花岗岩矿石废料混凝土空心砌块试验研究

2018-07-31赵更歧王庆辉黄小星

新型建筑材料 2018年6期

赵更歧，王庆辉，黄小星

（郑州大学土木工程学院，河南郑州 450000）

0 前言

我国拥有丰富的花岗岩资源，但在开采大量的花岗岩矿石的同时也会产生边角料、石粉沫等废料。石材在切割、抛光等工艺过程中产生近50%边角料，这些边角料绝大部分以废料的形式被抛弃[1]。花岗岩废料的简单丢弃、堆积，浪费土地资源；花岗岩产品加工过程所产生的冷却液排放进入河道、湖泊，污染水资源，破坏当地的生态系统。这些传统的处理方法，不符合生态文明建设的理念。花岗岩废料的资源化利用是解决该环保难题的唯一途径。

目前，国内外对花岗岩废料资源化的尝试有：用花岗岩废料制作装饰材料，生产高性能瓷砖及轻质人造饰面砖等[2]。本文以花岗岩边角料人工破碎制成的骨料，完全代替天然粗骨料，并将适量的花岗岩石粉替代天然砂作为细骨料。以水灰比、水泥用量、粉渣比为主要因素，进行L9（33）正交试验，从而确定最佳配合比，并以此制备符合GB/T 8239—2014要求的花岗岩矿石废料混凝土空心砌块。

1 试验

1.1 原材料

再生粗骨料：以河南省内乡县宝天曼石材有限公司提供的花岗岩废料经反复破碎筛选的粒径为5～10 mm连续级配的颗粒作为粗骨料。根据JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》测试其物理性能，结果见表1。

表1 花岗岩废料粗骨料的物理性能指标

砂：河南省新乡市生产的天然河砂，中砂，细度模数3.0，密度2640 kg/m3。

石粉：河南省内乡县宝天曼石材公司提供的锯切和抛光等工艺产生的石粉，粒径0～1.18 mm，密度2850 kg/m3。

水泥：新乡新星水泥厂生产的P·O32.5水泥，3d抗压、抗折强度分别为17.33、2.11 MPa，28 d抗压、抗折强度分别为34.8、5.33 MPa。符合GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》要求。

1.2 试验方案设计

（1）花岗岩废料混凝土的抗压强度及冻融试验

由于空心砌块在压制成型后将立即脱模，所以要求花岗岩废料混凝土应具有抵抗一定变形的能力，必须满足的2个条件是：一是混凝土坍落度必须为0；二是混凝土粘聚性良好。首先通过混凝土试配（坍落度试验）找出最低水泥用量，取粉渣比为15%进行试配，结果见表2。

表2 不同水胶比的试配结果

由表2可知，当水胶比为0.50、0.55时，水泥用量不应小于320 kg/m3；水胶比为0.60时水泥用量不应小于340 kg/m3。

为了寻求更加经济的配合比，本研究采用正交试验，以水灰比、水泥用量和粉渣比（花岗岩矿石细骨料与花岗岩矿石粗骨料的质量比）为主要因素，正交试验因素水平如表3所示。

表3 正交试验因素水平

按照L9（33）进行正交试验设计，浇筑N1～N9共9组100 mm×100 mm×100 mm试块，每组试验包括3个小组（每组3个试块），分别进行立方体抗压强度试验、冻融后抗压强度试验、未冻融抗压强度对比试验。

（2）空心砌块的抗压强度及冻融试验

在上述正交试验确定的花岗岩废料混凝土优化配比的基础上，制备390 mm×190 mm×190 mm单排双孔砌块，空洞率46.1%，根据GB/T 8239—2014《普通混凝土小型砌块》对于承重砌块的对外壁和肋厚的要求设计为35 mm，孔洞转角设计为半径为15 mm的弧；钢模与砌块如图1所示。本节试验共分为3组：抗压试验组、冻融试验组、未冻融对比组。

图1 空心砌块试模及制备的空心砌块

冻融组与对比组的混凝土试块与空心砌块处理方法：依据GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》在冻融组试件标准养护室养护至24 d时，将其拿出并置于水池中浸泡。待试件养护至28 d时将浸泡在水池中的试件取出擦去表面明水，并称量记录m1，然后将其置于-15℃的冻融箱内冷冻4 h，冻融机自动注入15～25℃温水融解2 h，该过程为1个循环。根据河南地区的气候条件和GB/T 50082—2009要求确定冻融次数为25次，冻融结束后整理试件表面，称量记录m2，计算其质量损失率。在冻融期间对比组时间保持原有养护条件，待距离冻融结束还有4 d时，将对比组试件置于水池中浸泡。待冻融组冻融结束后，冻融组与对比组试件一同进行抗压强度测试。

1.3 性能测试方法

混凝土试块与空心砌块的抗压及冻融试验分别依据GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》及GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行测试，混凝土试块与空心砌块的加载速度分别为5 kN/s、4 kN/s。每组试验测得3个数据，找出其中间值，若其它2个数据未在在中间值的85%～115%之间，则剔除，取剩余值的平均值为测试值。

压力机为YAW2000B型微机控制电液伺服压力试验机，最大量程为2000 kN；冻融机为苏州市东华试验仪器有限公司生产的TDS-300型慢冻法试验机。

2 试验结果与分析

2.1 正交试验结果与分析（见表4）

表4 正交试验结果

从表 4可以看出，N1、N5、N7、N8、N9 配合比试块强度达到C25级，N2、N3、N4、N6配合比试块强度达到C30级。

正交试验极差分析见表5。

表5 正交试验极差分析

由表4、表5可知，随着水胶比的增大，花岗岩废料混凝土试块冻融前抗压强度先提高后降低，在水胶比为0.55时，立方体抗压强度最高；水胶比为固定值时，冻融组抗压强度随着粉渣比的增大而增大，在粉渣比为15%时，冻融后试块的抗压强度达到最大值；当水胶比为0.50与0.55时，与冻融对比组相比冻融组平均强度下降率先增大后减小，在粉渣比为15%时冻融组平均强度下降率达到最低，且冻融后平均质量损失率同时达到最低。石粉粒径微小填补了骨料简的缝隙，使得混凝土集料更加密实，吸水率降低，从而提高混凝土的抗冻性。

影响混凝土抗压强度的因素主次顺序为A>C>B，即水胶比>粉渣比>水泥用量；影响强度损失率的因素主次顺序为C>B>A，且后2个因素影响程度相近；对质量损失率影响因素极差较大为B、C，且两者极差值接近，最小的为A。

综合考虑，在配制花岗岩废料混凝土时应优先考虑的因素为A、C，即水胶比、粉渣比。花岗岩废料混凝土最佳配合比选择水胶比为0.55，粉渣比为15%，考虑到混凝土的强度和经济性，将水泥用量确定为340 kg/m3和320 kg/m3。

2.2 空心砌块抗压与冻融试验分析

按照最佳配合比：水胶比为0.55，粉渣比为15%，水泥用量分别为340、320 kg/m3时制备的空心砌块抗压强度见表6，抗冻性见表7。

表6 空心砌块的抗压强度

由表6可以看出，2种水泥用量配比制备的砌块强度均能符合GB/T 8239—2014《普通混凝土小型砌块》中MU10的要求（抗压强度≥10 MPa）。其中采用水泥用量为340 kg/m3配比制作的砌块强度较为稳定，且其外观较为密实美观，而水泥用量为320 kg/m3的砌块强度稳定性较差，且外观并不严实有较多空隙，但若进行工厂生产可优先选取该配比制作MU10砌块，因为该配比更加经济且工厂生产还需压力压制，会减少砌块空隙率，强度会更加稳定。