利用中国红花岗石边角料生产无机人造石

遇启慧，张倚铭，陈佳源，郭兵帅，周 杨，孙 野，冯启明，2(.西南科技大学环境与资源学院，四川 绵阳 6200；2.固体废物处理与资源化教育部重点实验室，四川 绵阳 6200)

利用中国红花岗石边角料生产无机人造石

遇启慧1，张倚铭1，陈佳源1，郭兵帅1，周 杨1，孙 野1，冯启明1，2
(1.西南科技大学环境与资源学院，四川 绵阳 621010；2.固体废物处理与资源化教育部重点实验室，四川 绵阳 621010)

本文对利用红色花岗石边角料为骨料，以无机胶凝材料作为胶结料，并配以红色无机颜料及其他外加剂，生产红色人造石进行了研究。结果显示，制品养护至28 d时的抗压强度为92.8 MPa，抗折强度为11.9 MPa，吸水率为3.46%，光泽度为63.8光泽单位，其性能超过国家建材行业标准《建筑装饰用水磨石——水泥人造石》(JC/T507—2012)的指标。放射性属于国家标准的A类装饰装修材料，产销和使用范围不受限制。

中国红花岗石；边角料；无机人造石

四川雅安地区拥有丰富的红色花岗石石材，资源量达五千多万立方米，品种繁多，闻名遐迩，其中最有名的是“中国红”花岗石[1]。这种红色花岗石主要是由红色粗粒钾长石和石英组成[2]，抛光后整体呈红色，具有颜色美观、硬度高、耐磨损等特点，目前已建有几十家花岗石开采和加工企业。在花岗石荒料开采及板材加工过程中，板材成材率一般在30%左右，其余部分为小块碎料及粉料等，统称为边角料，目前只有极少数部分用于生产天然彩色骨料以及作为生产微晶玻璃装饰板材[3]等的原料，绝大部分还未得到高效利用，既占用大量堆放场地，又浪费矿产资源，遇暴雨还可能造成泥石流等自然灾害，严重困扰着石材企业的生产和发展[4]。如何将这些边角料进行大宗高效利用，以生产高附加值产品，已成为当地石材企业期盼解决的问题。

目前国内外人造大理石主要有聚酯型有机人造石、硅酸盐型无机人造石、复合型和烧结型四种。针对硅酸盐型无机人造石存在抗折强度低、不耐酸，光泽度差、表面返碱等缺点，李健学等[5]采用铝酸盐水泥作为粘结剂研制出一种表面光洁度为95°的人造石镜面板。孙强等[6]、孙国忠等[7]研究表明，废玻璃与粉煤灰还起到了抑制人造无机大理石表面返碱的作用。岑绍辉等[8]选用铝酸盐水泥、导电石墨粉及专用添加剂通过制作中间层，研制成具有电暖功能的人造大理石。

本文对利用红色花岗石边角余料为骨料，以无机胶凝材料作为胶结料，并配以红色无机颜料及其他外加剂，生产新型红色无机人造石材进行研究。这对大力推进节能减排，发展节能环保产业，资源循环利用，发展循环经济，建设资源节约型及环境友好型社会有重要意义[9-10]。

1 实验部分

1.1 原材料

试验所用原材料：①花岗石骨料，将采自四川雅安某石材企业排放的红色花岗石边角料用颚破机破碎至-10 mm的颗粒，并筛分成4个粒级备用；②水泥，52.5R白色硅酸盐水泥(阿尔博安庆白水泥有限公司)；③聚羧酸减水剂；④自制偏高岭石超细粉；⑤水晶渗硅剂；⑥超细铁红颜料。

1.2 实验方法

以合理级配的花岗石颗粒为骨料，白色硅酸盐水泥为胶结料，偏高岭石作矿物外加剂，无机颜料、减水剂等为混凝土外加剂，加入一定量自来水搅拌均匀后，分别浇入100 mm×100 mm(测抗压强度)和100 mm×200 mm(测抗折强度和其他性能)的钢模内，振动密实，24 h后脱模，放入混凝土标准养护箱养护至28 d，取出后经过切割、磨平、表面处理后再经过精细抛光，按建材行业标准《建筑装饰用水磨石——水泥人造石》(JC/T507—2012)检测其相关性能。

单一级配的骨料的紧堆密度和孔隙率用以下方法进行测试和表征[11]：将单一粒度级配的骨料装填于1 000 mL的塑料量筒中，一边装填一边轻轻振动，直至1 000 mL刻度，称重骨料。按式(1)计算紧堆密度D，然后向量筒中注水至1 000 mL刻度；按式(2)计算不同级配的骨料的孔隙率δ。单一级配骨料的紧堆密度和孔隙率见表1。

D=W/1 000 cm3

(1)

式中：D为紧堆密度，单位为g/cm3；W为骨料质量，单位为g。

δ=V/1 000 cm3

(2)

式中：δ为孔隙率，单位为%；V为水的体积，单位为cm3。

2 结果与讨论

2.1 骨料级配与紧堆密度和孔隙率的关系

2.1.1 单一粒度级配骨料的紧堆密度和孔隙率

单一粒度级配骨料的紧堆密度和孔隙率测定结果见表1。

从表1可知，在10～0.6 mm范围内，单一粒度级配的骨料的紧堆密度是随粒径减小而增大，而孔隙率是随粒径减小而减小，但在此粒径范围内的单一级配骨料孔隙率都较大。因此需对不同粒度级配骨料的紧堆密度和孔隙率进行研究，以求得紧堆密度较大而孔隙率较小的合理的骨料粒度级配。

2.1.2 不同级配骨料的紧堆密度和孔隙率

使用合理粒度级配的骨料，可以减少水泥用量，增大骨料用量，以降低人造石的成本，同时可使无机人造石石质感增强，表面光泽度提高。不同粒度级配骨料的紧堆密度和孔隙率见表2。

表1 单一级粒度级配骨料的紧堆密度和孔隙率

表2 骨料级配与紧堆密度和孔隙率的关系

由表2可知，骨料的级配不同，紧堆密度和孔隙率也不同，紧堆密度越大，孔隙率越小。根据影响水泥混凝土强度的基本理论，在其他条件都相同时，用小孔隙率级配的骨料制备出的人造石的抗压强度、抗折强度等性能较好[12]，因此对骨料的级配对水泥人造石性能的影响需要实验研究验证。

2.2 骨料粒度级配对人造石性能的影响

采用52.5R白色普通硅酸盐水泥作为胶结料，胶骨比为0.34，水胶比(w/c)为 0.316，减水剂用量为水泥质量的0.74%，铁红颜料为水泥质量的1.4%等条件一定时，骨料粒级级配对水泥人造石性能的影响见表3。表3中处理前的光泽度是指样品养护至28 d，经切割打磨、初步抛光后测得的光泽度，处理后的光泽度是指切割打磨初级抛光后，用水晶渗硅剂进行表面处理再进行精细抛光后测得的光泽度。与样号对应的骨料级配见表2。

由表3数据可知，在相同条件下，紧堆密度越大或孔隙率越小的级配的骨料，样品的抗压强度、抗折强度越大，光泽度越高，而吸水率越小，各个样品的性能指标均超过《建筑装饰用水磨石——水泥人造石》(JC/T507—2012)的标准(该标准中，水泥人造石的抗折强度≥10 MPa，吸水率≤4%，光泽度≥60光泽度单位)。其中2号样品的骨料级配较为合理。

由于水泥人造石内部存在一些毛细微孔，在潮湿环境下，水泥水化时产生的氢氧化钙易迁移至表面，使其表面出现“泛碱”现象[13]，会使人造石表面光泽度降低，影响其装饰性，而水晶渗硅剂易与氢氧化钙反应生成硅酸凝胶，封堵毛细孔隙，可抑制“泛碱”现象，并使其表面光泽度提高，因此用水晶渗硅剂处理后的样品，其光泽度明显提高。

表3 骨料级配对人造花岗石性能的影响

2.3 偏高岭石矿物外加剂掺量对其性能影响

水泥基无机人造石在使用中遇到潮湿环境易出现泛碱现象，会影响其修饰效果，这是目前水泥基人造石普遍存在而又急于解决的问题。偏高岭石是一种水泥混凝土的良好的矿物活性外加剂，它是由高岭石经一定温度煅烧后磨细而成，将其掺入新拌水泥混凝土中时，易与水泥水化时产生的游离氢氧化钙反应形成硅铝质胶凝材料，防止氢氧化钙碳化所造成水泥制品的泛碱现象，同时还可堵塞毛细微孔，另外偏高岭石可作为微集料降低水泥制品的孔隙率，使其更加致密，降低吸水率。以表2中2号样品骨料级配制备试件，在其他条件均相同时，偏高岭石掺量(水泥质量百分比)对无机人造石性能的影响结果见表4。

从表4可见，当偏高岭石掺量在0～17%的范围内时，随着偏高岭石掺量的增加，试件的抗折强度逐渐增大，最大可达12.9 MPa；而吸水率逐渐减小，最低为3.21%；光泽度逐渐增加，最大达到66.5光泽单位。表明掺入一定量的偏高岭石可使水泥基无机人造石的孔隙率减少、结构更加密实，经长时间放置后表面上无泛碱现象。

2.4 人造石放射性测定

用CIT-3000F型建材放射性检测分析仪对中国红花岗石骨料进行放射性检测，实测能谱图见图1，结果见表5。

表4 偏高岭石掺量对人造石性能的影响

表5 花岗石骨料放射性比活度

按国家标准《建筑材料放射性核素限量》(GB 6566-2010)计算其内照射指数IRa和外照射指数Ir，分别见式(3)、式(4)。

(3)

=0.7971≈0.8

(4)

式中：CRa为镭素放射性比活度；CTh为钍素放射性比活度；CK为钾素放射性比活度，单位均为Bq·kg-1。

花岗石骨料的放射性与国家标准《建筑材料放射性核素限量》(GB 6566—2010)的对比见表6，结果符合A类装饰装修材料标准，而白色硅酸盐水泥出厂时已通过检验，其放射性属于国家标准的A类建材，因此，由红色花岗石为骨料，以白色硅酸盐水泥为胶结料生产的无机人造大理石装饰材料，也属于国家标准的A类建材，其产销和使用范围不受限制。

3 样品的显微结构

将不同条件下制得的样品在SEM下观察的显微结构见图2～4。

表6 花岗石骨料放射性检测分析结果

注：A类建材是指国家标准《建筑材料放射性核素限量》(GB 6566—2010)中的A类装修材料，需满足IRa≤1.0和Ir≤1.3。

图2 未添加偏高岭石的样品的SEM图

从图2可见，在其他配比相同时，未掺偏高岭石的样品存在有较大较多的孔洞，结构不致密；从图3可见，添加了17%的偏高岭石的样品，其孔洞明显变小，也更加致密，这是因为偏高岭石的火山灰效应使其与水泥水化产物Ca(OH)2反应，形成水化硅酸钙和水化铝酸钙胶凝材料，充填其孔隙，加上未反应的微细偏高岭石的填充效应，使混凝土结构更加密实，从而提高了水泥人造石的力学性能，这与上文的实验结果一致。

图4 添加17%偏高岭石并经渗硅剂处理的样品的SEM图

图4为添加了17%的偏高岭石的样品磨平表面经水晶渗硅剂处理后的横断面SEM图，由图4可见，表面经水晶渗硅剂处理后，距表面约10 μm厚度内，其显微结构更加致密，抛光后表面光泽度有明显提高。这与上文的实验结果一致。这是由于锂基渗硅剂渗透性较好，易于渗入样品表面以下，其中的二氧化硅易与氢氧化钙反应生成硅酸凝胶，进一步封闭毛细孔隙。

4 结 论

1)水泥基人造石用骨料粒径在10～0.6 mm范围内时，单一粒度级配骨料的紧堆密度是随粒径减小而增大，而孔隙率是随粒径减小而减小。

2)在其他条件相同时，用紧堆密度越大的粒度级配的骨料所制试件的抗折、抗压强度越大(分别达到11.9 MPa和92.8 MPa)，光泽度越高(达到63.8光泽单位)，吸水率越小(低至3.46%)。

3)所制作的红色水泥人造石性能均超过《建筑装饰用水磨石——水泥人造石》(JC/T507—2012)的指标。

4)掺入一定量偏高岭石可使试件的孔隙率变小，结构更加密实，再经水晶渗硅剂处理后，表面光泽度又有所增加。

5)该无机人造大理石装饰材料属于国家标准的A类建材。

[1] 彭加权.中国红花岗石红遍天下[N].雅安日报，2010-12-16(5).

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[13] 杨武，晏辉.谈谈人造石存在的质量问题[J].石材，2014(7)：34-36.

Production of inorganic artificial stone by using China red granite scrap

YU Qihui1，ZHANG Yiming1，CHEN Jiayuan1，GUO Bingshuai1，ZHOU Yang1，SUN Ye1，FENG Qiming1，2
(1.School of Resources and Environment，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010，China；2.Key Laboratory of Solid Waste Treatment and Resource Recycle，Ministry of Education，Mianyang 621010，China)

This paper’s study was taking advantage of red granite scrap as main materials and adding inorganic adhesive as binding materials，with some red inorganic pigments and other admixtures，produced red artificial stones.The results show that compressive strength of the product was 92.8MPa when it was maintained for 28 days，the flexural strength was 11.9MPa，the water absorption rate was 3.46%，and the gloss was 63.8.The product’s performance is more than the national standard of “Terrazzo for building decoration—Cementitious terrazzo”.Its radioactive property is in line with the national standard of class A decoration materials，so its production，marketing and usage can not be restricted.

China red granite；scrap；inorganic artificial stone

2017-04-22 责任编辑：刘艳敏

国家级大学生创新创业训练计划资助(编号：201610619022)

遇启慧(1994-)，女，山东烟台人，矿物加工工程专业在读本科生，E-mail：843759115@qq.com 。

冯启明(1958-)，男，四川南充人，教授，主要研究方向为尾矿资源化利用及矿物材料，E-mail：1252138465@qq.com。

TD98

A

1004-4051(2017)08-0165-04