李桂山 张金团 王痛快 张帆 胡琴 蒙东林 莫锦平

(1.广西贺州交通投资集团有限公司 广西贺州 542899；2.贺州学院建筑工程学院 广西贺州 542899;3.贺州市生态新城开发有限公司 广西贺州 542899)

0 引言

广西贺州市作为全国大理石主要产地之一，储藏有丰富的大理石矿产，当地政府将大理石产业打造成地方千亿元产业。随着大理石产业的不断发展，大理石开采量不断增加，在开采、运输、切割、打磨等过程产生大量的废渣、废粉、废浆等固体废弃物。有研究表明，一块重15～20t的大理石岩块，在开采、切割、打磨等处理过程中会损失70%[1]。从开采到加工成产品，产生大量的大理石产业粉体[2]，其中产生的大理石产业粉体会被继续利用制造人造岗石，而人造岗石在生产加工中产生的含有非饱和树脂的人造岗石产业废粉利用途径少、利用率很低，大量废粉对环境产生了严重影响，阻碍了地方大理石产业发展。因此，将这些废弃物重新利用起来，则将对环境污染和经济损失产生积极效应[3- 4]。

近十年，逐渐有学者开始研究大理石粉在水泥基材料中的应用。王嘉杰[5]研究发现，掺加适量大理石粉(8%～10%)可提高水泥浆体力学性能；Corinaldesi[6]研究了大理石粉在砂浆和混凝土中的应用；Munir等[7]用大理石粉替代混凝土中的水泥开展研究，发现替代量为10%时，可以增加混凝土强度；肖佳等[8]研究了大理石粉对水泥基胶凝材料流动性、强度和干缩的影响，研究发现水泥胶砂强度随大理石粉掺量增加先增大后减少，掺量为5%其抗折和抗压强度最大。虽然，大理石粉在混凝土中应用研究取得了一定的成果，但对于含有非饱和树脂的人造岗石废粉在混凝土中的应用研究较少。基此，本研究利用广西利升石业有限公司产生的人造岗石废粉，设计了6组试验，研究废粉掺量对混凝土抗折强度的影响，为人造岗石产业废粉在混凝土中的应用提供参考依据。

1 试验概况

1.1 原材料

本试验水泥，选用华润富川水泥厂生产的润丰(旋窑)P·O42.5级水泥，记为P，化学组成成分(表1)，水泥物理力学性能指标(表2)；粉体采用广西利升石业有限公司产生的人造岗石产业废粉，记为MF，人造岗石废粉化学成分(表3)，粒径分布特征及基本性能(表4)，样品如图1所示；砂采用广西梧州市天然河沙，粗骨料采用连续级配的天然碎石骨料，最大颗粒粒径为25mm；试验用水采用贺州市自来水。

图1 人造岗石产业废粉

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 人造岗石产业废粉化学组成成分 %

表4 人造岗石产业废粉粒径分布特征及基本性能

1.2 试验配合比

试验以人造岗石产业废粉替代水泥掺量0%、5%、10%、15%、20%、25%为变量，共设计6组试验。混凝土以掺量0%为基准配合比，配制强度为C30，对于其它不同人造岗石产业废粉掺量的混凝土配合比，在基准配合比基础上保持砂、石子、水的量不变，胶凝材料总质量保持不变，改变水泥及废粉质量，各组混凝土配合比如表5所示。

表5 混凝土配合比

1.3 试件制作

试件按照《普通混凝土力学性能试验方法》(GB/T50081-2002)规范要求制作150mm×150mm×550mm的标准试件[9]，首先按配合比计算材料用量，考虑人造岗石产业废粉颗粒细小而极易团聚，并且其吸水性能较强、吸水后更易团聚。为使废粉在混凝土中分散均匀，首先将废粉与水泥搅拌约0.5min，然后加水搅拌0.5～1min，最后加入粗、细骨料搅拌约2min，搅拌完后得到混凝土拌合物，装模、成型、养护。试件制作流程如图2所示。

图2 试件制作流程

1.4 试验方法

(1)抗折强度试验

按照《普通混凝土力学性能实验方法》(GB/T 50081-2002)规范要求[9]，试块尺寸为150mm×150mm×550mm棱柱体，在试件跨度三分点处同时加载，加载方式如图3所示。加载过程保持均匀、连续，加荷速度为0.02～0.05MPa/s。当试件接近破坏时，记录破坏荷载。当试件下边缘断裂位置处于两个集中荷载作用线之间时，试件的抗折强度ft按规范计算公式(1)计算：

(1)

式中：ft——混凝土抗折强度(MPa)；

F——试件破坏荷载(N)；

L——支座间跨度(mm)；

b——试件截面宽度(mm)；

h——试件截面高度(mm)。

试验计算混凝土的抗折强度值精确至0.1MPa。抗压强度为抗折强度断后的两块在两个侧面加上宽为150mm钢板按标准试验方法加载进行抗压试验所得的试验结果。

图3 加载方式

2 试验结果与讨论

2.1 抗折强度试验结果分析

试验按照混凝土的配合比，每组制作3个试件，共18个试件开展抗折试验，并根据试验实测值按式(1)计算得到的28d抗折强度值如表6所示。表6中抗折强度数据均代表3个试件的平均值。图4为不同掺量废粉与抗折强度之间的变化关系。

图4 废粉掺量与抗折强度之间的变化关系

表6 试验抗折强度

由图3、表5数据分析可知：

(1)不同掺量人造大理石产业废粉混凝土抗折强度最低值为3.8MPa，最高值为5.87MPa，均值为4.94MPa；

(2)当掺量为5%时，人造岗石产业废粉混凝土抗折强度达到最大，与掺量为0%的混凝土抗折强度相比提高了9%；

(3)随着废粉掺量的不断增大，混凝土抗折强度先增大后减少。当掺量≥10%时，与掺量为0%的混凝土抗折强度相比，人造岗石产业废粉混凝土抗折强度均低。

2.2 回归分析

根据混凝土抗折强度试验数据进行回归计算分析，得到回归方程见式(2)：

y=5.4567+0.0874x-0.0114x2+0.002x3

(2)

式中：y——混凝土抗折强度，MPa；

x——人造岗石产业废粉掺量，%。

不同掺量人造岗石产业废粉混凝土抗折强度实测值拟合曲线如图5所示，相关系数R=0.97，拟合精度较高，可用于人造岗石产业废粉混凝土抗折强度与掺量分析及预测。

图5 抗折强度拟合曲线

2.3 抗折强度与抗压强度对比分析

根据试验同组相同混凝土配合比实测抗折强度与抗压强度对比分析，不同掺量人造岗石产业废粉混凝土抗折强度与抗压强度如表7所示。表7中抗压强度为抗折试验后的两块在两个侧面加上宽为150mm钢板按标准试验方法加载进行抗压试验所得的抗压强度试验结果。

表7 抗折强度与抗压强度比值

根据不同掺量人造岗石产业废粉混凝土抗折强度与抗压强度比值随掺量的变化如图6所示。

图6 掺量与ft,k/fcu,k之间关系

由表7、图6分析可知：

(1)不同掺量人造岗石产业废粉混凝土抗折强度与抗压强度比值约为0.2，均值μ=0.2。随着废粉掺量的增加，ft,k/fcu,k比值基本保持不变。

(2)不同掺量人造岗石产业废粉混凝土抗折强度与抗压强度之间的换算关系详见式(3)。

ft,k=0.2fcu,k

(3)

3 结论

通过掺入不同掺量的人造岗石产业废粉混凝土抗折试验，根据试验研究结果得到以下结论：

(1)随着掺量的增加，人造岗石产业废粉混凝土抗折强度先增加后减少，大理石废粉掺量为5%时，抗折强度值达到最大5.87MPa，与掺量为0%混凝土抗折强度相比提高了9%。

(2)根据试验数据拟合了人造岗石废粉混凝土抗折强度与掺量之间的函数方程，相关系数R=0.97拟合精度较高，可用于人造岗石产业废粉混凝土抗折强度与掺量关系的分析及预测。

(3)不同掺量人造岗石产业废粉混凝土抗折强度与抗压强度比值约为0.2，均值μ=0.2，得到了抗折强度与抗压强度之间的换算关系。