大理石废粉-水泥力学性能及微观结构影响研究*

蒙茂贞，何淇锋，何振嘉，曹德瑞，殷军帆，王海波

（贺州学院 建筑与电气工程学院，广西 贺州542899）

广西贺州市蕴藏有丰富的大理石资源，据地质部门勘测储量居全国白色大理石资源首位，大理石产业成为了当地经济支柱的产业之一。随着大理石矿产的不断开发，大理石的开采、运输、打磨、切割等处理过程中会产生大量的废渣、废粉、废浆等废弃物，大量的废浆、废粉利用途径较少，利用率低，带来严重的污染问题，因此这一问题制约了当地产业的发展。大理石废粉的产生环境问题备受关注。

大理石废浆、废粉作为掺合料用于水泥基材料中的研究较多。Hüseyin Ylmaz Arunta等[1]人使用大理石废弃物同水泥掺加生产波特兰水泥。10%的大理石废弃物可作为掺加料生产水泥，不影响水泥凝结时间，增加了比重和比表面积。所有比例的大理石废弃物水泥的各龄期抗压强度均高于波特兰水泥。杨永民等[2]人开展了石粉在水泥生产中的再利用，利用大理石粉和花岗岩粉用作水泥混合材料进行了分析研究，大理石粉使水泥凝结时间缩短，水泥早期水化有明显的促进作用。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号），发现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；可以用作结构混凝土。Kirgiz Mehmet Serkan[4-5]使用大理岩粉、砖粉、石膏和水泥复掺，研究混合水泥的界限强度。水泥中掺加大理石粉的界限值为6%，掺加砖粉的界限值为35%。废弃大理石超细颗粒和砖超细颗粒可以用来生产水泥，是对固体废弃物处理研究的有益探讨。Muhammad Junaid Munir等[6]人用大理石粉替代水泥，取代率为10%时混凝土强度提高；替代量为10%和40%时，砂浆膨胀减少28%和50%。张金团团队[7-8]研究发现掺入一定量大理石废粉对水泥基材料早期强度具有促进作用。E.Bacarji等[9]人用大理石和花岗岩碎屑，取代水泥制作混凝土，大掺量会降低混凝土抗压强度。综上研究表明，大理石废粉在水泥材料中的研究对于掺量的影响开展大量的工作，对于不同类的大理石废粉研究较少。本文提出以不同种类大理石废粉及取代率为参数，研究大理石废粉对水泥基材料的力学性能及微观结构影响规律，为大理石废粉取代水泥的应用提供支撑，不仅能够废物利用变废为宝，还能解决环境污染问题。

1 试验概况

1.1 原材料

试验水泥采用某水泥厂生产的P·O 42.5级水泥，记为C，化学组成成分见表1，力学性能指标见表2；大理石废粉体为某公司人造岗石废粉（含有机物树脂）及贺州某大理石加工厂产生的切割废粉，分别记为MF1、MF2；粒径分布特征见表3。水采用自来水。

表1 水泥的化学组成成分

表2 水泥物理力学性能指标

表3 试验材料粒径分布特征

1.2 试验设计

试验以大理石废粉的种类（MF1、MF2）、取代率（0%、5%、10%、15%、20%、25%）为变量，根据《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》（GB/T 17671-1999）规定的设计试验配合比，研究不同变量对力学性能及微观结构的影响，试验共设计11组，设计分组见表4。

1.3 试验方法

大理石废粉-水泥胶砂流动度试验，根据表4试验设计分组配合比，按照《水泥胶砂流动度测定方法》（GB/T 2419-2005）[10]规范的方法进行试验，测定胶砂流动度。

大理石废粉-水泥胶砂强度试验，根据表4试验设计分组配合比，按照《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》（GB/T 17671-1999）[11]在标准养护条件下，养护24h后脱模制作成40mm×40mm×160mm棱柱体试件，养护3天和28天后，测定3d和28d抗折和抗压强度。

表4 试验设计分组

微观结构试验主要通过SEM扫描电镜，对3d、28d试验样品进行观测分析。

2 试验结果与讨论

2.1 大理石废粉对胶砂流动度的试验结果

不同种类大理石废粉取代率对流动度的结果见图1 。由图1可知，不同种类大理石废粉对胶砂流动度影响较大，CMF1随着人造岗石废粉取代率的增加流动度出现先减小后增加现象，取代率为5%、10%时流动度与0%相比出现略微降低现象，与0%结果基本一致。取代率在15%～25%时，随取代率的增加流动度增大，相对于掺量为0%的流动度提高了0.9%～3.44%。对于CMF2随着切割废粉（MF2）取代率增加流动度逐渐增大，与取代率0%相比流动度提高了2.1%～5.1%。说明大理石废粉取代水泥可改善拌合物的流动性，主要由于大理石废粉取代率增大，水泥所占量减少，水灰比W/C增加，拌合物流动性增大；不同种类大理石粉，相同取代率的大理石废切割废粉（MF2）相对于人造岗石废粉（MF1）改善胶砂流动度效果明显。人造岗石废粉（MF1）掺量较小时胶砂流动度出现略微降低现象，归因于人造岗石废粉含有有机物树脂，但大理石废粉取代水泥的胶砂流动性试验结果均符合规范要求。

图1 胶砂流动度试验结果

2.2 大理石废粉对水泥胶砂强度的影响

由图2、图3可知，随取代率的增大，3d抗折强度、抗压强度基本上先增大后减小。大理石切割废粉取代率为5%时3d抗折强度和抗压强度达到最大，相对于取代率0%分别提高了11%、18%；人造岗石废粉（MF1）取代率为5%时3d抗折强度和抗压强度达到最大，相对于取代率0%分别提高了9%、12%。掺量小于10%时，3d抗压、抗折强度均大于与掺量0%强度结果，而对于28d抗折强度、抗压强度试验结果随取代率增加，基本呈下降趋势。取代率越大，抗压强度与抗折强度下降越大。说明掺入一定量的大理石废粉对早期强度有利，掺量增大后，3d、28d抗压、抗折强度逐渐降低，均低于取代率为0%的对照组。而且大理石切割废粉（MF2）的效果明显优于人造岗石废粉（MF1）。主要由于大理石废粉促进早期水化反应，对早期强度有利[12]，取代率增大后，造成实际水灰比W/C增大，强度降低；而选用大理石切割废粉（MF2）的效果明显优于人造岗石废粉（MF1），主要归因于人造岗石废粉（MF1）中含有有机物树脂，导致人造岗石废粉与水化产物粘结性降低，胶凝材料整体性较差，存在薄弱区；取代率5%大理石切割粉（MF2）的胶砂强度试验结果，满足规范42.5级水泥力学性能要求，这一结果与相关学者研究一致[7]。

图2 不同大理石废粉取代率3d、28d抗折强度结果

图3 不同大理石废粉取代率3d、28d抗压强度结果

2.3 大理石废粉-水泥强度折压比分析

不同大理石废粉取代率与3d、28d折压比之间关系见图4，由图4（a）可知，不同大理石废粉取代率3d抗折与抗压强度比值约为0.21，均值μ=0.21。当取代率变化时，不同大理石废粉3d抗折与抗压强度基本稳定，取代率5%、10%折压比均小于取代率为0%折压比。由图4（b）可知，不同大理石废粉取代率28d抗折与抗压强度比值约为0.185，均值μ=0.185。相同取代率时，人造岗石废粉28d折压比优于大理石切割粉，这与2.2大理石废粉对水泥胶砂强度的影响结果原因一致。随着取代率增加，不同大理石废粉折压比均大于取代率0%折压比。不同大理石废粉取代率3d、28d抗折与抗压强度换算关系分别见式（1）、式（2）。

图4 不同大理石废粉取代率与3d、28d折压比之间关系

2.4 大理石粉-水泥SEM结果分析

不同龄期CMF1、CMF2样品SEM结果分别见图5、图6。由图5可知，3d样品SEM结果微观结构较为疏松，明显可见AFt、C-S-H、CH及人造岗石废粉附着在水化产物C-S-H凝胶上，水化产物中存在大量的孔隙。28d样品SEM结果显示微观结构相对致密，AFt数量减少，可见大量的C-S-H凝胶、CH，结果中仍存在可见的人造岗石废粉。由图6可知，3d样品SEM结果与CMF1相比微观结构比较致密，明显可见大量C-SH凝胶，水化产物中孔隙数量相对较少，这与3d抗压、抗折强度结果表现一致。28d样品结果未见明显的大理石切割废粉，说明大理石切割废粉被水化产物包裹较好，整体结构较好，相同条件下，大理石切割废粉对提高强度效果显著。

图5 不同龄期CMF1样品SEM结果

图6 不同龄期CMF2样品SEM结果

3 结论

（1）不同种类大理石废粉对胶砂流动度影响较大，随取代率的增大流动度发生改善。相同掺量的条件下，大理石切割废粉（MF2）相对于人造岗石废粉（MF1）改善胶砂流动度效果明显，但不同大理石废粉取代水泥的胶砂流动性试验结果均符合规范要求。

（2）不同大理石废粉随取代率的增大3d抗折强度、抗压强度基本上先增大后减小。大理石切割废粉取代率为5%时3d抗折强度和抗压强度达到最大，相对于取代率0%分别提高了11%、18%。28d抗折强度、抗压强度试验结果随取代率增加，基本呈下降趋势。掺入一定量的大理石废粉对早期强度有利，相同取代率大理石切割废粉（MF2）的效果明显优于人造岗石废粉（MF1）。取代率5%大理石切割粉（MF2）的胶砂强度试验结果，满足规范42.5级水泥力学性能要求。

（3）不同大理石废粉取代率与3d、28d抗折与抗压强度的比值分别为0.21、0.185。得到抗折与抗压强度的换算关系。由不同大理石废粉SEM结果显示，相同取代率条件下，大理石切割废粉样品微观结构较人造岗石废粉样品较为致密，大理石切割废粉被水化产物包裹较好。