废弃石粉配制绿色高性能混凝土的试验研究

摘 要：对原状废弃花岗岩石粉进行了再加工处理，研究了废弃石粉对高性能混凝土综合性能的影响。试验研究表明：在合理的掺量范围（≤15%）内，经过处理的废弃石粉与硅灰复掺等量取代水泥，能够配制出同时满足高流动性、高强度与高抗渗的高性能混凝土。石粉与硅灰的合适掺配比例为15％：（5％～10%）。利用废弃石粉作为绿色混凝土矿物掺合料，不仅满足高性能要求，同时可以节约水泥、节约石材矿产资源，减少环境污染，具有环境保护与实现混凝土绿色化的双重效益。

关键词：废弃石粉；矿物掺合料；绿色高性能混凝土

中图分类号：TU528. 01 文献标识码： A

0 引言

　　随着建筑装饰石材加工行业发展迅速，我国石材加工企业每年产生了大量的废浆。废浆中水和石粉各约占50%，由于随意排放，造成严重的粉尘污染和河流污染。据保守估计，福建省石材加工企业每年产生的废弃石粉近千万吨[1]，至今仍没有很好的加以利用。因此，废弃石粉的综合利用已成为福建、广东等石材大省环保领域急待解决的问题。另一方面，混凝土作为土木工程需求最大的结构材料，为了可持续发展和改善自身性能，需要大量利用各种工业废渣或固体废弃物，目前，国内外对粉煤灰、磨细高炉矿渣、硅灰等活性矿物掺合料的研究已日臻成熟，但有关废弃石粉用作混凝土矿物掺合料方面的报道并不多见。

　　近年来，作者对废弃花岗岩石粉开展了专门的试验研究。前期研究表明：在合理的掺量范围内，废弃石粉能够有效地改善混凝土拌和物的和易性，提高坍落度；对硬化混凝土的强度虽有负面影响，但是可以配制中等强度等级的商品混凝土[2]。作为一种新的资源，废弃石粉能否配制绿色高性能混凝土？本文对废弃石粉的再加工处理、掺配方式及其对高性能混凝土性能的影响进行了进一步的试验研究。

1 试验原材料及其加工处理

1.1 试验材料

　　采用厦门“国道牌”P.O42.5 级普通硅酸盐水泥，其密度3.10g/cm3，比表面积350m2/kg；九龙江河砂，密度2.63g/m3，堆积密度1434kg/m3，细度模数Mx=2.86；5~25mm的碎石，密度2.68g/m3，堆积密度1440kg/ m3，级配合格；厦门科之杰公司生产的“点石牌”FDN 萘系减水剂，黄褐色粉末，减水率为8%～25%；矿物掺合料：a.粉煤灰：厦门嵩能粉煤灰开发有限公司生产的I级粉煤灰，过45μm筛的筛余量为3%，比表面积504m2/kg。b.硅灰：成都东蓝星科技发展有限公司生产，平均粒径0.115μm，比表面积30100 m2/kg。c. 废弃石粉：来源于漳州龙海角美板材厂，花岗岩材质，从废料池中铲出，呈淤泥土块状，经烘箱65℃烘干后稍加碾压，过0.63mm方孔筛筛出杂物备用。

1.2 废弃石粉的加工处理

　　本文采用的废弃石粉系花岗岩材质，是一种惰性的、非活性矿物质粉体材料。经检测，未经处理的原状石粉通过0.080mm方孔筛的筛余（％）为39.48%，比表面积S 比＝297.5m2/kg<300m2/kg，显然不适宜直接做混凝土的掺合料。因此，采用SM-500试验磨对其进行了研磨加工。由表1 看出，随着研磨时间的延长，石粉的细度相应增大，但增长趋势逐渐趋缓。考虑到成本因素，确定研磨时间为18min，此时石粉的比表面积S 比＝549.5m2/kg，超过I级粉煤灰的细度。

2 试验方案设计

　　混凝土按照高性能混凝土标准设计，设计目标为：设计强度等级为C50（28d的配制强度应达到59.87MPa）；满足泵送施工要求，坍落度控制在160±30mm；满足高抗渗要求，抗渗等级≥P12。经过试配得到的基准配合比如下：胶凝材料：砂：石：水＝1：1.29：1.94：0.36。胶凝材料含水泥和矿物掺合料，后者包括粉煤灰、硅灰和石粉，采用等量、内掺方式取代水泥，它们的掺量范围是粉煤灰10%~30%、硅灰5%~10%、石粉10%~25%。为了确定石粉的最佳掺入方式，分别采用单掺、与粉煤灰复掺、与硅灰复掺三种方案。试验过程中，固定胶凝材料总量、砂子、石子和水的质量不变。为了满足坍落度要求，各组外掺0.6%~1.0%不等的萘系高效减水剂。具体试验方案详见表2。

3 试验结果及分析

　　根据《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55—2000）进行混凝土成型、养护和工作性能、抗压强度试验；对《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》（GBJ82—85）中抗渗性试验方法进行了修改。当水压加至1.2MPa 恒压8h后无渗水现象时，采用劈裂法劈开试件，测量渗水高度，据此开展混凝土抗渗性能试验。试验结果见表3 和图1所示。

3.1 石粉对工作性能的影响

　　表3 显示，在胶凝材料粉体总量和用水量相同、减水剂不变或减少的前提下，与空白组相比，随着石粉的加入，除与硅灰复掺的第11组，其余各组混凝土拌和物的坍落度均较空白组提高了10 mm ~30mm，显示出石粉对流动性的改善作用。但是，粘聚性和保水性则随着石粉掺配方式的不同而表现不一。在20％掺量范围以内，单掺石粉不仅提高了坍落度，同时粘聚性和保水性保持着良好状态。当掺量达到25％时，粘聚性和保水性变差，出现泌水、离析分层现象；与粉煤灰复掺时，石粉与粉煤灰的复配比例宜为15％：10％~15％；与硅灰复掺结果表明，硅灰对于石粉混凝土的粘聚性和保水性有特别显著的改进作用，石粉与硅灰的适宜比例为15％：5％。

　　本试验采用的废弃石粉为花岗岩石粉，属于晶态非活性矿物质材料。虽然是一种惰性粉末，但是由于其颗粒细度达到了I级粉煤灰的细度水平，所以在混凝土中不仅可以发挥微粒填充效应，同时还有形态效应。它可以补充混凝土中缺少的小颗粒，增大固体表面面积的比例，从而减少泌水和离析，保持良好的粘聚性与保水性；由于是惰性粉末，花岗岩石粉不参与水化，亲水能力较差，相对需水量小，同时细粒的石粉和水泥、粉煤灰与水一道形成流动的浆体，增加了混凝土中浆体的数量，因此在维持相同水胶比条件下，当用石粉替代一部分水泥时，拌和物的水分显得较为富余，所以使坍落度得以提高，流动性得到改善。

3.2 石粉对抗压强度的影响

　　从强度的检测结果来看，除了11 组的28d强度是个例外，无论是单掺还是复掺，石粉的加具备化学活性，所以不能参与水泥浆体的水化与硬化，因而无法体现出火山灰效应。因此过多的石粉替代水泥之后，会对高性能混凝土的强度和入，对于混凝土的早期强度和后期强度都产生了不利影响，且这种不利影响随着石粉掺量的增加更趋明显。其中，只有前3 组和后3 组的28d强度达到了C50 的配制强度要求。可以看出，硅灰的复掺有利于增进石粉混凝土的强度，可以考虑将石粉与硅灰复配。从满足高强要求的角度考虑，石粉的掺量以不超过15%为宜。值得注意的是，与粉煤灰的复配使石粉混凝土强度下降的幅度更大，因此此种掺配方式可以不予考虑。

3.3 石粉对抗渗性能的影响

　　混凝土的各项耐久性能都与抗渗性密切相关，它反映了混凝土的致密程度和内部孔结构。抗渗性好，意味着混凝土的总孔隙率低，最可几孔径小，开口连通的孔隙少，侵蚀介质难以渗入，抗蚀性高。在强度检测的基础上，选取了几组有代表性的配比进行了混凝土抗渗性能试验。图1的试验结果显示：单掺15％石粉对混凝土的抗渗性能没有不良影响；当10％的石粉与10％的硅灰复掺时，混凝土的抗渗性能最优；当石粉与粉煤灰各自按15％复掺时，混凝土的抗渗性能最差。说明石粉的掺量及掺入方式对混凝土的抗渗性能影响较大。

　　试验结果进一步证实了花岗岩石粉是一种非活性矿物掺合料，在混凝土中通过改善固体粒子（胶凝材料粒子）的颗粒级配以及填充密实作用，增加混凝土硬化体的密实性，其作用主要体现在物理方面。但因其不具备化学活性，所以不抗渗性产生负面影响。

　　硅灰对石粉混凝土的增强作用与提高抗渗性能的原因有两点：一是由于硅灰具有远较石粉巨大的比表面积（30100m2/kg），平均粒径仅0.115μm，同石粉的平均粒径不在同一个数量级，相互间有更好的填充密实效应，在水泥、石粉、硅灰粒子之间形成了“超复合叠加效应”，使水泥石结构和界面结构更加致密，从而大大降低了混凝土的孔隙率，并使孔径减小，阻断了可能形成的渗透通路（贯通孔），因此水和各种侵蚀介质难以进入混凝土内部；二是由于硅灰的稀释效应，特别是火山灰效应，减少了粗大结晶、稳定性极差，容易遭到氯盐等侵蚀介质腐蚀的水化产物—Ca(OH)2 的数量及其在水泥石—集料界面过渡区上的富集与定向排列，从而优化了界面结构，并生成强度更高、稳定性更优、数量更多的低碱度水化硅酸钙凝胶。水化产物相组成的改善，对于提高包括抗渗性在内的混凝土各方面耐久性的作用极大，被大量研究证明具有显著的增强特性和高抗蚀性[3]。

4 结论

　　（1）未经处理的原状花岗岩石粉不宜直接用作混凝土的矿物掺合料，应采用烘干、碾压、研磨工序对其进行加工处理，处理后的废弃石粉比表面积应达到500 m2/kg以上。

　　（2）比较单掺、与粉煤灰复掺、与硅灰复掺三种方案的试验结果认为，在合适的掺量范围内，与硅灰复掺等量取代水泥，更有利于发挥废弃石粉的微粒填充作用与微集料效应，能够配制出同时满足高流动性、高强度与高抗渗的高性能混凝土。石粉与硅灰的合适掺配比例为15％：（5％～10%）。能否进一步提高石粉掺量有待于后续研究。

　　（3）利用废弃石粉作为绿色混凝土矿物掺合料，不仅能够满足高性能要求，同时可以节约水泥、节约石材矿产资源，减少环境污染，具有环境保护与实现混凝土绿色化的双重效益。

参考文献

　　1. 国际石材商情[N]．福建省花岗岩石材供货情况．2005：1－8．

　　2. 胡红梅，程瑶，黄红柳．废弃石粉作为混凝土矿物掺合料的探索性研究[A]．见：全国高性能混凝土和矿物掺合料的研究与工程应用技术交流会论文集[C]．广东珠海，2006．383-386．

　　3. [美]泰伦斯．C．赫兰．关于硅灰和高性能混凝土的一些思考 [J]．混凝土， 2004，（9）：10-13．