1. 引言
随着我国经济发展，天然石材的需求量、消耗量、出口量大幅度增加，同时产生了大量废弃物–锯泥。花岗岩锯泥为花岗岩石材切割、抛光等加工过程中产生的废浆。由于其含水率高，处理工艺繁杂，难以有效利用。大量锯泥的堆放，不仅严重污染环境，而且留下安全隐患。以麻城市为例，前期回填处理的锯泥约3000万吨，每年新增锯泥约900万吨，绝大部分处于集中堆放而未有效利用阶段，不仅占用大量的土地资源，同时对当地的环境和地下水资源造成严重的污染，寻求锯泥的综合化利用变得十分重要。
目前，国内对石材锯泥的应用也进行了不少探索，一方面将其作为原材料生产灰渣砖、加气混凝土砌块、陶瓷等 [1] [2] ，但其产品市场需求量较少，对锯泥的消耗量达不到处理的要求；另一方面采用干法制粉，将锯泥烘干、磨细，作为惰性掺合料 [3] 。由于锯泥中含水率最高可达40%以上，且含有细砂、石块、塑料薄膜等杂物，采用烘干磨细工艺时，能耗较高，经济效果不明显。为了更大限度地利用花岗岩锯泥，将锯泥直接应用于混凝土生产无疑是最有效的途径，因此，研究锯泥对混凝土性能的影响规律则具有十分重要的意义。
花岗岩锯泥本质上是以花岗岩石粉为主，花岗岩石粉在混凝土中的应用已有相当部分的研究成果。赵国成 [4] 等研究表明，花岗岩石粉和粉煤灰的复掺量不超过10%和20%时，可以显著提高混凝土的工作性能，但是为保证混凝土的力学性能，需要控制其掺量范围。武汉理工大学李相国 [5] 教授研究发现，掺入花岗岩石粉可以显著提高砂浆的流动度，并降低砂浆的收缩率，但同时砂浆的抗压、抗折强度会随着花岗岩石粉掺量的增加而降低性花岗岩石粉对水泥性能的影响。研究结果显示，花岗岩的加入可以降低砂浆收缩率，提高流动性，砂浆抗折、抗压强度随掺量增加而降低。叶武平 [6] 等研究了花岗岩石粉取代水泥对混凝土工作性能和力学性能的影响规律，研究结果表明，掺入花岗岩石粉可以提高混凝土的工作性能，增加其坍落度；同时混凝土的力学性能会随着花岗岩石粉掺量的增加而逐渐降低，但是提高花岗岩石粉的细度可以很好的改善混凝土的力学性能。由于花岗岩锯泥是花岗岩石材切割、抛光等加工过程中产生的，其颗粒较细，在混凝土中具有很好的应用价值。但是花岗岩锯泥与烘干花岗岩石粉具有显著的差异，因此有必要厘清原状含水锯泥应用于混凝土中对其性能的影响，从而确认原状锯泥的应用效果和价值。
对锯泥资源的再生利用研究有助于解决部分地区大量锯泥资源堆积的问题，有助于促进石材产业经济循环，同时对该地区的环境保护也是一大利好。本实验通过对原状岗岩湿锯泥进行研究，将其应用到预拌混凝土生产中，对拌合物性能、力学性能进行了研究，同时，通过干燥收缩、氯离子渗透系数、孔结构分析、水化产物微观形貌分析测试实验，研究了锯泥对混凝土长期耐久性能的影响进行了研究。
2. 试验
2.1. 原材料
水泥选用阳新华新水泥股份有限公司生产的P∙O 42.5水泥，粉煤灰选用鄂州电厂的Ⅱ级粉煤灰，D50为10.23 μm。矿粉选用武汉武新型建材有限公司的S95级矿粉，花岗岩锯泥取自麻城嘉煜新型材料有限公司堆厂，各材料的化学成分如表1所示，锯泥是一种硅铝质材料。花岗岩锯泥试验前经过预处理，最大粒径不超过19 mm，其物理性能参数如表2所示，可以看出锯泥中以粉体为主，含有部分粗颗粒。将锯泥烘干过200目的筛子后测得D50为5.98 μm。锯泥的SEM图片如图1所示，从图1中可以看出，锯泥颗粒表面较光滑，但是具有明显无规则棱角。细骨料选用大冶水洗机制砂和江砂，细度模数分别为4.2和0.7。粗骨料为咸宁碎石，粒径为5~25 mm。减水剂选用武汉信来道科技公司的聚羧酸高性能减水剂，型号610。
Table 1. Main chemical composition of raw materials (wt.%)
表1. 原材料的主要化学成分(wt.%)
Table 2. Physical properties of granite sawdust
表2. 花岗岩锯泥的物理性能
(a) 
(b)
Figure 1. SEM image of granite sawdust
图1. 花岗岩锯泥SEM图
2.2. 试验方法
混凝土拌合物工作性能参考标准GB/T 50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行测试；混凝土力学性能参考标准GB/T 50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行测试；混凝土耐久性参考标准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。采用Auto Pore IV 9510型压汞仪对混凝土的孔结构进行分析，采用Quanta 450FEG场发射扫描电镜对混凝土水化产物微观形貌进行分析。
2.3. 配合比设计
本次实验中将锯泥过19 mm筛，固定掺量为100 kg/m3，按照表2中锯泥各组分的含量，等质量取代基准配比中的粉煤灰、江砂和水，分别研究锯泥对C30、C35、C40、C45、C50混凝土性能的影响。具体配合比如表3所示。
Table 3. Mix ratio of different grades concrete with granite sawdust (kg/m3)
表3. 锯泥不同标号混凝土配比(kg/m3)
3. 试验结果与分析
3.1. 花岗岩湿锯泥对各等级混凝土工作性能的影响
Figure 2. The influence of granite sawdust on the workability for various grades of concrete
图2. 锯泥对各等级混凝土工作性能的影响
图2所示为锯泥对各等级混凝土坍落度和扩展度的影响结果，从图中可以看出，掺入原状锯泥后，各标号混凝土的扩展度均有一定的提升，而C35和C45等级混凝土的扩展度也有一定的增大。同时，测试过程中发现锯泥取代粉煤灰后，混凝土的和易性、包裹性、黏聚性均有改善。这一结果表明，锯泥的掺入可以改善混凝土的工作性能，这主要是由于锯泥本质上是优质石粉，其吸水率更低，填充性能优于二级粉煤灰。
3.2. 花岗岩湿锯泥对各等级混凝土力学性能的影响
Figure 3. The influence of granite sawdust on the mechanical properties for various grades of concrete
图3. 锯泥对各等级混凝土强度的影响
图3所示为掺入锯泥后各等级混凝土的7 d和28 d抗压强度变化。从图中可以看出，掺入锯泥后，各标号混凝土强度均有一定的提升，但是提升幅度不明显。强度提升最大的为C40混凝土，28 d强度增加了3.0 MPa，增幅为6.5%。一方面，锯泥属于惰性掺合料，其活性低于粉煤灰，对于强度发展不利；另一方面，锯泥的填充效应更好，掺入锯泥后混凝土结构更为密实，同时锯泥颗粒具有棱角性，其与水泥浆体的结合更加坚固 [7] 。这两方面的综合影响下，掺入锯泥后混凝土的抗压强度仍然有一定的增加，表明锯泥在混凝土中的应用效果良好。
3.3. 花岗岩湿锯泥对各等级混凝土抗渗性能的影响
Figure 4. The influence of granite sawdust on the anti-chloride ion permeability for various grades of concrete
图4. 锯泥对各等级混凝土氯离子渗透性能的影响
图4所示为锯泥取代粉煤灰后各等级混凝土28 d的抗渗性变化。从图中可以看出，掺入锯泥取代粉煤灰后，各标号混凝土的氯离子渗透系数均有所降低。其中C30~C45混凝土的氯离子渗透系数降低幅度在3.0%~7.2%，其中C40混凝土的抗渗性提升最大，为7.2%，而C50混凝土的氯离子渗透系数仅降低了1.2%。这一结果表明锯泥对提高C45以下混凝土抗渗性的效果更加显著，而C50混凝土由于其自身抗渗性较好，掺入锯泥后对其抗渗性的影响也较小。混凝土的抗渗性是其自身结构密实性的一种体现，这一结果进一步证明了锯泥取代粉煤灰后，可以进一步填充混凝土内部孔隙，减少混凝土内部孔隙之间的连通性，提高混凝土的密实性 [8] 。
3.4. 花岗岩湿锯泥对各等级混凝土干燥收缩性能的影响
Figure 5. The influence of granite sawdust on the drying shrinkage performance for various grades of concrete
图5. 锯泥对各等级混凝土干燥收缩性能的影响
图5所示为锯泥对C30、C40、C50混凝土干燥收缩性能的影响。从图5中可以看出，混凝土的干燥收缩随着龄期的延长，逐渐增加，但是干燥收缩增长率逐渐变缓。掺入锯泥取代粉煤灰后，混凝土的28 d干缩率呈下降趋势，掺入锯泥后C30、C40、C50混凝土28 d的干燥收缩分别降低了3.4%、4.0%和1.5%。混凝土干燥收缩的与其内部毛细孔的含量有关，而锯泥的粒径比粉煤灰更细，其微集料效应可以有效的填补混凝土内部的毛细孔，降低毛细孔的含量，从而降低混凝土的干缩 [9] 。超细石粉在水泥水化早期有促进熟料矿物水化的性能，这种水化的加速会导致混凝土的干缩增加，但由于其对孔结构的细化作用抵消了这部分的干缩值 [10] 。因此，从整体来看，锯泥替代粉煤灰后有利于混凝土干缩性能的改善。
3.5. 花岗岩湿锯泥对混凝土孔结构的影响
对水泥基材料进行切割、破碎处理后，从中选取质量约为2 g的块体用于孔结构分析测试。采用Auto Pore IV9510型压汞仪测试基准混凝土(C40)和掺锯泥混凝土(C40-锯泥)的孔结构分布。在测试过程中，设置测试最大压力为228 MPa，平衡时间和排空时间分别为10 s和5 min，测量的孔径范围为3.2 nm~360 nm。检测结果见图6。
根据吴中伟院士的观点 [11] ，可以将水泥基材料内部孔按照孔径划分为：小于20 nm的无害孔，20~100 nm的少害孔、100~200 nm的有害孔和大于200 nm的多害孔，且指出减少100 nm的以上的有害孔，增加50 nm以下的少害孔和无害孔，可以提高水泥基材料的结构性能和耐久性。
(a) 孔结构分级分布 
(b) 孔结构累计分布
Figure 6. The influence of granite sawdust on the pore structure of concrete
图6. 锯泥对混凝土孔结构的影响
图6所示为C40组混凝土和C40-锯泥组混凝土的孔结构测试结果，可以看出，两组混凝土中孔均主要为小于50 nm的少害孔和无害孔。掺入锯泥后会导致混凝土内部无害孔和少害孔的含量显著增加，但是这对于混凝土的力学性能无明显不利影响，反而会降低混凝土的收缩，提高混凝土的抗冻性能，从而提高混凝土的长期耐久性。C40组混凝土的累计进汞量为0.01573 mL/g，而C40-锯泥实验组为0.02661 mL/g，这一结果表明掺入锯泥后，混凝土的孔隙率有所增加。进一步对孔结构进行分析，如表4所示。从中可以看出，掺入锯泥后，混凝土内部小于20 nm的无害孔的相对从23.9%增加到48.2%，但是大于200 nm的多害孔的比例从49.9%降低到19.9%，这表明掺入锯泥后对混凝土的孔结构有一定的优化。这主要是因为锯泥的粒径更细，具有更好的填充效果，使混凝土的结构更加密实，有害孔的含量降低；但是由于锯泥的活性较低，掺入锯泥混凝土内部生成的水化产物减少，导致内部凝胶孔(无害孔)含量的增加 [12] 。但是从整体孔结构上来说，锯泥的掺入可以优化混凝土孔结构，从而提高混凝土的耐久性能。
Table 4. Analysis of MIP test results
表4. MIP测试结果分析
3.6. 花岗岩湿锯泥对混凝土微观形貌的影响
图7所示为C40组混凝土和C40-锯泥组混凝土28 d的水化产物的微观形貌图。如图7所示，混凝土C40组和混凝土C40-锯泥组的SEM图像中均可以看出一定量的片状氢氧化钙(CH)晶体和大量的致密无定型水化硅酸钙(C-S-H)，未发现明显的针棒状钙矾石(AFt)晶体。这主要是由于粉煤灰和锯泥的活性都较低，不能完全消耗水泥水化产生的CH晶体，而体系中硫酸根离子含量较低，水化后期未形成大量的AFt晶体。C40组和C40-锯泥实验组的水化产物形貌无明显差别，表明锯泥的掺入对水化产物的影响不明显。
Figure 7. Microscopic morphology analysis of hydration products
图7. 水化产物微观形貌分析
4. 结论
本实验通过掺入100 kg原状湿锯泥全部取代各等级混凝土中的粉煤灰和部分细砂，研究了锯泥对各等级混凝土工作性能、力学性能和耐久性能的影响规律，探究原状锯泥在混凝土生产中的应用价值，得到的结论如下：
(1) 掺入原状湿锯泥可以改善各等级混凝土拌合物的工作性能，并且能够提高混凝土的7 d和28 d强度，其中C40混凝土的强度提升最显著，28 d强度增幅达到6.5%。
(2) 掺入原状湿锯泥可以降低混凝土的收缩，提高混凝土的抗渗性，且C45等级混凝土以下的效果更佳显著。这主要是因为锯泥的颗粒更细，具有更好的填充效果，从而明显降低200 nm有害孔含量；同时由于其活性低，会增加小于20 nm的无害孔，这均有利于提高混凝土的耐久性。
(3) 从微观结构测试结果中看出，锯泥的掺入对混凝土水化产物的微观结构无明显影响。
参考文献