人造石材切割废屑在水泥及混凝土中的应用技术研究

林启扬 林彬涛 吴晖凡 余轶凡 张瑞华 张 敏＊

（华南农业大学水利与土木工程学院，广东 广州 510642）

我国经济正保持着稳定的高速增长，城市化建设正处于持续性发展的阶段。随着我国建设水平逐步提高，天然石材及人造石的需求量不断增加，因此也产生了大量建筑废弃物。建筑废料处理成本较高，同时存在占用场地、污染环境等问题。绿色、节能、环保是中国新式建筑发展的重要指标和要求，因此，如何有效回收利用人造石抛光废料等建筑废料是亟待解决的重要问题。

目前，国内外较多学者在建筑废料回收利用方面已经取得了一些成就，像是大理石废料替换碎石灰石可以配制自密实混凝土[1]、利用石材废料可以生产聚酯型人造大理石[2]、利用石材废料制作仿石涂料、仿石雕塑、人造石材等[3]。Singh 等[4-6]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。在更早期的研究工作中，张敖荣等研究工作表明，废料代替部分矿渣和石膏，可以磨制水泥[7]。花岗岩板材加工废料的综合利用也具有实现可能性[8]。但是，从总体上来说，综合利用石材加工废料的研究和在工业上的应用还不够广泛，仅集中在低附加值的建材领域。

本文以云浮地区石屑废料为研究对象，分析该废屑材料的组成成分及特性，提出石屑废料在水泥砂浆和水泥混凝土中的回收利用，通过配比设计和力学实验测试，研究了不同废屑掺量对最终混合物性能的影响规律，实现了石材废料的资源化和效益化综合利用。

1 实验材料及试件制备

1.1 原材料

本文实验采用的材料包括：石井牌P.C 复合C32.5R 硅酸盐水泥，自来水，天然河砂，碎石以及人造石材废屑。

1.2 石材废料分析

将人造石材切割废屑进行破碎研磨后进行成分测试发现其主要成分为氧化钙、碳酸钙与有机树脂。

1.2.1 含水量测试

将研磨好的废屑粉料取五组均为50g 的试样（误差0.01g之内），倒入蒸发皿中，放入烘干箱中，在105℃温度下进行烘干，24 小时后取出放在干燥器内冷却至室温后称重。

数据结果表明（表1），样品经过烘干后总质量减少明显，5组样品的原含水量均大于混凝土掺和物容许含水量（即1%）。因此，为满足规范标准[9-10]，降低对混凝土拌合物的影响，使用人造石材废屑前进行其烘干，保证含水量降至0.5%以内。

表1 含水量测试结果

1.2.2 细度测试

将烘干后的人造石材废屑粉料取样100g，倒入45μm 方孔筛筛网并放置在筛析仪器上进行筛析，筛析3min 后将筛网颗粒刷开，再度进行筛析，1min 后，收集筛余物并称量，与筛析前的质量进行对比，结果如表2 所示。

表2 废屑研磨粉料细度筛析值

多次筛析试验的结果表明，研磨后的人造石材切割废屑在经过45μm 方孔筛筛析后平均筛余量为25.79%，平均通过率为74.21%，达到二级粉煤灰细度标准，说明该废屑的研磨粉料粒径符合粉料规定标准[9-10]。

2 水泥砂浆试验

2.1 配合设计及试块制备

水泥砂浆实验设计时，根据土木工程材料知识进行配合比设计，确定混合料用量，其中水泥用量为450g，河砂用量为1350g，水灰比为0.51。设计5%、8%和10%三种不同石材废屑掺入量，制备混合料。每种掺量制作12 个棱柱体试件（40mm×40mm×160mm）进行标准养护（见图1），测试7 天抗压强度，取其均值进行分析。

图1 水泥砂浆试块脱模养护后图

2.2 水泥砂浆性能测试

2.2.1 力学性能

根据《水泥胶砂强度检验方法》[11]，采用万能试验机测定水泥砂浆试块7 天的抗压强度（图2-3），与未掺入废屑的砂浆试块试验结果进行对比，结果见图4。

图2 水泥砂浆试块加压图

图3 砂浆试块加压破坏

图4 不同废屑掺量的水泥砂浆抗压强度

从图4 可知，随着废屑掺量的增加，其7d 的抗压强度为先上升后下降曲线。当掺量占比小于8%时，材料抗压强度几乎呈线性上升，且7d 提高抗压强度比达30%以上。当掺量大于8%时，抗压强度下降明显，且稍小于对照组抗压强度。

实验数据显示，水泥砂浆材料中添加合理掺量的石材废屑，能够有助于提高水泥砂浆的抗压强度，但试验过程中发现试块样品表面出现废屑粉料渗出现象，掺量超过8%后，随着掺量增加，该现象越明显，这是由于废屑粉料粒径偏小，容易渗出。废屑逐渐不能很好的发挥填充效应，而且由于过多的废屑细颗粒游离在水泥颗粒之间降低了水泥颗粒间的粘聚力，进而降低了砂浆强度[12]。

2.2.2 流动度的影响

依据《水泥胶砂流动度测定方法》对砂浆混合料进行流动度测试[13]，水泥胶砂流动度测定仪跳动次数设定为25 次，测量水泥胶砂在规定振动状态下的扩展范围来衡量其流动性。跳动完毕后，用尺子测量胶砂底面互相垂直的两个方向直径，计算平均值，取整数，单位为毫米。从材料开始加水至胶砂流动的扩展直径和垂直直径测量完成，试验整个过程应控制在6min 内，得到水泥胶砂流动度测定值，试验数据结果见图5 所示。

图5 不同废屑掺量对水泥砂浆流动度的影响

由图5 可知，未掺入石材废屑时，水泥砂浆流动度值较大，并随着废屑掺量的不断增大，流动度逐渐趋向于平缓，废屑掺入超过5%之后，其掺量增加对水泥砂浆流动度的影响并不显著。在10%的掺入率之内，整体流动度没有较大差异。

3 混凝土性能试验

3.1 混凝土配比设计

根据《混凝土物理力学性能试验方法标准》[14]进行混凝土配合比设计，使用石井牌C32.5R 复合硅酸盐水泥进行设计与制作，设计强度等级为C30，配合比计算步骤如下：

混凝土配制强度：

坍落度设计要求为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 为30%，河砂的单位质量为ms0=515.49kg/m3；碎石的单位质量为mg0=1202.81kg/m3。

根据上述设计，单次试块制作所用材料用量如表3 所示。

表3 混凝土试块制作各材料用量

对上述基准水泥混凝土材料，添加5%、8%和10%三种掺量的石材废屑，制备150×150×150mm 混凝土立方体试块，每种掺量制作12 个试块。在标准条件下养护28 天后，测试其抗压强度，对比分析不同掺入率对混凝土试块抗压强度和施工和易性的影响规律。

3.2 混凝土试验及结果分析

3.2.1 石材废屑对混凝土力学性能影响

按《混凝土物理力学性能试验方法标准》[14]制作混凝土标准试件，试块制备过程中发现，随着废屑掺入量的增加，混合料流动性相对下降，试块表面同样出现了粉料渗出现象，且随着掺入量的增加，粉料渗出情况越明显。按照标准条件养护28 天后进行立方体抗压试验，见图6 和图7 所示，抗压强度测试结果如图8。

图6 脱模后加压图

图7 加压破坏与粉料渗出图

图8 不同废屑掺量混凝土28 天抗压强度

实验数据显示，一定量的人造石材切割废屑的掺入有助于提高混凝土的抗压强度，即有助于提升混凝土的力学性能。试验途中有发现试块样品表面出现废屑粉料渗出现象，养护时间越长，掺入率越大，该现象也越明显。由于制作工艺、环境因素以及材料受潮情况，同组试块抗压强度有一定离散性，但仍在容许范围以内（5%）。整体试验数据表明，当掺入率为5%～8%时，混凝土强度将得到明显的加强；但当掺入率为10%时，混凝土强度不会得到明显强化。

3.2.2 石材切割废屑对混凝土坍落度影响

根据确定的混凝土配合比称量材料，按试验规范要求依次将原料放入搅拌机进行搅拌，测得不同废屑掺料下，混凝土坍落度值如图9 所示。

图9 坍落度随掺量的变化曲线图

从实验数据可知，人造石材切割废屑掺入水泥粉料配制混凝土，随着掺入率的提高，混凝土的坍落度会稍微受到影响，但其坍落度仍处于设计坍落度范围内，其工作性能仍能保证。

4 结论

4.1 人造石材切割废屑在保证水泥水灰比的情况下适当用量取代粉煤灰水泥可以有效提高水泥砂浆试块及混凝土试块的力学强度，水泥砂浆中掺量在8%左右时，7 天抗压强度提高23%左右，混凝土试验中掺入5%-8%的废料时，试块抗压强度提升约30%。

4.2 人造石材切割废屑本身含水量较高，应用前需进行烘干以免造成对水泥及混凝土水灰比的影响；其研磨粉料粒径符合二级粉煤灰细度规范，粒径较小的部分会对成品的外观和强度造成细微影响；粉料掺入后会影响水泥流动度，吸水性能较强，配制水泥砂浆时需注意用水和对水灰比造成的影响。

4.3 人造石材切割废屑的二次利用可以解决建筑石材废弃物对耕地占用、污染环境、资源浪费等问题，还可提高水泥砂浆和混凝土的工作性能、力学性能，进行适当处理即可满足国标规范的要求，实现变废为宝，具有使用价值和推广意义。