林啟揚(yáng) 林彬濤 吳暉凡 余軼凡 張瑞華 張 敏＊

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，廣東 廣州 510642）

我國經(jīng)濟(jì)正保持著穩(wěn)定的高速增長，城市化建設(shè)正處于持續(xù)性發(fā)展的階段。隨著我國建設(shè)水平逐步提高，天然石材及人造石的需求量不斷增加，因此也產(chǎn)生了大量建筑廢棄物。建筑廢料處理成本較高，同時(shí)存在占用場地、污染環(huán)境等問題。綠色、節(jié)能、環(huán)保是中國新式建筑發(fā)展的重要指標(biāo)和要求，因此，如何有效回收利用人造石拋光廢料等建筑廢料是亟待解決的重要問題。

目前，國內(nèi)外較多學(xué)者在建筑廢料回收利用方面已經(jīng)取得了一些成就，像是大理石廢料替換碎石灰石可以配制自密實(shí)混凝土[1]、利用石材廢料可以生產(chǎn)聚酯型人造大理石[2]、利用石材廢料制作仿石涂料、仿石雕塑、人造石材等[3]。Singh 等[4-6]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。在更早期的研究工作中，張敖榮等研究工作表明，廢料代替部分礦渣和石膏，可以磨制水泥[7]?；◢弾r板材加工廢料的綜合利用也具有實(shí)現(xiàn)可能性[8]。但是，從總體上來說，綜合利用石材加工廢料的研究和在工業(yè)上的應(yīng)用還不夠廣泛，僅集中在低附加值的建材領(lǐng)域。

本文以云浮地區(qū)石屑廢料為研究對象，分析該廢屑材料的組成成分及特性，提出石屑廢料在水泥砂漿和水泥混凝土中的回收利用，通過配比設(shè)計(jì)和力學(xué)實(shí)驗(yàn)測試，研究了不同廢屑摻量對最終混合物性能的影響規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了石材廢料的資源化和效益化綜合利用。

1 實(shí)驗(yàn)材料及試件制備

1.1 原材料

本文實(shí)驗(yàn)采用的材料包括：石井牌P.C 復(fù)合C32.5R 硅酸鹽水泥，自來水，天然河砂，碎石以及人造石材廢屑。

1.2 石材廢料分析

將人造石材切割廢屑進(jìn)行破碎研磨后進(jìn)行成分測試發(fā)現(xiàn)其主要成分為氧化鈣、碳酸鈣與有機(jī)樹脂。

1.2.1 含水量測試

將研磨好的廢屑粉料取五組均為50g 的試樣（誤差0.01g之內(nèi)），倒入蒸發(fā)皿中，放入烘干箱中，在105℃溫度下進(jìn)行烘干，24 小時(shí)后取出放在干燥器內(nèi)冷卻至室溫后稱重。

數(shù)據(jù)結(jié)果表明（表1），樣品經(jīng)過烘干后總質(zhì)量減少明顯，5組樣品的原含水量均大于混凝土摻和物容許含水量（即1%）。因此，為滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[9-10]，降低對混凝土拌合物的影響，使用人造石材廢屑前進(jìn)行其烘干，保證含水量降至0.5%以內(nèi)。

表1 含水量測試結(jié)果

1.2.2 細(xì)度測試

將烘干后的人造石材廢屑粉料取樣100g，倒入45μm 方孔篩篩網(wǎng)并放置在篩析儀器上進(jìn)行篩析，篩析3min 后將篩網(wǎng)顆粒刷開，再度進(jìn)行篩析，1min 后，收集篩余物并稱量，與篩析前的質(zhì)量進(jìn)行對比，結(jié)果如表2 所示。

表2 廢屑研磨粉料細(xì)度篩析值

多次篩析試驗(yàn)的結(jié)果表明，研磨后的人造石材切割廢屑在經(jīng)過45μm 方孔篩篩析后平均篩余量為25.79%，平均通過率為74.21%，達(dá)到二級粉煤灰細(xì)度標(biāo)準(zhǔn)，說明該廢屑的研磨粉料粒徑符合粉料規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)[9-10]。

2 水泥砂漿試驗(yàn)

2.1 配合設(shè)計(jì)及試塊制備

水泥砂漿實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)土木工程材料知識進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，確定混合料用量，其中水泥用量為450g，河砂用量為1350g，水灰比為0.51。設(shè)計(jì)5%、8%和10%三種不同石材廢屑摻入量，制備混合料。每種摻量制作12 個(gè)棱柱體試件（40mm×40mm×160mm）進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)（見圖1），測試7 天抗壓強(qiáng)度，取其均值進(jìn)行分析。

圖1 水泥砂漿試塊脫模養(yǎng)護(hù)后圖

2.2 水泥砂漿性能測試

2.2.1 力學(xué)性能

根據(jù)《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》[11]，采用萬能試驗(yàn)機(jī)測定水泥砂漿試塊7 天的抗壓強(qiáng)度（圖2-3），與未摻入廢屑的砂漿試塊試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果見圖4。

圖2 水泥砂漿試塊加壓圖

圖3 砂漿試塊加壓破壞

圖4 不同廢屑摻量的水泥砂漿抗壓強(qiáng)度

從圖4 可知，隨著廢屑摻量的增加，其7d 的抗壓強(qiáng)度為先上升后下降曲線。當(dāng)摻量占比小于8%時(shí)，材料抗壓強(qiáng)度幾乎呈線性上升，且7d 提高抗壓強(qiáng)度比達(dá)30%以上。當(dāng)摻量大于8%時(shí)，抗壓強(qiáng)度下降明顯，且稍小于對照組抗壓強(qiáng)度。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，水泥砂漿材料中添加合理摻量的石材廢屑，能夠有助于提高水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度，但試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)試塊樣品表面出現(xiàn)廢屑粉料滲出現(xiàn)象，摻量超過8%后，隨著摻量增加，該現(xiàn)象越明顯，這是由于廢屑粉料粒徑偏小，容易滲出。廢屑逐漸不能很好的發(fā)揮填充效應(yīng)，而且由于過多的廢屑細(xì)顆粒游離在水泥顆粒之間降低了水泥顆粒間的粘聚力，進(jìn)而降低了砂漿強(qiáng)度[12]。

2.2.2 流動度的影響

依據(jù)《水泥膠砂流動度測定方法》對砂漿混合料進(jìn)行流動度測試[13]，水泥膠砂流動度測定儀跳動次數(shù)設(shè)定為25 次，測量水泥膠砂在規(guī)定振動狀態(tài)下的擴(kuò)展范圍來衡量其流動性。跳動完畢后，用尺子測量膠砂底面互相垂直的兩個(gè)方向直徑，計(jì)算平均值，取整數(shù)，單位為毫米。從材料開始加水至膠砂流動的擴(kuò)展直徑和垂直直徑測量完成，試驗(yàn)整個(gè)過程應(yīng)控制在6min 內(nèi)，得到水泥膠砂流動度測定值，試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果見圖5 所示。

圖5 不同廢屑摻量對水泥砂漿流動度的影響

由圖5 可知，未摻入石材廢屑時(shí)，水泥砂漿流動度值較大，并隨著廢屑摻量的不斷增大，流動度逐漸趨向于平緩，廢屑摻入超過5%之后，其摻量增加對水泥砂漿流動度的影響并不顯著。在10%的摻入率之內(nèi)，整體流動度沒有較大差異。

3 混凝土性能試驗(yàn)

3.1 混凝土配比設(shè)計(jì)

根據(jù)《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[14]進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)，使用石井牌C32.5R 復(fù)合硅酸鹽水泥進(jìn)行設(shè)計(jì)與制作，設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級為C30，配合比計(jì)算步驟如下：

混凝土配制強(qiáng)度：

坍落度設(shè)計(jì)要求為55～70mm；每立方用水量采用mw0=205kg/m3；每立方水泥用量采用mb0=205/0.43=476.7kg/m3；材料砂率β 為30%，河砂的單位質(zhì)量為ms0=515.49kg/m3；碎石的單位質(zhì)量為mg0=1202.81kg/m3。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)，單次試塊制作所用材料用量如表3 所示。

表3 混凝土試塊制作各材料用量

對上述基準(zhǔn)水泥混凝土材料，添加5%、8%和10%三種摻量的石材廢屑，制備150×150×150mm 混凝土立方體試塊，每種摻量制作12 個(gè)試塊。在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28 天后，測試其抗壓強(qiáng)度，對比分析不同摻入率對混凝土試塊抗壓強(qiáng)度和施工和易性的影響規(guī)律。

3.2 混凝土試驗(yàn)及結(jié)果分析

3.2.1 石材廢屑對混凝土力學(xué)性能影響

按《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[14]制作混凝土標(biāo)準(zhǔn)試件，試塊制備過程中發(fā)現(xiàn)，隨著廢屑摻入量的增加，混合料流動性相對下降，試塊表面同樣出現(xiàn)了粉料滲出現(xiàn)象，且隨著摻入量的增加，粉料滲出情況越明顯。按照標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護(hù)28 天后進(jìn)行立方體抗壓試驗(yàn)，見圖6 和圖7 所示，抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果如圖8。

圖6 脫模后加壓圖

圖7 加壓破壞與粉料滲出圖

圖8 不同廢屑摻量混凝土28 天抗壓強(qiáng)度

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，一定量的人造石材切割廢屑的摻入有助于提高混凝土的抗壓強(qiáng)度，即有助于提升混凝土的力學(xué)性能。試驗(yàn)途中有發(fā)現(xiàn)試塊樣品表面出現(xiàn)廢屑粉料滲出現(xiàn)象，養(yǎng)護(hù)時(shí)間越長，摻入率越大，該現(xiàn)象也越明顯。由于制作工藝、環(huán)境因素以及材料受潮情況，同組試塊抗壓強(qiáng)度有一定離散性，但仍在容許范圍以內(nèi)（5%）。整體試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)摻入率為5%～8%時(shí)，混凝土強(qiáng)度將得到明顯的加強(qiáng)；但當(dāng)摻入率為10%時(shí)，混凝土強(qiáng)度不會得到明顯強(qiáng)化。

3.2.2 石材切割廢屑對混凝土坍落度影響

根據(jù)確定的混凝土配合比稱量材料，按試驗(yàn)規(guī)范要求依次將原料放入攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌，測得不同廢屑摻料下，混凝土坍落度值如圖9 所示。

圖9 坍落度隨摻量的變化曲線圖

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，人造石材切割廢屑摻入水泥粉料配制混凝土，隨著摻入率的提高，混凝土的坍落度會稍微受到影響，但其坍落度仍處于設(shè)計(jì)坍落度范圍內(nèi)，其工作性能仍能保證。

4 結(jié)論

4.1 人造石材切割廢屑在保證水泥水灰比的情況下適當(dāng)用量取代粉煤灰水泥可以有效提高水泥砂漿試塊及混凝土試塊的力學(xué)強(qiáng)度，水泥砂漿中摻量在8%左右時(shí)，7 天抗壓強(qiáng)度提高23%左右，混凝土試驗(yàn)中摻入5%-8%的廢料時(shí)，試塊抗壓強(qiáng)度提升約30%。

4.2 人造石材切割廢屑本身含水量較高，應(yīng)用前需進(jìn)行烘干以免造成對水泥及混凝土水灰比的影響；其研磨粉料粒徑符合二級粉煤灰細(xì)度規(guī)范，粒徑較小的部分會對成品的外觀和強(qiáng)度造成細(xì)微影響；粉料摻入后會影響水泥流動度，吸水性能較強(qiáng)，配制水泥砂漿時(shí)需注意用水和對水灰比造成的影響。

4.3 人造石材切割廢屑的二次利用可以解決建筑石材廢棄物對耕地占用、污染環(huán)境、資源浪費(fèi)等問題，還可提高水泥砂漿和混凝土的工作性能、力學(xué)性能，進(jìn)行適當(dāng)處理即可滿足國標(biāo)規(guī)范的要求，實(shí)現(xiàn)變廢為寶，具有使用價(jià)值和推廣意義。