遇啟慧，張倚銘，陳佳源，郭兵帥，周 楊，孫 野，馮啟明，2(.西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽 6200；2.固體廢物處理與資源化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽 6200)

利用中國紅花崗石邊角料生產(chǎn)無機(jī)人造石

遇啟慧1，張倚銘1，陳佳源1，郭兵帥1，周 楊1，孫 野1，馮啟明1，2
(1.西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽 621010；2.固體廢物處理與資源化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽 621010)

本文對利用紅色花崗石邊角料為骨料，以無機(jī)膠凝材料作為膠結(jié)料，并配以紅色無機(jī)顏料及其他外加劑，生產(chǎn)紅色人造石進(jìn)行了研究。結(jié)果顯示，制品養(yǎng)護(hù)至28 d時(shí)的抗壓強(qiáng)度為92.8 MPa，抗折強(qiáng)度為11.9 MPa，吸水率為3.46%，光澤度為63.8光澤單位，其性能超過國家建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑裝飾用水磨石——水泥人造石》(JC/T507—2012)的指標(biāo)。放射性屬于國家標(biāo)準(zhǔn)的A類裝飾裝修材料，產(chǎn)銷和使用范圍不受限制。

中國紅花崗石；邊角料；無機(jī)人造石

四川雅安地區(qū)擁有豐富的紅色花崗石石材，資源量達(dá)五千多萬立方米，品種繁多，聞名遐邇，其中最有名的是“中國紅”花崗石[1]。這種紅色花崗石主要是由紅色粗粒鉀長石和石英組成[2]，拋光后整體呈紅色，具有顏色美觀、硬度高、耐磨損等特點(diǎn)，目前已建有幾十家花崗石開采和加工企業(yè)。在花崗石荒料開采及板材加工過程中，板材成材率一般在30%左右，其余部分為小塊碎料及粉料等，統(tǒng)稱為邊角料，目前只有極少數(shù)部分用于生產(chǎn)天然彩色骨料以及作為生產(chǎn)微晶玻璃裝飾板材[3]等的原料，絕大部分還未得到高效利用，既占用大量堆放場地，又浪費(fèi)礦產(chǎn)資源，遇暴雨還可能造成泥石流等自然災(zāi)害，嚴(yán)重困擾著石材企業(yè)的生產(chǎn)和發(fā)展[4]。如何將這些邊角料進(jìn)行大宗高效利用，以生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品，已成為當(dāng)?shù)厥钠髽I(yè)期盼解決的問題。

目前國內(nèi)外人造大理石主要有聚酯型有機(jī)人造石、硅酸鹽型無機(jī)人造石、復(fù)合型和燒結(jié)型四種。針對硅酸鹽型無機(jī)人造石存在抗折強(qiáng)度低、不耐酸，光澤度差、表面返堿等缺點(diǎn)，李健學(xué)等[5]采用鋁酸鹽水泥作為粘結(jié)劑研制出一種表面光潔度為95°的人造石鏡面板。孫強(qiáng)等[6]、孫國忠等[7]研究表明，廢玻璃與粉煤灰還起到了抑制人造無機(jī)大理石表面返堿的作用。岑紹輝等[8]選用鋁酸鹽水泥、導(dǎo)電石墨粉及專用添加劑通過制作中間層，研制成具有電暖功能的人造大理石。

本文對利用紅色花崗石邊角余料為骨料，以無機(jī)膠凝材料作為膠結(jié)料，并配以紅色無機(jī)顏料及其他外加劑，生產(chǎn)新型紅色無機(jī)人造石材進(jìn)行研究。這對大力推進(jìn)節(jié)能減排，發(fā)展節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)，資源循環(huán)利用，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，建設(shè)資源節(jié)約型及環(huán)境友好型社會(huì)有重要意義[9-10]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原材料

試驗(yàn)所用原材料：①花崗石骨料，將采自四川雅安某石材企業(yè)排放的紅色花崗石邊角料用顎破機(jī)破碎至-10 mm的顆粒，并篩分成4個(gè)粒級(jí)備用；②水泥，52.5R白色硅酸鹽水泥(阿爾博安慶白水泥有限公司)；③聚羧酸減水劑；④自制偏高嶺石超細(xì)粉；⑤水晶滲硅劑；⑥超細(xì)鐵紅顏料。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

以合理級(jí)配的花崗石顆粒為骨料，白色硅酸鹽水泥為膠結(jié)料，偏高嶺石作礦物外加劑，無機(jī)顏料、減水劑等為混凝土外加劑，加入一定量自來水?dāng)嚢杈鶆蚝?，分別澆入100 mm×100 mm(測抗壓強(qiáng)度)和100 mm×200 mm(測抗折強(qiáng)度和其他性能)的鋼模內(nèi)，振動(dòng)密實(shí)，24 h后脫模，放入混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)至28 d，取出后經(jīng)過切割、磨平、表面處理后再經(jīng)過精細(xì)拋光，按建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑裝飾用水磨石——水泥人造石》(JC/T507—2012)檢測其相關(guān)性能。

單一級(jí)配的骨料的緊堆密度和孔隙率用以下方法進(jìn)行測試和表征[11]：將單一粒度級(jí)配的骨料裝填于1 000 mL的塑料量筒中，一邊裝填一邊輕輕振動(dòng)，直至1 000 mL刻度，稱重骨料。按式(1)計(jì)算緊堆密度D，然后向量筒中注水至1 000 mL刻度；按式(2)計(jì)算不同級(jí)配的骨料的孔隙率δ。單一級(jí)配骨料的緊堆密度和孔隙率見表1。

D=W/1 000 cm3

(1)

式中：D為緊堆密度，單位為g/cm3；W為骨料質(zhì)量，單位為g。

δ=V/1 000 cm3

(2)

式中：δ為孔隙率，單位為%；V為水的體積，單位為cm3。

2 結(jié)果與討論

2.1 骨料級(jí)配與緊堆密度和孔隙率的關(guān)系

2.1.1 單一粒度級(jí)配骨料的緊堆密度和孔隙率

單一粒度級(jí)配骨料的緊堆密度和孔隙率測定結(jié)果見表1。

從表1可知，在10～0.6 mm范圍內(nèi)，單一粒度級(jí)配的骨料的緊堆密度是隨粒徑減小而增大，而孔隙率是隨粒徑減小而減小，但在此粒徑范圍內(nèi)的單一級(jí)配骨料孔隙率都較大。因此需對不同粒度級(jí)配骨料的緊堆密度和孔隙率進(jìn)行研究，以求得緊堆密度較大而孔隙率較小的合理的骨料粒度級(jí)配。

2.1.2 不同級(jí)配骨料的緊堆密度和孔隙率

使用合理粒度級(jí)配的骨料，可以減少水泥用量，增大骨料用量，以降低人造石的成本，同時(shí)可使無機(jī)人造石石質(zhì)感增強(qiáng)，表面光澤度提高。不同粒度級(jí)配骨料的緊堆密度和孔隙率見表2。

表1 單一級(jí)粒度級(jí)配骨料的緊堆密度和孔隙率

表2 骨料級(jí)配與緊堆密度和孔隙率的關(guān)系

由表2可知，骨料的級(jí)配不同，緊堆密度和孔隙率也不同，緊堆密度越大，孔隙率越小。根據(jù)影響水泥混凝土強(qiáng)度的基本理論，在其他條件都相同時(shí)，用小孔隙率級(jí)配的骨料制備出的人造石的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度等性能較好[12]，因此對骨料的級(jí)配對水泥人造石性能的影響需要實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證。

2.2 骨料粒度級(jí)配對人造石性能的影響

采用52.5R白色普通硅酸鹽水泥作為膠結(jié)料，膠骨比為0.34，水膠比(w/c)為 0.316，減水劑用量為水泥質(zhì)量的0.74%，鐵紅顏料為水泥質(zhì)量的1.4%等條件一定時(shí)，骨料粒級(jí)級(jí)配對水泥人造石性能的影響見表3。表3中處理前的光澤度是指樣品養(yǎng)護(hù)至28 d，經(jīng)切割打磨、初步拋光后測得的光澤度，處理后的光澤度是指切割打磨初級(jí)拋光后，用水晶滲硅劑進(jìn)行表面處理再進(jìn)行精細(xì)拋光后測得的光澤度。與樣號(hào)對應(yīng)的骨料級(jí)配見表2。

由表3數(shù)據(jù)可知，在相同條件下，緊堆密度越大或孔隙率越小的級(jí)配的骨料，樣品的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度越大，光澤度越高，而吸水率越小，各個(gè)樣品的性能指標(biāo)均超過《建筑裝飾用水磨石——水泥人造石》(JC/T507—2012)的標(biāo)準(zhǔn)(該標(biāo)準(zhǔn)中，水泥人造石的抗折強(qiáng)度≥10 MPa，吸水率≤4%，光澤度≥60光澤度單位)。其中2號(hào)樣品的骨料級(jí)配較為合理。

由于水泥人造石內(nèi)部存在一些毛細(xì)微孔，在潮濕環(huán)境下，水泥水化時(shí)產(chǎn)生的氫氧化鈣易遷移至表面，使其表面出現(xiàn)“泛堿”現(xiàn)象[13]，會(huì)使人造石表面光澤度降低，影響其裝飾性，而水晶滲硅劑易與氫氧化鈣反應(yīng)生成硅酸凝膠，封堵毛細(xì)孔隙，可抑制“泛堿”現(xiàn)象，并使其表面光澤度提高，因此用水晶滲硅劑處理后的樣品，其光澤度明顯提高。

表3 骨料級(jí)配對人造花崗石性能的影響

2.3 偏高嶺石礦物外加劑摻量對其性能影響

水泥基無機(jī)人造石在使用中遇到潮濕環(huán)境易出現(xiàn)泛堿現(xiàn)象，會(huì)影響其修飾效果，這是目前水泥基人造石普遍存在而又急于解決的問題。偏高嶺石是一種水泥混凝土的良好的礦物活性外加劑，它是由高嶺石經(jīng)一定溫度煅燒后磨細(xì)而成，將其摻入新拌水泥混凝土中時(shí)，易與水泥水化時(shí)產(chǎn)生的游離氫氧化鈣反應(yīng)形成硅鋁質(zhì)膠凝材料，防止氫氧化鈣碳化所造成水泥制品的泛堿現(xiàn)象，同時(shí)還可堵塞毛細(xì)微孔，另外偏高嶺石可作為微集料降低水泥制品的孔隙率，使其更加致密，降低吸水率。以表2中2號(hào)樣品骨料級(jí)配制備試件，在其他條件均相同時(shí)，偏高嶺石摻量(水泥質(zhì)量百分比)對無機(jī)人造石性能的影響結(jié)果見表4。

從表4可見，當(dāng)偏高嶺石摻量在0～17%的范圍內(nèi)時(shí)，隨著偏高嶺石摻量的增加，試件的抗折強(qiáng)度逐漸增大，最大可達(dá)12.9 MPa；而吸水率逐漸減小，最低為3.21%；光澤度逐漸增加，最大達(dá)到66.5光澤單位。表明摻入一定量的偏高嶺石可使水泥基無機(jī)人造石的孔隙率減少、結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，經(jīng)長時(shí)間放置后表面上無泛堿現(xiàn)象。

2.4 人造石放射性測定

用CIT-3000F型建材放射性檢測分析儀對中國紅花崗石骨料進(jìn)行放射性檢測，實(shí)測能譜圖見圖1，結(jié)果見表5。

表4 偏高嶺石摻量對人造石性能的影響

表5 花崗石骨料放射性比活度

按國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑材料放射性核素限量》(GB 6566-2010)計(jì)算其內(nèi)照射指數(shù)IRa和外照射指數(shù)Ir，分別見式(3)、式(4)。

(3)

=0.7971≈0.8

(4)

式中：CRa為鐳素放射性比活度；CTh為釷素放射性比活度；CK為鉀素放射性比活度，單位均為Bq·kg-1。

花崗石骨料的放射性與國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑材料放射性核素限量》(GB 6566—2010)的對比見表6，結(jié)果符合A類裝飾裝修材料標(biāo)準(zhǔn)，而白色硅酸鹽水泥出廠時(shí)已通過檢驗(yàn)，其放射性屬于國家標(biāo)準(zhǔn)的A類建材，因此，由紅色花崗石為骨料，以白色硅酸鹽水泥為膠結(jié)料生產(chǎn)的無機(jī)人造大理石裝飾材料，也屬于國家標(biāo)準(zhǔn)的A類建材，其產(chǎn)銷和使用范圍不受限制。

3 樣品的顯微結(jié)構(gòu)

將不同條件下制得的樣品在SEM下觀察的顯微結(jié)構(gòu)見圖2～4。

表6 花崗石骨料放射性檢測分析結(jié)果

注：A類建材是指國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑材料放射性核素限量》(GB 6566—2010)中的A類裝修材料，需滿足IRa≤1.0和Ir≤1.3。

圖2 未添加偏高嶺石的樣品的SEM圖

從圖2可見，在其他配比相同時(shí)，未摻偏高嶺石的樣品存在有較大較多的孔洞，結(jié)構(gòu)不致密；從圖3可見，添加了17%的偏高嶺石的樣品，其孔洞明顯變小，也更加致密，這是因?yàn)槠邘X石的火山灰效應(yīng)使其與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2反應(yīng)，形成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣膠凝材料，充填其孔隙，加上未反應(yīng)的微細(xì)偏高嶺石的填充效應(yīng)，使混凝土結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，從而提高了水泥人造石的力學(xué)性能，這與上文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

圖4 添加17%偏高嶺石并經(jīng)滲硅劑處理的樣品的SEM圖

圖4為添加了17%的偏高嶺石的樣品磨平表面經(jīng)水晶滲硅劑處理后的橫斷面SEM圖，由圖4可見，表面經(jīng)水晶滲硅劑處理后，距表面約10 μm厚度內(nèi)，其顯微結(jié)構(gòu)更加致密，拋光后表面光澤度有明顯提高。這與上文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。這是由于鋰基滲硅劑滲透性較好，易于滲入樣品表面以下，其中的二氧化硅易與氫氧化鈣反應(yīng)生成硅酸凝膠，進(jìn)一步封閉毛細(xì)孔隙。

4 結(jié) 論

1)水泥基人造石用骨料粒徑在10～0.6 mm范圍內(nèi)時(shí)，單一粒度級(jí)配骨料的緊堆密度是隨粒徑減小而增大，而孔隙率是隨粒徑減小而減小。

2)在其他條件相同時(shí)，用緊堆密度越大的粒度級(jí)配的骨料所制試件的抗折、抗壓強(qiáng)度越大(分別達(dá)到11.9 MPa和92.8 MPa)，光澤度越高(達(dá)到63.8光澤單位)，吸水率越小(低至3.46%)。

3)所制作的紅色水泥人造石性能均超過《建筑裝飾用水磨石——水泥人造石》(JC/T507—2012)的指標(biāo)。

4)摻入一定量偏高嶺石可使試件的孔隙率變小，結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，再經(jīng)水晶滲硅劑處理后，表面光澤度又有所增加。

5)該無機(jī)人造大理石裝飾材料屬于國家標(biāo)準(zhǔn)的A類建材。

[1] 彭加權(quán).中國紅花崗石紅遍天下[N].雅安日報(bào)，2010-12-16(5).

[2] 方士溯.四川雅安名優(yōu)石材介紹[J].石材，1997(3)：36-37.

[3] “利用花崗石生產(chǎn)廢料采用全電熔壓延工藝生產(chǎn)微晶玻璃裝飾板材”科研項(xiàng)目通過鑒定[J].四川建材，2013，39(1)：135.

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Production of inorganic artificial stone by using China red granite scrap

YU Qihui1，ZHANG Yiming1，CHEN Jiayuan1，GUO Bingshuai1，ZHOU Yang1，SUN Ye1，F(xiàn)ENG Qiming1，2
(1.School of Resources and Environment，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010，China；2.Key Laboratory of Solid Waste Treatment and Resource Recycle，Ministry of Education，Mianyang 621010，China)

This paper’s study was taking advantage of red granite scrap as main materials and adding inorganic adhesive as binding materials，with some red inorganic pigments and other admixtures，produced red artificial stones.The results show that compressive strength of the product was 92.8MPa when it was maintained for 28 days，the flexural strength was 11.9MPa，the water absorption rate was 3.46%，and the gloss was 63.8.The product’s performance is more than the national standard of “Terrazzo for building decoration—Cementitious terrazzo”.Its radioactive property is in line with the national standard of class A decoration materials，so its production，marketing and usage can not be restricted.

China red granite；scrap；inorganic artificial stone

2017-04-22 責(zé)任編輯：劉艷敏

國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資助(編號(hào)：201610619022)

遇啟慧(1994-)，女，山東煙臺(tái)人，礦物加工工程專業(yè)在讀本科生，E-mail：843759115@qq.com 。

馮啟明(1958-)，男，四川南充人，教授，主要研究方向?yàn)槲驳V資源化利用及礦物材料，E-mail：1252138465@qq.com。

TD98

A

1004-4051(2017)08-0165-04