改性無(wú)機(jī)人造石材的力學(xué)性能研究

張國(guó)明 李彝 鄭致遠(yuǎn)

關(guān)鍵詞：改性無(wú)機(jī)人造石材;碎玻璃;石英砂;壓縮強(qiáng)度

1前言

自古以來(lái)，天然石材以其高檔、美觀、耐久性好等優(yōu)點(diǎn)在建筑裝飾領(lǐng)域受到人們的廣泛應(yīng)用，但長(zhǎng)期的開(kāi)采使得天然石材資源日益匱乏，開(kāi)采難度和開(kāi)采成本不斷攀升，同時(shí)引發(fā)了一系列的環(huán)境污染問(wèn)題。而人造石具有的天然線條感、拋光后透亮的色澤以及合適的硬度和一定的經(jīng)濟(jì)性，使其成為代替天然石材的理想材料。人造石根據(jù)其所用膠凝材料及使用功能的不同，可分為樹(shù)脂型人造石、無(wú)機(jī)型人造石、功能性人造石等。本文所研究的水泥基無(wú)機(jī)人造石正是無(wú)機(jī)型人造石的其中一種。水泥基無(wú)機(jī)人造石是以水泥作為主要膠凝材料，以砂、天然碎石粒為粗細(xì)骨料，經(jīng)配制、攪拌、加壓蒸養(yǎng)、拋光制成的無(wú)機(jī)人造石。早期出現(xiàn)的水泥基無(wú)機(jī)人造石產(chǎn)品如“水磨石”或“水磨磚”，密實(shí)度低，表面氣孔多，光澤度較差，僅作為地面材料，很難滿足裝飾設(shè)計(jì)要求。隨著新建筑的不斷規(guī)劃，城市的高速發(fā)展對(duì)建筑材料提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)。混凝土技術(shù)的發(fā)展也促進(jìn)了質(zhì)量更高的無(wú)機(jī)人造石的產(chǎn)生，產(chǎn)品表面通過(guò)亮度和硬度處理后也可以增加特定的性能，以滿足力學(xué)性能和裝飾的兼容性要求。如今，與天然石材相比，人造石的優(yōu)勢(shì)在建筑的可持續(xù)性發(fā)展原則下得到展現(xiàn)。生產(chǎn)一種集強(qiáng)度、耐久、環(huán)保為一體，同時(shí)還能在美學(xué)上模仿天然石材外觀的新型無(wú)機(jī)人造石材，是國(guó)內(nèi)外學(xué)者近年來(lái)研究的主要方向。

Papayianni在兼容了天然原石的色澤，形態(tài)和力學(xué)性能后設(shè)計(jì)了一種替代原石的低成本人造無(wú)機(jī)石，并在后續(xù)的古城修復(fù)工作中得到廣泛的應(yīng)用;陳冀渝采用水泥、礦渣、硅酸質(zhì)粉料和顏料為主要原料，制作出抗彎強(qiáng)度高、磨損率小，耐久性、耐酸堿性和耐污染性良好的水泥基人造大理石;Lee MyIal利用回收的廢玻璃粉和花崗巖集料，通過(guò)真空壓實(shí)技術(shù)制造出了強(qiáng)度和吸水率方面均優(yōu)于天然石材的人造石材板;Baomin Wanga以黃河淤泥為原料，利用堿激發(fā)法生產(chǎn)出符合要求的低耗能人工防洪石;楊正宏采用納米氧化石墨烯（GO）改善水泥石的孔隙結(jié)構(gòu)，從而提高了水泥基人造石材的力學(xué)強(qiáng)度和耐久性。總而言之，以水泥、石英砂等一些活性摻合填充料組成的人造石與目前應(yīng)用廣泛的樹(shù)脂基人造石相比，具有生產(chǎn)成本低、與無(wú)機(jī)基體材料兼容性好、后期易修補(bǔ)等優(yōu)點(diǎn)。但前期對(duì)水泥基人造無(wú)機(jī)石的研究主要著重于通過(guò)添加活性摻合料來(lái)提升力學(xué)性能，對(duì)最影響產(chǎn)品綜合力學(xué)性能的原材料成分和配比缺乏更進(jìn)一步的研究。

因此，本研究的目的是利用不同粒徑的石英砂粗細(xì)骨料，經(jīng)過(guò)篩選洗凈后，按一定的級(jí)配添加回收的碎玻璃及硅灰等活性材料，制成改性原材料，然后以白水泥作為膠凝劑，通過(guò)真空、震動(dòng)條件下壓結(jié)成型，最終制備出遠(yuǎn)超行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)機(jī)人造石材。文末借助SEM、XRD等微觀手段分析了所制成的改性無(wú)機(jī)人造石原材料，其中微細(xì)集料通過(guò)填充材料孔隙形成致密結(jié)構(gòu)，原材料表觀形貌光滑、無(wú)多余絮狀體，更易與水泥等材料形成穩(wěn)定的基體/基團(tuán)，使制得的改性無(wú)機(jī)人造石材同時(shí)具有高強(qiáng)度和低吸水率等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，符合未來(lái)新型水泥基無(wú)機(jī)石材的發(fā)展趨勢(shì)。

2試驗(yàn)概況

2.1原材料

江西銀杉牌的P.042.5白色硅酸鹽水泥水泥，比表面積為346m2/kg，其物理性能見(jiàn)表1，化學(xué)組成見(jiàn)表2。石英砂材料以及碎玻璃產(chǎn)自佛山本地，硅灰比表面積為23m2/g，硅灰的化學(xué)組成見(jiàn)表1，其組成的原材料骨料粒徑分布見(jiàn)表3。拌合用水為自來(lái)水。

2.2試驗(yàn)配合比

試驗(yàn)配合比如表4。其中，為證明廢舊碎玻璃骨料取代石英砂粗骨料的的可行性及其實(shí)際工作性質(zhì)，本次研究設(shè)計(jì)了三種廢玻璃骨料取代率，即0%，33.3%，66.6%，分別研究添加不同比例廢舊碎玻璃后的無(wú)機(jī)人造石力學(xué)性能。另外，在保持水灰比不變的情況下，通過(guò)調(diào)整水泥和細(xì)骨料總體質(zhì)量的比例，來(lái)研究水泥摻量對(duì)無(wú)機(jī)人造石力學(xué)性能的影響。硅灰摻量占膠凝材料總量的10%左右。

2.3試樣制備

將原料按配比依次加入到攪拌機(jī)中，待快速攪拌混合均勻后，密封抽真空，將所有物料卸至300mm×300mm×300mm模具中，在真空狀態(tài)下振壓成型，然后拆模，最后用保鮮膜完全密封起來(lái)。試件由真空高頻壓制，在20℃±2℃、相對(duì)濕度不低于95%的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下養(yǎng)護(hù)成型。

2.4測(cè)試方法

對(duì)于制成的無(wú)機(jī)人造石材，本實(shí)驗(yàn)采用GB/T35160.2中《合成石材試驗(yàn)方法第2部分：彎曲強(qiáng)度的測(cè)定》中測(cè)試方法進(jìn)行彎曲強(qiáng)度的測(cè)試，按GB/T35160.3《合成石材試驗(yàn)方法第3部分：壓縮強(qiáng)度的測(cè)定》中測(cè)試方法進(jìn)行壓縮強(qiáng)度的測(cè)試。

3試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1白水泥摻量對(duì)元機(jī)人造石性能的影響

在保持水灰比一定的條件下，通過(guò)調(diào)整白水泥的摻比，改變水泥和改性原材料的質(zhì)量比，來(lái)研究白水泥摻量對(duì)無(wú)機(jī)人造石性能的影響規(guī)律，各組試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

如圖1.a和圖1.b所示，1、2、3組在保持水灰比近似不變的條件下，通過(guò)增加白水泥摻量，試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)試件的壓縮強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后略微減小的趨勢(shì)。在白水泥摻量為30%時(shí)，壓縮強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度達(dá)到最大。這是由于增加白水泥摻量后，改性原材料摻量相對(duì)減少，同時(shí)降低了對(duì)水泥的需求，水泥膠體能更好的包裹住骨料，產(chǎn)生足夠的粘結(jié)力，使得人造無(wú)機(jī)石的力學(xué)性能也相應(yīng)提高。

由此可見(jiàn)，當(dāng)碎玻璃取代率在33.3%以內(nèi)時(shí)，無(wú)機(jī)人造石各項(xiàng)力學(xué)性能主要取決于白水泥的摻量，當(dāng)白水泥摻量為30%時(shí)，試件的壓縮強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度較大。

3.2不同碎玻璃取代率下無(wú)機(jī)人造石的力學(xué)性能

保持改性原材料質(zhì)量和水灰比不變，通過(guò)改變碎玻璃對(duì)石英砂粗骨料的取代率，研究碎玻璃對(duì)無(wú)機(jī)人造石材性能的影響規(guī)律，各組試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖中編號(hào)1、2、3分別為不同白水泥摻量（25%、30%、35%）下的試驗(yàn)對(duì)照組。由圖2可以看出，在水灰比和骨料總質(zhì)量一定的情況下，無(wú)機(jī)人造石壓縮強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度隨碎玻璃取代率的增大而減小。相比于碎玻璃取代率為0，當(dāng)1、2、3組的碎玻璃取代率達(dá)到33.3%時(shí)，壓縮強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度總體有所下降，改變的百分率分別為：-8.5%、-6.6%、+3.2%和-1.8%、-0.8%、-3.9%，在當(dāng)碎玻璃取代率為66.6%時(shí)，壓縮強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度下降更加明顯，改變的百分率分別為-14.2%、-19.9%、-4.1%和-8.1%、-11.7%、-4.7%。這是由于作為粗骨料的碎玻璃粒徑大，在攪拌過(guò)程中容易破碎和產(chǎn)生裂縫。而且碎玻璃表面的活性二氧化硅會(huì)和水泥漿微孔中的堿金屬離子在粗骨料的表面發(fā)生堿一硅酸反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物凝膠會(huì)局部集中在粗骨料表面，導(dǎo)致混凝土中集料的體積增大，影響無(wú)機(jī)人造石的致密結(jié)構(gòu)，因此加入碎玻璃后人造石的壓縮強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度都會(huì)降低。

由此可見(jiàn)，當(dāng)廢棄玻璃作為粗骨料代替石英砂粗骨料時(shí)，會(huì)導(dǎo)致制成的無(wú)機(jī)人造石品質(zhì)下降。碎玻璃取代率在33.3%之內(nèi)時(shí)，所制成的無(wú)機(jī)人造石的壓縮強(qiáng)度與彎曲強(qiáng)度與天然石英砂骨料制成的無(wú)機(jī)人造石相差不大，仍具備良好的力學(xué)性能。依次對(duì)比1、2、3 這三組試件性能，分析發(fā)現(xiàn)第2-a 組的抗壓和抗彎性能最好。

3.3材料的微觀分析

3.3.1 SEM分析

從圖5（a）中標(biāo)注的紅色和藍(lán)色線框可以看出，普通原材料試樣中存在較多的絮狀體，試樣中孔洞較多，且存在很多片狀層基體。在通過(guò)對(duì)材料進(jìn)行合理篩分和配比后，從圖2 中標(biāo)注的紅色線框可以看出，改性后的原材料試樣孔隙率明顯降低，原材料表觀形貌呈現(xiàn)光滑、無(wú)多余絮狀體等特點(diǎn)。相較于普通原材料，改性后原材料更易與水泥等材料形成穩(wěn)定的基體/ 基團(tuán)。改性后原材料呈現(xiàn)出多裂紋特性，圖5（b）藍(lán)色線框處標(biāo)注了改性后原材料多處微觀結(jié)構(gòu)縫隙，分析得出這是在制備過(guò)程中由于水分子蒸發(fā)，試樣干燥收縮而產(chǎn)生的，并非試樣初始具有。

3.3.2XRD分析

從圖6可以看出，改性后原材料中主要化學(xué)成分仍然為二氧化硅（Si02）、二水合硫酸鈣（CaS04·2H20）、碳酸鈣（CaCOa）、氧化鈣（CaO）等，未產(chǎn)生新的晶體類(lèi)物相。改性后原材料中Si02晶胞含量高于普通原材料，對(duì)于碳酸鈣的存在會(huì)產(chǎn)生一定的弱化作用，同時(shí)也減弱了其他不必要的雜質(zhì)的存在。

4結(jié)論

本研究得到的結(jié)論如下：

（1）無(wú)機(jī)人造石的各項(xiàng)力學(xué)性能在試驗(yàn)中隨白水泥摻量的增加呈現(xiàn)先提高后降低的趨勢(shì)，在本研究中當(dāng)白水泥摻量為30%時(shí)，無(wú)機(jī)人造石的力學(xué)性能表現(xiàn)較佳。

（2）SEM和XRD微觀分析顯示，改性后的原材料與普通原材料相比表面更光滑、SiO2晶胞含量更高，能有效促進(jìn)水泥水化反應(yīng)生成硅酸鈣凝膠，提升生成無(wú)機(jī)人造石的力學(xué)性能。

（3）改性原材料中的材料顆粒存在多種粒徑大小，通過(guò)對(duì)材料各項(xiàng)性能檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)粗骨料占50%、中等骨料占10%、細(xì)骨料占17%、超細(xì)骨料占22%且碎玻璃代替率出現(xiàn)在0～33.3%之間的時(shí)候，制作出的無(wú)機(jī)人造石力學(xué)性能相對(duì)最好。