蒸壓粉煤灰-橡膠粉砌塊的配比研究

蔣　蕾, 鐘棟青,王路明,蔡樹元

(1.常州大學材料科學與工程學院，常州　213164；2.鹽城工學院材料工程學院，鹽城　224051)

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蒸壓粉煤灰-橡膠粉砌塊的配比研究

蔣蕾1,2, 鐘棟青2,王路明1,2,蔡樹元2

(1.常州大學材料科學與工程學院，常州213164；2.鹽城工學院材料工程學院，鹽城224051)

采用正交試驗法分析蒸壓粉煤灰試塊中材料組成對力學強度的影響，給出最佳配合比并運用XRD和SEM分析解釋。基于此配合比，運用曲線擬合，探究橡膠粉對蒸壓粉煤灰-橡膠粉試塊力學性能的影響規律。從試驗結果可以看出：鈣質材料與石膏對蒸壓粉煤灰試塊力學性能影響較大，基本正交試驗中第19組的強度最好；材料中生成了一定量的硬硅鈣石和托勃莫來石，有效地解釋了強度的發展；隨著橡膠粉摻量增加，蒸壓橡膠粉-粉煤灰試塊的抗壓強度和抗折強度均呈現指數下降趨勢，折壓比總體呈現先升后降的趨勢。

蒸壓； 橡膠粉； 粉煤灰； 力學性能

1　引　言

隨著世界經濟的快速發展，汽車業及橡膠工業也逐步發展，隨之產生大量的廢舊輪胎以及其他一些橡膠制品，處理與日俱增的廢舊輪胎成為世界各個國家的難題。目前，主要的處理方法是露天堆置、填埋以及焚燒，露天放置及填埋不但占用大量的土地，而且不易分解，極易滋生蚊蟲，既污染了土壤也污染了地下水，造成了"黑色污染"，橡膠在焚燒過程中會產生多環芳烴、笨及苯酚等有毒有害物質[1]。將廢舊輪胎硫化，然后將其粉碎，制成橡膠粉，在土木工程中應用，是目前處理廢舊橡膠較為有效的途徑之一。

蒸壓粉煤灰磚作為新型墻體材料的一種，具有重量輕、降低環境污染、節土利廢、改善建筑功能等特點，可以在很大程度上緩解由于粉煤灰的大量堆積和粘土磚的全面禁用所造成的壓力。以煤渣、煤灰作為主要原材料，量大面廣，適用性能好，持續性強，有利于促進我國可持續發展。既符合墻體材料產業發展的主題又有很好的經濟和社會效益[2]。但由于其材料強度具有顯著的變異性及脆性破壞模式，其抗震性能不易預測。2008年汶川8.0級和2010年玉樹7.1級大地震中，大多數框架結構表現出良好的抗震性能，但填充墻、隔墻破壞嚴重，導致功能喪失，產生重大經濟損失乃至人員傷亡，這就是由于填充墻剛度效應、約束效應引起典型案例[3]。因此，迫切需要進一步改善墻體材料，使其在地震作用下，盡可能降低填充墻所帶來的不利影響。而橡膠阻尼較高，密度和彈性模量較低，可以很好的填補蒸壓粉煤灰磚脆性大、剛度大的弱點。自然養護下橡膠混凝土的研究屢見不鮮[4]，為了得到更多的創新和突破，基于此思想，本文將橡膠粉運用到蒸壓粉煤灰磚中，提出了對新型建筑材料蒸壓橡膠粉-粉煤灰磚的研究。本文以40mm×40mm×160mm試塊為研究對象，探討蒸壓橡膠粉-粉煤灰砌塊各組成含量對于砌塊力學性能的影響規律，給出合理的工程應用建議。

2　試　驗

2.1試驗原材料及儀器

蒸壓橡膠粉-粉煤灰砌塊材料組成以橡膠粉、粉煤灰、水泥、石灰、石膏以及水為主要成分。其化學成分含量如表1。橡膠粉由青島惠商橡膠有限公司提供，細度為30目；粉煤灰和石膏由江蘇省鹽城發電廠提供，粉煤灰為二級灰，密度為2.27g/cm3；水泥為江蘇八菱海螺水泥有限公司產42.5級普通硅酸鹽水泥；水為普通自來水。

表1　原材料化學成分含量

本試驗制作40mm×40mm×160mm試塊，3個試塊1組，成型過程、抗壓強度及抗折強度試驗均按照水泥膠砂試塊試驗操作[5]。具體實驗儀器：JJ-5型行星式水泥膠砂攪拌機、SHBY-40A型水泥標準養護箱、ZS-15型水泥膠砂振實臺、DKZ-5000型電動抗折試驗機。

2.2試驗方案

本試驗考慮材料組成摻量對蒸壓橡膠粉-粉煤灰磚的力學性能影響，具體實施方案如下：首先，利用四因素五水平正交試驗法，分析粉煤灰、水泥、石灰、石膏以及水對蒸壓粉煤灰磚的力學性能影響規律，給出最佳配合比；其次，在此配方上，考慮添加橡膠粉對蒸壓橡膠粉-粉煤灰力學性能影響，由于添加橡膠粉，導致磚抗壓強度與抗折強度呈現單調遞減趨勢，并不會出現最佳值，因此，試驗將橡膠粉單獨考慮，目的是研究橡膠粉摻量增加對抗壓及抗折強度下降趨勢的影響。

2.3正交試驗法[6]

本文研究粉煤灰、水泥、石灰、石膏以及水的摻量對蒸壓粉煤灰磚的力學性能影響，考慮四因素五水平的正交試驗法，四因素分別為鈣質料(水泥+石灰的質量與水泥+石灰+粉煤灰的質量之比)、泥灰比(水泥質量與水泥+石灰的質量之比，)、石膏(石膏質量與水泥+石灰+粉煤灰的質量之比)、水(水質量與水泥+石灰+粉煤灰+石膏的質量之比)。正交試驗法試驗結果如表2。

表2　正交試驗結果

3　結果與討論

3.1試驗數據分析

根據正交試驗同水平數據處理方法，對表2中抗折強度與抗壓強度數據進行分析。

(1)直接觀察法

直接觀察法是不通過對數據進行計算，而是直接通過觀察，選擇最優方案。本試驗中可以看出，第19組數據抗壓強度與抗折強度均達到最大值，因此，本組試驗A4B4C2D5即為最優配合比。

(2)一般計算法

一般計算法是運用簡單的數學運算來處理試驗數據。其基本思路：①計算每一個因素各個水平導致結果之和；②計算每一個因素各個水平導致結果之和的極差；③確定關鍵因素、重要因素和可能最優試驗方案。具體結果見表3、表4。

表3　抗壓強度數據分析

表4　抗折強度數據分析

正交試驗數據分析中，極差的大小說明相應因素作用的大小。本試驗中抗壓強度數據中石膏的極差最大，反應出它對抗壓強度的影響最大，其次就是鈣質料、泥灰比，水的影響最小。就抗折強度而言，影響因素從大到小依次為：鈣質材料、石膏、泥灰比、水。綜合來看，對于蒸壓粉煤灰砌塊力學性能影響較大的是鈣質料和石膏。

(3)水平趨勢分析

將表3與表4中水平數據形成趨勢圖，考察水平趨勢與試驗結果的內在聯系，可以得到較好的試驗方案配比。具體見圖1、圖2。從圖1和圖2可以看出：鈣質料摻量的增加，抗壓強度和抗折強度均呈現上升趨勢，鈣質材料在4水平，即27.5時，對強度影響最大；泥灰比的增加，也就是說隨著水泥摻量增加，石灰摻量減小，抗壓強度上升，抗折強度影響并不明顯；石膏摻量和水摻量的增加，抗壓強度和抗折強度均呈現先上升，后下降的趨勢，石膏在1.5%摻量時，強度最高，水則是在29%～30%較合適。

圖1　抗壓強度水平趨勢圖Fig.1　Level trend of compressive strength

圖2　抗折強度水平趨勢圖Fig.2　Level trend of flexural strength

(4)XRD與SEM分析

鑒于鈣質材料對材料強度的影響較大且在水平為4(即含量在27.5%)時存在最優配合比存在較大影響，實驗選取強度相差較明顯的第16組與第19組進行XRD和SEM分析。

由圖3可知砌塊在蒸壓后產生了含鋁的托勃莫來石(Ca5Si5Al(OH)O17·5H2O)和一定量的硬硅鈣石(Ca6Si6O17(OH)2)，另外含有少量的C-S-H凝膠和石英及Ca(OH)2。研究表明硬硅鈣石較托波莫來石對材料的強度提高影響更大[7,8]。對材料的一般的托勃莫來石與硬硅鈣石形成條件如下：

CaO+H2O→Ca(OH)2

由于摻入的粉煤灰比例較大，其充足的火山灰效應，能減少水泥漿體Ca(OH)2含量，增加了C-S-H凝膠含量，C-S-H凝膠包圍骨料的數量增多，使材料顆粒更好地膠結在一起。同時，水泥水化和石灰所產生的Ca(OH)2對粉煤灰有一定的激發作用，粉煤灰的微粉效應和填充效應，增加了材料的密實性，使裂縫擴展的阻力增大，傳播裂縫的應力減小，保證了材料一定的延展性。

圖4a為第19個配方的SEM圖，從圖中明顯能看到團狀和成簇的針狀硬硅鈣石[9，10]，另帶有少量柱狀Ca(OH)2和纖維狀C-S-H凝膠，C-S-H凝膠與針狀的硬硅鈣石相互交叉咬合，牢固地結合在一起，使得結構致密，保證材料具有一定的強度；圖4b則是石膏摻量為4.5g的第16個配方所成型蒸壓后的試件的電鏡圖，由于此組石膏摻量為4.5%，在其中發現了大量的板狀Ca(OH)2，并伴有少量的針狀硬硅鈣石，此時的水化產物連結能力明顯不如第19組，大孔隙增多，強度較最大值降低了9.19%。

圖3　第16組與19組的XRD分析圖Fig.3　XRD patterns of group 16 and 19

圖4　(a)19組與(b)16組的孔洞水化產物SEMFig.4　SEM images of group (a)19,(b)16

3.2橡膠粉影響分析

3.2.1橡膠粉摻量計算

本文考慮橡膠粉的摻量是基于正交試驗最佳配合比第19組配合比的基礎上進行添加，具體步驟以例子簡單說明。例如：

(1)假設水泥+石灰+粉煤灰的初始總量按1200g，按以上正交試驗最佳配合比配比，則：

鈣質材料總量為1200g×27.5%=330g；水泥總量為330g×0.75=248g；石灰總量為330g×0.25=83g；粉煤灰總量為1200g×72.5%=870g；石膏外摻，質量為1200g×1.5%=18g；水用量為1218g×0.30=365g。

(2)按材料初始總量5%進行遞減，橡膠摻量按5%×0.5(考慮膠粉的密度約為其它材料的50%)進行遞增，例：若材料總量遞減至85%，則：

水泥質量為248g×0.85=210g；石灰質量為83g×0.85=70g；石膏質量為18g×0.85=15g；粉煤灰質量為870g×0.85=740g；橡膠質量為1200g×(1-85%)×0.5=90g。以此方法，添加橡膠粉，可得到下表試驗配方，見表5，其中折壓比表示抗折強度與抗壓強度的比值。

表5　蒸壓橡膠粉-粉煤灰試塊試驗數據

注：Mc、Ml、Mg、Mf、Mr、Mw分別表示水泥、石灰、石膏、粉煤灰、橡膠粉、總干料量、用水量。

3.2.2試驗數據整理

(1)對密度的影響

圖5是密度的擬合曲線，擬合公式為y=1.633-0.009x，蒸壓橡膠粉-粉煤灰試塊隨著橡膠粉摻量的增加而近似的呈線性遞減。當摻量達到50%時，密度降至1.142，自身重量降幅達30%。

圖5　橡膠粉摻量-密度關系圖Fig.5　Rubber content-density diagram

(2)對力學性能的影響

粉煤灰的火山灰效應對材料強度的增長意義重大，有研究表明非蒸壓情況下橡膠粉-粉煤灰試塊在橡膠粉摻量為20%時，自然養護56d的抗壓強度僅達到6MPa，抗折強度為1.6MPa[11]。對于蒸壓橡膠粉-粉煤灰試塊從圖6可以看出，隨著橡膠粉摻量的增加，抗壓強度和抗折強度均呈現指數型單調下降，下降呈現先急后緩的趨勢，也就是說，添加橡膠粉對于試塊力學性能前期影響較大，后期影響逐漸減弱。從圖7可以看出，折壓比隨著橡膠粉摻量的增加，呈現先升后降的趨勢，存在最佳值，也就是說，隨著橡膠粉摻量的增加，抗壓強度前期下降趨勢快于抗折強度，達到最大值第9組0.35之后，抗折強度下降趨勢快于抗壓強度，對于蒸壓橡膠粉-粉煤灰砌塊來說，應優先選擇折壓比較大的配方。

圖6　蒸壓橡膠粉-粉煤灰試塊抗壓強度和抗折強度Fig.6　Compressive and flexural strength of autoclaved rubber powder-fly ash block

圖7　蒸壓橡膠粉-粉煤灰試塊折壓比Fig.7　Bend-press ratio of autoclaved rubber powder-fly ash block

4　結　論

本文首先采用正交試驗法研究蒸壓粉煤灰試塊中各組成部分摻量對力學性能的影響，在基準配比的情況下添加橡膠粉，對蒸壓粉煤灰-橡膠粉試塊強度下降趨勢進行分析，從試驗結果看以看出：

(1)對蒸壓粉煤灰試塊抗壓強度的影響大小，依次為：石膏、鈣質料、泥灰比，水；對抗折強度影響大小，依次為：鈣質料、石膏、水和泥灰比；

(2)對于蒸壓粉煤灰-橡膠粉試塊而言，隨著橡膠粉摻量的增加，其密度呈現近似直線的下降趨勢，抗壓強度和抗折強度均呈現指數型單調下降趨勢，總體為先急后緩的趨勢；折壓比隨著橡膠粉摻量的增加，呈現先升后降的趨勢，存在最佳值，折壓比較大的配方在工程應用中具有重要意義。

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ProportionofAutoclavedFlyAsh-RubberPowderBlock

JIANG Lei1,2,ZHONG Dong-qing1,WANG Lu-ming1,2,CAI Shu-yuan2

(1.CollegeofMaterialsScienceandEngineering,ChangzhouUniversity,Changzhou213164,China;2.CollegeofMaterialEngineering,YanchengInstituteofTechnology,Yancheng224051,China)

Bymeansoforthogonaltest,effectofmaterialcompositiononmechanicalpropertiesofautoclavedflyashblockwasanalyzedtofindthebestmixtureratio.AnalysismethodssuchasSEM,XRDwereappliedtocharacterizethecomposites.Withcurvefitting,influenceruleofrubberpowderonautoclavedrubberpowder-flyashblockmechanicalpropertieswasresearched.Theresultsshowedthatthecalciummaterialandgysumhadgreatereffectsonthemechanicalproperties.Inthebasicorthogonalexperiments,thestrengthofthegroupof19isbestandacertainamountofxonotliteandtobermoritewerefoundwhichcouldexplainstrengtheffectively.Withtheincreaseoftheadmixtureofrubberpowder,compressivestrengthandflexuralstrengthofautoclavedrubberpowderandflyashbothshowindexdecline.Bend-pressratioshowsthetendencyoffallingafterrising.

autoclaved;rubberpowder;flyash;mechanicalproperty

住房和城鄉建設部科學技術項目(2014-K4-038)；江蘇省產學研項目(BY2014108-25)；江蘇省住房城鄉建設廳項目(2014ZD79)

蔣蕾(1991-)，女，碩士研究生.主要從事無機非金屬材料方面的研究.

王路明，教授.

TU502

A

1001-1625(2016)01-0322-06