石材废粉砂浆的流动性研究

夏勇，陈嘉健*，马岸民，李子宏，黄焯超

1.佛山科学技术学院交通与土木建筑学院，广东佛山528000；

2.佛山市技术创新协会，广东佛山528000

随着我国基建规模变大，建筑用砂的需求量日益上升，解决砂石短缺问题迫在眉睫。石材废粉作为石材加工时产生的废料，每生产30 m2的板材产生的废料约有1 t［1］，每年可产生近5 000万m3废料，80%以上的废料只能通过简单的填埋处理，对生态环境造成极大的破坏。

有学者及工程人员尝试在水泥基材料中掺入适量废石粉，鞠丽艳等［2-3］试验发现，废石粉取代部分天然砂，可以改善砂浆的和易性，减少砂浆收缩，提高砂浆抗压强度、抗拉黏结强度和黏结强度；陈平等［4］认为废石粉替代河砂的质量分数在20%以下时，砂浆流动度及力学性能均有所提高，最佳掺量出现在质量分数为15%左右［5］，用大理石粉等质量代替20%的河砂会使砂浆出现致密的微观结构［6］，彭鸿涛［7］实验发现掺入石粉后水泥浆体的屈服应力塑形黏度和触变性均逐渐增大。同时，有诸多学者研究废石粉对混凝土性能的影响，有研究发现掺入废石粉的质量分数小于30%时，混凝土各项耐久性均表现良好［8］，而在混凝土中掺入适量石屑可改善和易性与黏聚性［9］，赵学涛等［10］实验发现掺入质量分数为3%的石粉时，超高性能混凝土的坍落度和扩展度较大，Singh等［11-13］认为掺入花岗岩废料可以提高混凝土的抗压强度、抗弯强度等性能，而Ulubeyli等［14-15］研究表明掺入大理石废料会降低自密实混凝土的力学性能，但能提升其流动度，掺量越大流动度越大。究其原因，有研究发现粒径小于10μm的石粉在水泥水化过程中发挥晶核作用加速水化反应，抑制高硫型水化硫铝酸钙［3CaO·Al2O3·3CaSO4·（30～32）H2O，AFt］向单硫型水化硫铝酸钙（3CaO·Al2O3·CaSO4·nH2O，AFm）转化［16］，同时，石粉在混凝土中还发挥填充效应和化学作用等［17］。

通过阅读中外文献发现，石材废粉对混凝土性能的研究很广泛，然而，石材废粉对砂浆流变性能控制因素的研究却很少。鉴于此，本文探索用适量体积石材废粉代替标准砂掺入砂浆中研究砂浆的流变性能，并且采用水测紧密值法测量不同体积石材废粉代替标准砂的填充密度，综合填充密度和固体材料总表面积量化出平均液层厚度。

1 实验部分

1.1 实验材料

实验采用42.5级普通硅酸盐水泥，符合GB 175-2007/XG 1-2009，密度为3 127 kg·m-3，比表面积为1.14×106m2·m-3；石材废粉（以下简称废粉）（广东省佛山市利铭蜂窝复合材料有限公司），在实验室干燥箱100℃下干燥2 d，然后进行筛分，取粒径1.25 mm以下的石粉，经测量密度为2 400 kg·m-3，比表面积为1.33×106m2·m-3；标准砂（福建省厦门市），细度模数为2.48，经测量密度为2 476 kg·m-3，比表面积为13 639 m2·m-3；减水剂为液体聚羧酸高性能减水剂，经测量密度为1 030 kg·m-2。通过扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）观察发现原材料颗粒均不规则，如图1所示，废粉尺寸在标准砂和水泥尺寸之间，可有效提高固体材料的填充密度。

图1原材料的SEM图：（a）水泥，（b）石材废粉，（c）标准砂Fig.1 SEM images of raw materials：（a）cement，（b）waste stone powder，（c）standard sand

1.2 实验配合比

配制20组不同水灰比下不同体积的废粉代替标准砂的砂浆试块进行测试，水泥浆体积比（水泥、水、减水剂的总体积与砂浆体积的比值）为50%。由于在流动性能中起决定作用的是体积而非质量，水灰比和废粉代替标准砂均按体积计算，水灰比从1.0到1.6，以0.2为级差；标准砂体积比（标准砂和废渣的总体积与砂浆体积的比值）为50%，废粉代替标准砂的体积分数从0%到20%，以5%为级差。试块以“S-废粉掺量-水灰比”为编号，其中S代表废粉，具体配合比如表1所示。

1.3 测试方法

1.3.1 流动性测量流动性测量［18-21］包括静态流动性测量和动态流动性测量。静态流动性测量采用小型塌落度筒做扩展度测试，扩展度值为提起塌落度筒后砂浆在水平桌面上垂直方向直径平均值减去塌落度筒底面的直径；动态流动性测量采用V型漏斗作流速测试，流速为V型漏斗体积与砂浆装满漏斗全部流出所需时间的比值。

1.3.2 黏聚性测量砂浆的黏聚性用过筛率大小表示［18-21］，实验采用1.25 mm方孔孔筛，取约250 g搅拌完成的砂浆从300 mm高度倒入孔筛中，静置2 min让浆体通过孔筛至下方托盘，托盘中浆体质量与倾倒的浆体总质量的比值作为砂浆的过筛率。托盘中砂浆质量越小表示过筛率越低，即黏聚性越高。

1.3.3 抗压强度测量将搅拌完成的砂浆倒入边长为70.7 mm的立方体模具中，经过振捣、抹平及静置（24±2）h后拆模，然后将试块放置在温度为（20±2）℃、相对湿度在90%以上的养护箱中养护28 d。强度结果依照《建筑砂浆基本性能试验方法标准》［22］取值。

表1砂浆试样配合比和测试结果Tab.1 Mix proportions and test results of mortar samples

1.3.4 填充密度测量根据之前的研究，实验采用水测紧密值法测量固体材料的填充密度，水测紧密值法是指固体材料在不同体积的水下测得的填充率（即固体材料在浆体中所占体积分数）最大值为固体材料的填充密度。固体材料刚好被水包裹形成湿润的浆体的填充率最大，此时固体材料之间的间距最小，浆体也最密实。当水灰比较大时，固体材料分散悬浮在浆液中，砂浆的密实度会下降；当水灰比较小时，没有足够的水包裹固体材料形成浆体。具体的测量方法及计算公式参考文献［23-25］。

1.3.5 平均液层厚度计算方法实验测得固体材料的填充密度后，再通过计算固体材料的总表面积、固体材料之间的空隙及剩余液体的体积来量化出砂浆的平均液层厚度值。具体的计算方法及公式参考文献［23-25］。

2 结果与讨论

2.1 测试结果

2.1.1 流动性测量结果流动性测量结果见图2（a）和图2（b），流速结果表明在水灰比一定时流速随废粉代替标准砂体积分数的增加而减小，这主要是因为废粉代替标准砂，固体材料的总比表面积大幅增加，导致单位表面积的固体材料表面附着的液层厚度下降。扩展度结果与流速结果相似，在水灰比一定时扩展度随着废粉代替标准砂体积分数的增加而减小，随着水灰比逐渐提高，扩展度增加的速率趋于平缓。

2.1.2 黏聚性测量结果黏聚性测量结果用过筛率表示，如图2（c）所示，砂浆的过筛率随水灰比的提高而变大，而当水灰比不变时，废粉代替等体积的标准砂会降低砂浆的过筛率，废粉代替标准砂的体积分数越大过筛率降低的效果越明显。这是由于废粉颗粒直径远小于标准砂直径，掺入废粉充分填充了标准砂颗粒间的空隙，优化了固体颗粒之间的级配，从而使过筛率降低，砂浆的黏聚性得到提高。

2.1.3 抗压强度测量结果抗压强度测量结果见图2（d），用废粉代替标准砂会显著提高试块的抗压强度，水灰比一定时，随着废粉代替标准砂的体积增加，试块的抗压强度先增大后减小，最佳的替代体积分数是15%，强度最大可提高70.83%。这是因为废粉的主要成分是花岗岩粉末和大理岩粉末，花岗岩粉末中含有少量活性物质二氧化硅（SiO2）和氧化铝（Al2O3），在一定程度上增加了胶凝材料中硅酸三钙（3CaO·Si02，C3S）和铝酸三钙（3CaO·Al2O3，C3A）含量，从而使试块的强度增大；同时，废粉代替标准砂改善了细骨料级配，减少浆体内部的空隙，提高了浆体的密实度，有效提升试块强度。

图2砂浆性能随废粉体积分数的变化情况：（a）流速，（b）扩展度，（c）过筛率，（d）抗压强度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 填充密度测量结果固体材料的填充密度测量结果列于表1第7列及图3（a），结果表明，固体材料的填充密度随废粉代替标准砂体积分数的提高先上升达到最大值，此时，废粉的体积分数为10%，随着废粉体积分数进一步地提高填充密度开始逐渐减小，此研究结果与马岸民等［20］研究结果相似。这是因为废粉颗粒粒径远小于标准砂粒径，当废粉代替等体积的标准砂时，废粉颗粒填充了标准砂之间的空隙，减小空隙率，提高填充密度，继续提高废粉代替标准砂的体积时，标准砂的体积下降导致细集料的骨架作用减弱，使得填充密度值大幅下降。

图3填充密度与平均液层厚度随废粉体积分数的变化情况：（a）填充密度，（b）平均液层厚度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 平均液层厚度计算结果固体材料的总表面积、固体材料之间的空隙体积、剩余液体以及平均液层厚度计算结果分别列于表1第8～11列，平均液层厚度随废粉代替标准砂体积分数的变化情况如图3（b）所示。在水灰比一定时，平均液层厚度随废粉体积分数的增加而减小，而且水灰比越大平均液层厚度值下降的趋势越显著。这主要是因为废粉的掺入大幅提高了固体材料的比表面积，单位面积上吸附的液体厚度减小，即平均液层厚度减小。

2.2 平均液层厚度对废粉砂浆性能的影响

2.2.1 平均液层厚度对废粉砂浆流速的影响平均液层厚度对废粉砂浆流速的影响如图4（a）所示，从图4（a）中可以发现，流速随着平均液层厚度的增加而增加，并且增加的速率逐渐变大，由此可见，平均液层厚度是流速的主要控制因素。根据实验测得的数据点可发现，当平均液层厚度不变时，废粉代替标准砂的体积分数较大时流速较小，说明废粉代替标准砂的体积分数对流速也有一定的影响。综合平均液层厚度和废粉体积分数对流速作用的最佳拟合公式及曲线分析，当废粉的体积分数增大时曲线顺时针旋转，表明在平均液层厚度不变时，流速随着废粉代替标准砂体积分数的增大而减小。拟合公式的相关系数R2值达到0.92，说明流速受到平均液层厚度和废粉代替标准砂体积分数的共同控制作用。

图4砂浆性能随平均液层厚度的变化情况：（a）流速，（b）扩展度，（b）过筛率Fig.4 Variation of properties of mortar with mean liquid thickness：（a）flow rate，（b）flow spread，（c）sieve segregation index

2.2.2 平均液层厚度对废粉砂浆扩展度的影响平均液层厚度对废粉砂浆扩展度的影响如图4（b）所示。随着平均液层厚度的增加，砂浆的扩展度增加且增加的速率逐渐减小，由此可见，平均液层厚度是扩展度的主要控制因素。分析实验测得的数据点可发现，当平均液层厚度不变时，废粉代替标准砂的体积分数较大时扩展度较小，说明废粉代替标准砂的体积分数对扩展度也有一定的影响。综合平均液层厚度和废粉体积分数对扩展度作用的最佳拟合曲线及公式分析，当废粉的体积分数增大时曲线向下移动，表明在平均液层厚度不变时，扩展度随着废粉体积分数的增大而减小，这是由于废粉的掺入使固体颗粒的比表面积增大导致单位表面积吸附的液层厚度减小。拟合公式的相关系数R2值达到0.85，表明扩展度受平均液层厚度和废粉代替标准砂体积分数的共同影响。

2.2.3 平均液层厚度对废粉砂浆过筛率的影响

平均液层厚度对废粉砂浆过筛率的影响如图4（c）所示。从图4（c）中可观察到平均液层厚度越大，砂浆的过筛率越高，因此，平均液层厚度是过筛率的主要控制因素。当平均液层厚度保持不变时，过筛率随着废粉代替标准砂体积分数的增加而下降，表明废粉的体积分数对砂浆的过筛率也有一定的影响。综合考虑平均液层厚度和废粉体积分数的作用，由多变量拟合曲线发现，当废粉的体积分数增大时，曲线向下移动，说明砂浆的过筛率随废粉体积分数的增加而下降，这是因为利用废粉代替等体积的标准砂有利于优化固体材料间的级配，浆体变得更加紧密，导致过筛率下降，黏聚性得到改善。通过拟合曲线分析得到平均液层厚度单一参量与过筛率的相关系数R2值为0.78，加入废粉后R2达到0.84，表明平均液层厚度和废粉代替标准砂的体积分数共同控制砂浆的过筛率。

2.3 石材废粉对砂浆性能的综合影响

砂浆的扩展度随抗压强度的变化情况如图5所示。图5中的数据点清晰地显示了当砂浆抗压强度越高时，砂浆的扩展度则越小，并且当掺入的废粉体积分数较大时，砂浆的抗压强度较大而扩展度较小。测试结果表明，利用石材废粉代替等体积的标准砂掺入砂浆中，可得到高强度而低流动性的砂浆，因此，可根据实际工程的需要用石材废粉代替适量体积的河砂生产符合实际需求的混凝土制品，既可以解决石材废料的处置问题，也可以缓解现阶段河砂资源短缺问题。

图5扩展度随抗压强度的变化情况Fig.5 Variation of flow spread with compressive strength

3 结论

通过研究20组废粉砂浆的流动性、1.25 mm过筛率、抗压强度和填充密度，得到以下结论：

1）废粉砂浆的流动性、1.25 mm过筛率均随废粉代替标准砂体积分数的增加而减小，对流速、扩展度和过筛率的最大减幅分别为71.7%，12.0%和69.3%，其中过筛率减小表明用废粉代替标准砂可提高砂浆的黏聚性。废粉砂浆的抗压强度随废粉代替标准砂体积分数的增加而提高，在体积分数为15%时抗压强度达到最大，最大可提高70.8%。

2）通常情况下，当废粉代替标准砂的体积分数由0%增加到20%时，固体材料的填充密度先上升后逐渐减小，废粉代替标准砂的最佳体积分数为10%。

3）通过多变量曲线拟合发现，当平均液层厚度更大时，砂浆的流动性和过筛率均随之变大；当平均液层厚度保持不变时，随着废粉代替更大体积的标准砂，砂浆的流动性和过筛率会减小。过筛率的结果表明砂浆的黏聚性随平均液层厚度的增加而下降，但用废粉代替标准砂有助于改善砂浆的黏聚性。相关系数R2值分别达到0.92，0.85和0.84，说明平均液层厚度和废粉代替标准砂的体积分数共同控制砂浆的流动性和黏聚性。

因此，使用废粉代替标准砂掺入砂浆中不仅可以改善砂浆的性能，而且还有利于缓解石材废弃物的处置问题，改善环境。