石材廢粉砂漿的流動性研究

夏勇，陳嘉健*，馬岸民，李子宏，黃焯超

1.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院交通與土木建筑學(xué)院，廣東佛山528000；

2.佛山市技術(shù)創(chuàng)新協(xié)會，廣東佛山528000

隨著我國基建規(guī)模變大，建筑用砂的需求量日益上升，解決砂石短缺問題迫在眉睫。石材廢粉作為石材加工時產(chǎn)生的廢料，每生產(chǎn)30 m2的板材產(chǎn)生的廢料約有1 t［1］，每年可產(chǎn)生近5 000萬m3廢料，80%以上的廢料只能通過簡單的填埋處理，對生態(tài)環(huán)境造成極大的破壞。

有學(xué)者及工程人員嘗試在水泥基材料中摻入適量廢石粉，鞠麗艷等［2-3］試驗發(fā)現(xiàn)，廢石粉取代部分天然砂，可以改善砂漿的和易性，減少砂漿收縮，提高砂漿抗壓強(qiáng)度、抗拉黏結(jié)強(qiáng)度和黏結(jié)強(qiáng)度；陳平等［4］認(rèn)為廢石粉替代河砂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在20%以下時，砂漿流動度及力學(xué)性能均有所提高，最佳摻量出現(xiàn)在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%左右［5］，用大理石粉等質(zhì)量代替20%的河砂會使砂漿出現(xiàn)致密的微觀結(jié)構(gòu)［6］，彭鴻濤［7］實驗發(fā)現(xiàn)摻入石粉后水泥漿體的屈服應(yīng)力塑形黏度和觸變性均逐漸增大。同時，有諸多學(xué)者研究廢石粉對混凝土性能的影響，有研究發(fā)現(xiàn)摻入廢石粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于30%時，混凝土各項耐久性均表現(xiàn)良好［8］，而在混凝土中摻入適量石屑可改善和易性與黏聚性［9］，趙學(xué)濤等［10］實驗發(fā)現(xiàn)摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的石粉時，超高性能混凝土的坍落度和擴(kuò)展度較大，Singh等［11-13］認(rèn)為摻入花崗巖廢料可以提高混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度等性能，而Ulubeyli等［14-15］研究表明摻入大理石廢料會降低自密實混凝土的力學(xué)性能，但能提升其流動度，摻量越大流動度越大。究其原因，有研究發(fā)現(xiàn)粒徑小于10μm的石粉在水泥水化過程中發(fā)揮晶核作用加速水化反應(yīng)，抑制高硫型水化硫鋁酸鈣［3CaO·Al2O3·3CaSO4·（30～32）H2O，AFt］向單硫型水化硫鋁酸鈣（3CaO·Al2O3·CaSO4·nH2O，AFm）轉(zhuǎn)化［16］，同時，石粉在混凝土中還發(fā)揮填充效應(yīng)和化學(xué)作用等［17］。

通過閱讀中外文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，石材廢粉對混凝土性能的研究很廣泛，然而，石材廢粉對砂漿流變性能控制因素的研究卻很少。鑒于此，本文探索用適量體積石材廢粉代替標(biāo)準(zhǔn)砂摻入砂漿中研究砂漿的流變性能，并且采用水測緊密值法測量不同體積石材廢粉代替標(biāo)準(zhǔn)砂的填充密度，綜合填充密度和固體材料總表面積量化出平均液層厚度。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

實驗采用42.5級普通硅酸鹽水泥，符合GB 175-2007/XG 1-2009，密度為3 127 kg·m-3，比表面積為1.14×106m2·m-3；石材廢粉（以下簡稱廢粉）（廣東省佛山市利銘蜂窩復(fù)合材料有限公司），在實驗室干燥箱100℃下干燥2 d，然后進(jìn)行篩分，取粒徑1.25 mm以下的石粉，經(jīng)測量密度為2 400 kg·m-3，比表面積為1.33×106m2·m-3；標(biāo)準(zhǔn)砂（福建省廈門市），細(xì)度模數(shù)為2.48，經(jīng)測量密度為2 476 kg·m-3，比表面積為13 639 m2·m-3；減水劑為液體聚羧酸高性能減水劑，經(jīng)測量密度為1 030 kg·m-2。通過掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）觀察發(fā)現(xiàn)原材料顆粒均不規(guī)則，如圖1所示，廢粉尺寸在標(biāo)準(zhǔn)砂和水泥尺寸之間，可有效提高固體材料的填充密度。

圖1原材料的SEM圖：（a）水泥，（b）石材廢粉，（c）標(biāo)準(zhǔn)砂Fig.1 SEM images of raw materials：（a）cement，（b）waste stone powder，（c）standard sand

1.2 實驗配合比

配制20組不同水灰比下不同體積的廢粉代替標(biāo)準(zhǔn)砂的砂漿試塊進(jìn)行測試，水泥漿體積比（水泥、水、減水劑的總體積與砂漿體積的比值）為50%。由于在流動性能中起決定作用的是體積而非質(zhì)量，水灰比和廢粉代替標(biāo)準(zhǔn)砂均按體積計算，水灰比從1.0到1.6，以0.2為級差；標(biāo)準(zhǔn)砂體積比（標(biāo)準(zhǔn)砂和廢渣的總體積與砂漿體積的比值）為50%，廢粉代替標(biāo)準(zhǔn)砂的體積分?jǐn)?shù)從0%到20%，以5%為級差。試塊以“S-廢粉摻量-水灰比”為編號，其中S代表廢粉，具體配合比如表1所示。

1.3 測試方法

1.3.1 流動性測量流動性測量［18-21］包括靜態(tài)流動性測量和動態(tài)流動性測量。靜態(tài)流動性測量采用小型塌落度筒做擴(kuò)展度測試，擴(kuò)展度值為提起塌落度筒后砂漿在水平桌面上垂直方向直徑平均值減去塌落度筒底面的直徑；動態(tài)流動性測量采用V型漏斗作流速測試，流速為V型漏斗體積與砂漿裝滿漏斗全部流出所需時間的比值。

1.3.2 黏聚性測量砂漿的黏聚性用過篩率大小表示［18-21］，實驗采用1.25 mm方孔孔篩，取約250 g攪拌完成的砂漿從300 mm高度倒入孔篩中，靜置2 min讓漿體通過孔篩至下方托盤，托盤中漿體質(zhì)量與傾倒的漿體總質(zhì)量的比值作為砂漿的過篩率。托盤中砂漿質(zhì)量越小表示過篩率越低，即黏聚性越高。

1.3.3 抗壓強(qiáng)度測量將攪拌完成的砂漿倒入邊長為70.7 mm的立方體模具中，經(jīng)過振搗、抹平及靜置（24±2）h后拆模，然后將試塊放置在溫度為（20±2）℃、相對濕度在90%以上的養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)28 d。強(qiáng)度結(jié)果依照《建筑砂漿基本性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》［22］取值。

表1砂漿試樣配合比和測試結(jié)果Tab.1 Mix proportions and test results of mortar samples

1.3.4 填充密度測量根據(jù)之前的研究，實驗采用水測緊密值法測量固體材料的填充密度，水測緊密值法是指固體材料在不同體積的水下測得的填充率（即固體材料在漿體中所占體積分?jǐn)?shù)）最大值為固體材料的填充密度。固體材料剛好被水包裹形成濕潤的漿體的填充率最大，此時固體材料之間的間距最小，漿體也最密實。當(dāng)水灰比較大時，固體材料分散懸浮在漿液中，砂漿的密實度會下降；當(dāng)水灰比較小時，沒有足夠的水包裹固體材料形成漿體。具體的測量方法及計算公式參考文獻(xiàn)［23-25］。

1.3.5 平均液層厚度計算方法實驗測得固體材料的填充密度后，再通過計算固體材料的總表面積、固體材料之間的空隙及剩余液體的體積來量化出砂漿的平均液層厚度值。具體的計算方法及公式參考文獻(xiàn)［23-25］。

2 結(jié)果與討論

2.1 測試結(jié)果

2.1.1 流動性測量結(jié)果流動性測量結(jié)果見圖2（a）和圖2（b），流速結(jié)果表明在水灰比一定時流速隨廢粉代替標(biāo)準(zhǔn)砂體積分?jǐn)?shù)的增加而減小，這主要是因為廢粉代替標(biāo)準(zhǔn)砂，固體材料的總比表面積大幅增加，導(dǎo)致單位表面積的固體材料表面附著的液層厚度下降。擴(kuò)展度結(jié)果與流速結(jié)果相似，在水灰比一定時擴(kuò)展度隨著廢粉代替標(biāo)準(zhǔn)砂體積分?jǐn)?shù)的增加而減小，隨著水灰比逐漸提高，擴(kuò)展度增加的速率趨于平緩。

2.1.2 黏聚性測量結(jié)果黏聚性測量結(jié)果用過篩率表示，如圖2（c）所示，砂漿的過篩率隨水灰比的提高而變大，而當(dāng)水灰比不變時，廢粉代替等體積的標(biāo)準(zhǔn)砂會降低砂漿的過篩率，廢粉代替標(biāo)準(zhǔn)砂的體積分?jǐn)?shù)越大過篩率降低的效果越明顯。這是由于廢粉顆粒直徑遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)砂直徑，摻入廢粉充分填充了標(biāo)準(zhǔn)砂顆粒間的空隙，優(yōu)化了固體顆粒之間的級配，從而使過篩率降低，砂漿的黏聚性得到提高。

2.1.3 抗壓強(qiáng)度測量結(jié)果抗壓強(qiáng)度測量結(jié)果見圖2（d），用廢粉代替標(biāo)準(zhǔn)砂會顯著提高試塊的抗壓強(qiáng)度，水灰比一定時，隨著廢粉代替標(biāo)準(zhǔn)砂的體積增加，試塊的抗壓強(qiáng)度先增大后減小，最佳的替代體積分?jǐn)?shù)是15%，強(qiáng)度最大可提高70.83%。這是因為廢粉的主要成分是花崗巖粉末和大理巖粉末，花崗巖粉末中含有少量活性物質(zhì)二氧化硅（SiO2）和氧化鋁（Al2O3），在一定程度上增加了膠凝材料中硅酸三鈣（3CaO·Si02，C3S）和鋁酸三鈣（3CaO·Al2O3，C3A）含量，從而使試塊的強(qiáng)度增大；同時，廢粉代替標(biāo)準(zhǔn)砂改善了細(xì)骨料級配，減少漿體內(nèi)部的空隙，提高了漿體的密實度，有效提升試塊強(qiáng)度。

圖2砂漿性能隨廢粉體積分?jǐn)?shù)的變化情況：（a）流速，（b）擴(kuò)展度，（c）過篩率，（d）抗壓強(qiáng)度Fig.2 Variation of properties of mortar with waste stone powder volume fraction：（a）flow rate，（b）flow spread，（c）sieve segregation index，（d）compressive strength

2.1.4 填充密度測量結(jié)果固體材料的填充密度測量結(jié)果列于表1第7列及圖3（a），結(jié)果表明，固體材料的填充密度隨廢粉代替標(biāo)準(zhǔn)砂體積分?jǐn)?shù)的提高先上升達(dá)到最大值，此時，廢粉的體積分?jǐn)?shù)為10%，隨著廢粉體積分?jǐn)?shù)進(jìn)一步地提高填充密度開始逐漸減小，此研究結(jié)果與馬岸民等［20］研究結(jié)果相似。這是因為廢粉顆粒粒徑遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)砂粒徑，當(dāng)廢粉代替等體積的標(biāo)準(zhǔn)砂時，廢粉顆粒填充了標(biāo)準(zhǔn)砂之間的空隙，減小空隙率，提高填充密度，繼續(xù)提高廢粉代替標(biāo)準(zhǔn)砂的體積時，標(biāo)準(zhǔn)砂的體積下降導(dǎo)致細(xì)集料的骨架作用減弱，使得填充密度值大幅下降。

圖3填充密度與平均液層厚度隨廢粉體積分?jǐn)?shù)的變化情況：（a）填充密度，（b）平均液層厚度Fig.3 Variation of packing density and mean liquid thickness with waste stone powder volume fraction：（a）packing density，（b）mean liquid thickness

2.1.5 平均液層厚度計算結(jié)果固體材料的總表面積、固體材料之間的空隙體積、剩余液體以及平均液層厚度計算結(jié)果分別列于表1第8～11列，平均液層厚度隨廢粉代替標(biāo)準(zhǔn)砂體積分?jǐn)?shù)的變化情況如圖3（b）所示。在水灰比一定時，平均液層厚度隨廢粉體積分?jǐn)?shù)的增加而減小，而且水灰比越大平均液層厚度值下降的趨勢越顯著。這主要是因為廢粉的摻入大幅提高了固體材料的比表面積，單位面積上吸附的液體厚度減小，即平均液層厚度減小。

2.2 平均液層厚度對廢粉砂漿性能的影響

2.2.1 平均液層厚度對廢粉砂漿流速的影響平均液層厚度對廢粉砂漿流速的影響如圖4（a）所示，從圖4（a）中可以發(fā)現(xiàn)，流速隨著平均液層厚度的增加而增加，并且增加的速率逐漸變大，由此可見，平均液層厚度是流速的主要控制因素。根據(jù)實驗測得的數(shù)據(jù)點可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)平均液層厚度不變時，廢粉代替標(biāo)準(zhǔn)砂的體積分?jǐn)?shù)較大時流速較小，說明廢粉代替標(biāo)準(zhǔn)砂的體積分?jǐn)?shù)對流速也有一定的影響。綜合平均液層厚度和廢粉體積分?jǐn)?shù)對流速作用的最佳擬合公式及曲線分析，當(dāng)廢粉的體積分?jǐn)?shù)增大時曲線順時針旋轉(zhuǎn)，表明在平均液層厚度不變時，流速隨著廢粉代替標(biāo)準(zhǔn)砂體積分?jǐn)?shù)的增大而減小。擬合公式的相關(guān)系數(shù)R2值達(dá)到0.92，說明流速受到平均液層厚度和廢粉代替標(biāo)準(zhǔn)砂體積分?jǐn)?shù)的共同控制作用。

圖4砂漿性能隨平均液層厚度的變化情況：（a）流速，（b）擴(kuò)展度，（b）過篩率Fig.4 Variation of properties of mortar with mean liquid thickness：（a）flow rate，（b）flow spread，（c）sieve segregation index

2.2.2 平均液層厚度對廢粉砂漿擴(kuò)展度的影響平均液層厚度對廢粉砂漿擴(kuò)展度的影響如圖4（b）所示。隨著平均液層厚度的增加，砂漿的擴(kuò)展度增加且增加的速率逐漸減小，由此可見，平均液層厚度是擴(kuò)展度的主要控制因素。分析實驗測得的數(shù)據(jù)點可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)平均液層厚度不變時，廢粉代替標(biāo)準(zhǔn)砂的體積分?jǐn)?shù)較大時擴(kuò)展度較小，說明廢粉代替標(biāo)準(zhǔn)砂的體積分?jǐn)?shù)對擴(kuò)展度也有一定的影響。綜合平均液層厚度和廢粉體積分?jǐn)?shù)對擴(kuò)展度作用的最佳擬合曲線及公式分析，當(dāng)廢粉的體積分?jǐn)?shù)增大時曲線向下移動，表明在平均液層厚度不變時，擴(kuò)展度隨著廢粉體積分?jǐn)?shù)的增大而減小，這是由于廢粉的摻入使固體顆粒的比表面積增大導(dǎo)致單位表面積吸附的液層厚度減小。擬合公式的相關(guān)系數(shù)R2值達(dá)到0.85，表明擴(kuò)展度受平均液層厚度和廢粉代替標(biāo)準(zhǔn)砂體積分?jǐn)?shù)的共同影響。

2.2.3 平均液層厚度對廢粉砂漿過篩率的影響

平均液層厚度對廢粉砂漿過篩率的影響如圖4（c）所示。從圖4（c）中可觀察到平均液層厚度越大，砂漿的過篩率越高，因此，平均液層厚度是過篩率的主要控制因素。當(dāng)平均液層厚度保持不變時，過篩率隨著廢粉代替標(biāo)準(zhǔn)砂體積分?jǐn)?shù)的增加而下降，表明廢粉的體積分?jǐn)?shù)對砂漿的過篩率也有一定的影響。綜合考慮平均液層厚度和廢粉體積分?jǐn)?shù)的作用，由多變量擬合曲線發(fā)現(xiàn)，當(dāng)廢粉的體積分?jǐn)?shù)增大時，曲線向下移動，說明砂漿的過篩率隨廢粉體積分?jǐn)?shù)的增加而下降，這是因為利用廢粉代替等體積的標(biāo)準(zhǔn)砂有利于優(yōu)化固體材料間的級配，漿體變得更加緊密，導(dǎo)致過篩率下降，黏聚性得到改善。通過擬合曲線分析得到平均液層厚度單一參量與過篩率的相關(guān)系數(shù)R2值為0.78，加入廢粉后R2達(dá)到0.84，表明平均液層厚度和廢粉代替標(biāo)準(zhǔn)砂的體積分?jǐn)?shù)共同控制砂漿的過篩率。

2.3 石材廢粉對砂漿性能的綜合影響

砂漿的擴(kuò)展度隨抗壓強(qiáng)度的變化情況如圖5所示。圖5中的數(shù)據(jù)點清晰地顯示了當(dāng)砂漿抗壓強(qiáng)度越高時，砂漿的擴(kuò)展度則越小，并且當(dāng)摻入的廢粉體積分?jǐn)?shù)較大時，砂漿的抗壓強(qiáng)度較大而擴(kuò)展度較小。測試結(jié)果表明，利用石材廢粉代替等體積的標(biāo)準(zhǔn)砂摻入砂漿中，可得到高強(qiáng)度而低流動性的砂漿，因此，可根據(jù)實際工程的需要用石材廢粉代替適量體積的河砂生產(chǎn)符合實際需求的混凝土制品，既可以解決石材廢料的處置問題，也可以緩解現(xiàn)階段河砂資源短缺問題。

圖5擴(kuò)展度隨抗壓強(qiáng)度的變化情況Fig.5 Variation of flow spread with compressive strength

3 結(jié)論

通過研究20組廢粉砂漿的流動性、1.25 mm過篩率、抗壓強(qiáng)度和填充密度，得到以下結(jié)論：

1）廢粉砂漿的流動性、1.25 mm過篩率均隨廢粉代替標(biāo)準(zhǔn)砂體積分?jǐn)?shù)的增加而減小，對流速、擴(kuò)展度和過篩率的最大減幅分別為71.7%，12.0%和69.3%，其中過篩率減小表明用廢粉代替標(biāo)準(zhǔn)砂可提高砂漿的黏聚性。廢粉砂漿的抗壓強(qiáng)度隨廢粉代替標(biāo)準(zhǔn)砂體積分?jǐn)?shù)的增加而提高，在體積分?jǐn)?shù)為15%時抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大，最大可提高70.8%。

2）通常情況下，當(dāng)廢粉代替標(biāo)準(zhǔn)砂的體積分?jǐn)?shù)由0%增加到20%時，固體材料的填充密度先上升后逐漸減小，廢粉代替標(biāo)準(zhǔn)砂的最佳體積分?jǐn)?shù)為10%。

3）通過多變量曲線擬合發(fā)現(xiàn)，當(dāng)平均液層厚度更大時，砂漿的流動性和過篩率均隨之變大；當(dāng)平均液層厚度保持不變時，隨著廢粉代替更大體積的標(biāo)準(zhǔn)砂，砂漿的流動性和過篩率會減小。過篩率的結(jié)果表明砂漿的黏聚性隨平均液層厚度的增加而下降，但用廢粉代替標(biāo)準(zhǔn)砂有助于改善砂漿的黏聚性。相關(guān)系數(shù)R2值分別達(dá)到0.92，0.85和0.84，說明平均液層厚度和廢粉代替標(biāo)準(zhǔn)砂的體積分?jǐn)?shù)共同控制砂漿的流動性和黏聚性。

因此，使用廢粉代替標(biāo)準(zhǔn)砂摻入砂漿中不僅可以改善砂漿的性能，而且還有利于緩解石材廢棄物的處置問題，改善環(huán)境。