xiàn)大理石粉水泥可以使硬化混凝土的性能提高16%；可以提高新拌混凝土的性能；可以用作結(jié)構(gòu)混凝土。Kirgiz Mehmet Serkan[4-5]使用大理巖粉、磚粉、石膏和水泥復(fù)摻，研究混合水泥的界限強(qiáng)度。水泥中摻加大理石粉的界限值為6%，摻加磚粉的界限值為35%。廢棄大理石超細(xì)顆粒和磚超細(xì)顆?？梢杂脕?lái)生產(chǎn)水泥，是對(duì)固體廢棄物處理研究的有益探討。Muhammad Junaid Munir等[6]人用大理石粉替代水泥，取代率為10%時(shí)混凝土強(qiáng)度提高；替代量為10%和40%時(shí)，砂漿膨脹減少28%和50%。張金團(tuán)團(tuán)隊(duì)[7-8]研究發(fā)現(xiàn)摻入一定量大理石廢粉對(duì)水泥基材料早期強(qiáng)度具有促進(jìn)作用。E.Bacarji等[9]人用大理石和花崗巖碎屑，取代水泥制作混凝土，大摻量會(huì)降低混凝土抗壓強(qiáng)度。綜上研究表明，大理石廢粉在水泥材料中的研究對(duì)于摻量的影響開展大量的工作，對(duì)于不同類的大理石廢粉研究較少。本文提出以不同種類大理石廢粉及取代率為參數(shù)，研究大理石廢粉對(duì)水泥基材料的力學(xué)性能及微觀結(jié)構(gòu)影響規(guī)律，為大理石廢粉取代水泥的應(yīng)用提供支撐，不僅能夠廢物利用變廢為寶，還能解決環(huán)境污染問(wèn)題。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料

試驗(yàn)水泥采用某水泥廠生產(chǎn)的P·O 42.5級(jí)水泥，記為C，化學(xué)組成成分見表1，力學(xué)性能指標(biāo)見表2；大理石廢粉體為某公司人造崗石廢粉（含有機(jī)物樹脂）及賀州某大理石加工廠產(chǎn)生的切割廢粉，分別記為MF1、MF2；粒徑分布特征見表3。水采用自來(lái)水。

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 試驗(yàn)材料粒徑分布特征

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)以大理石廢粉的種類（MF1、MF2）、取代率（0%、5%、10%、15%、20%、25%）為變量，根據(jù)《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》（GB/T 17671-1999）規(guī)定的設(shè)計(jì)試驗(yàn)配合比，研究不同變量對(duì)力學(xué)性能及微觀結(jié)構(gòu)的影響，試驗(yàn)共設(shè)計(jì)11組，設(shè)計(jì)分組見表4。

1.3 試驗(yàn)方法

大理石廢粉-水泥膠砂流動(dòng)度試驗(yàn)，根據(jù)表4試驗(yàn)設(shè)計(jì)分組配合比，按照《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法》（GB/T 2419-2005）[10]規(guī)范的方法進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)定膠砂流動(dòng)度。

大理石廢粉-水泥膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)，根據(jù)表4試驗(yàn)設(shè)計(jì)分組配合比，按照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》（GB/T 17671-1999）[11]在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，養(yǎng)護(hù)24h后脫模制作成40mm×40mm×160mm棱柱體試件，養(yǎng)護(hù)3天和28天后，測(cè)定3d和28d抗折和抗壓強(qiáng)度。

表4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)分組

微觀結(jié)構(gòu)試驗(yàn)主要通過(guò)SEM掃描電鏡，對(duì)3d、28d試驗(yàn)樣品進(jìn)行觀測(cè)分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 大理石廢粉對(duì)膠砂流動(dòng)度的試驗(yàn)結(jié)果

不同種類大理石廢粉取代率對(duì)流動(dòng)度的結(jié)果見圖1 。由圖1可知，不同種類大理石廢粉對(duì)膠砂流動(dòng)度影響較大，CMF1隨著人造崗石廢粉取代率的增加流動(dòng)度出現(xiàn)先減小后增加現(xiàn)象，取代率為5%、10%時(shí)流動(dòng)度與0%相比出現(xiàn)略微降低現(xiàn)象，與0%結(jié)果基本一致。取代率在15%～25%時(shí)，隨取代率的增加流動(dòng)度增大，相對(duì)于摻量為0%的流動(dòng)度提高了0.9%～3.44%。對(duì)于CMF2隨著切割廢粉（MF2）取代率增加流動(dòng)度逐漸增大，與取代率0%相比流動(dòng)度提高了2.1%～5.1%。說(shuō)明大理石廢粉取代水泥可改善拌合物的流動(dòng)性，主要由于大理石廢粉取代率增大，水泥所占量減少，水灰比W/C增加，拌合物流動(dòng)性增大；不同種類大理石粉，相同取代率的大理石廢切割廢粉（MF2）相對(duì)于人造崗石廢粉（MF1）改善膠砂流動(dòng)度效果明顯。人造崗石廢粉（MF1）摻量較小時(shí)膠砂流動(dòng)度出現(xiàn)略微降低現(xiàn)象，歸因于人造崗石廢粉含有有機(jī)物樹脂，但大理石廢粉取代水泥的膠砂流動(dòng)性試驗(yàn)結(jié)果均符合規(guī)范要求。

圖1 膠砂流動(dòng)度試驗(yàn)結(jié)果

2.2 大理石廢粉對(duì)水泥膠砂強(qiáng)度的影響

由圖2、圖3可知，隨取代率的增大，3d抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度基本上先增大后減小。大理石切割廢粉取代率為5%時(shí)3d抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大，相對(duì)于取代率0%分別提高了11%、18%；人造崗石廢粉（MF1）取代率為5%時(shí)3d抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大，相對(duì)于取代率0%分別提高了9%、12%。摻量小于10%時(shí)，3d抗壓、抗折強(qiáng)度均大于與摻量0%強(qiáng)度結(jié)果，而對(duì)于28d抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果隨取代率增加，基本呈下降趨勢(shì)。取代率越大，抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度下降越大。說(shuō)明摻入一定量的大理石廢粉對(duì)早期強(qiáng)度有利，摻量增大后，3d、28d抗壓、抗折強(qiáng)度逐漸降低，均低于取代率為0%的對(duì)照組。而且大理石切割廢粉（MF2）的效果明顯優(yōu)于人造崗石廢粉（MF1）。主要由于大理石廢粉促進(jìn)早期水化反應(yīng)，對(duì)早期強(qiáng)度有利[12]，取代率增大后，造成實(shí)際水灰比W/C增大，強(qiáng)度降低；而選用大理石切割廢粉（MF2）的效果明顯優(yōu)于人造崗石廢粉（MF1），主要?dú)w因于人造崗石廢粉（MF1）中含有有機(jī)物樹脂，導(dǎo)致人造崗石廢粉與水化產(chǎn)物粘結(jié)性降低，膠凝材料整體性較差，存在薄弱區(qū)；取代率5%大理石切割粉（MF2）的膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，滿足規(guī)范42.5級(jí)水泥力學(xué)性能要求，這一結(jié)果與相關(guān)學(xué)者研究一致[7]。

圖2 不同大理石廢粉取代率3d、28d抗折強(qiáng)度結(jié)果

圖3 不同大理石廢粉取代率3d、28d抗壓強(qiáng)度結(jié)果

2.3 大理石廢粉-水泥強(qiáng)度折壓比分析

不同大理石廢粉取代率與3d、28d折壓比之間關(guān)系見圖4，由圖4（a）可知，不同大理石廢粉取代率3d抗折與抗壓強(qiáng)度比值約為0.21，均值μ=0.21。當(dāng)取代率變化時(shí)，不同大理石廢粉3d抗折與抗壓強(qiáng)度基本穩(wěn)定，取代率5%、10%折壓比均小于取代率為0%折壓比。由圖4（b）可知，不同大理石廢粉取代率28d抗折與抗壓強(qiáng)度比值約為0.185，均值μ=0.185。相同取代率時(shí)，人造崗石廢粉28d折壓比優(yōu)于大理石切割粉，這與2.2大理石廢粉對(duì)水泥膠砂強(qiáng)度的影響結(jié)果原因一致。隨著取代率增加，不同大理石廢粉折壓比均大于取代率0%折壓比。不同大理石廢粉取代率3d、28d抗折與抗壓強(qiáng)度換算關(guān)系分別見式（1）、式（2）。

圖4 不同大理石廢粉取代率與3d、28d折壓比之間關(guān)系

2.4 大理石粉-水泥SEM結(jié)果分析

不同齡期CMF1、CMF2樣品SEM結(jié)果分別見圖5、圖6。由圖5可知，3d樣品SEM結(jié)果微觀結(jié)構(gòu)較為疏松，明顯可見AFt、C-S-H、CH及人造崗石廢粉附著在水化產(chǎn)物C-S-H凝膠上，水化產(chǎn)物中存在大量的孔隙。28d樣品SEM結(jié)果顯示微觀結(jié)構(gòu)相對(duì)致密，AFt數(shù)量減少，可見大量的C-S-H凝膠、CH，結(jié)果中仍存在可見的人造崗石廢粉。由圖6可知，3d樣品SEM結(jié)果與CMF1相比微觀結(jié)構(gòu)比較致密，明顯可見大量C-SH凝膠，水化產(chǎn)物中孔隙數(shù)量相對(duì)較少，這與3d抗壓、抗折強(qiáng)度結(jié)果表現(xiàn)一致。28d樣品結(jié)果未見明顯的大理石切割廢粉，說(shuō)明大理石切割廢粉被水化產(chǎn)物包裹較好，整體結(jié)構(gòu)較好，相同條件下，大理石切割廢粉對(duì)提高強(qiáng)度效果顯著。

圖5 不同齡期CMF1樣品SEM結(jié)果

圖6 不同齡期CMF2樣品SEM結(jié)果

3 結(jié)論

（1）不同種類大理石廢粉對(duì)膠砂流動(dòng)度影響較大，隨取代率的增大流動(dòng)度發(fā)生改善。相同摻量的條件下，大理石切割廢粉（MF2）相對(duì)于人造崗石廢粉（MF1）改善膠砂流動(dòng)度效果明顯，但不同大理石廢粉取代水泥的膠砂流動(dòng)性試驗(yàn)結(jié)果均符合規(guī)范要求。

（2）不同大理石廢粉隨取代率的增大3d抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度基本上先增大后減小。大理石切割廢粉取代率為5%時(shí)3d抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大，相對(duì)于取代率0%分別提高了11%、18%。28d抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果隨取代率增加，基本呈下降趨勢(shì)。摻入一定量的大理石廢粉對(duì)早期強(qiáng)度有利，相同取代率大理石切割廢粉（MF2）的效果明顯優(yōu)于人造崗石廢粉（MF1）。取代率5%大理石切割粉（MF2）的膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，滿足規(guī)范42.5級(jí)水泥力學(xué)性能要求。

（3）不同大理石廢粉取代率與3d、28d抗折與抗壓強(qiáng)度的比值分別為0.21、0.185。得到抗折與抗壓強(qiáng)度的換算關(guān)系。由不同大理石廢粉SEM結(jié)果顯示，相同取代率條件下，大理石切割廢粉樣品微觀結(jié)構(gòu)較人造崗石廢粉樣品較為致密，大理石切割廢粉被水化產(chǎn)物包裹較好。