石灰石尾礦砂的顆粒組合對水泥基陶瓷磚膠粘劑拉伸粘結強度的影響研究

謝正奮

（1 廣東省梅州市質量計量監督檢測所；2 國家水泥及制品質量監督檢驗中心（廣東））

0 引言

以水泥為主的建材產業是我市的支柱產業之一，每年約生產3000 萬噸水泥。生產水泥過程中，需開采大量的石灰石等作為原材料，按生產每噸水泥消耗1.5 噸石灰石來計算，每年需要開采至少4500 萬噸，伴隨產生大量的尾礦，占用地方還對水土造成污染。怎樣合理利用，一直是建材行業較為棘手的問題。目前，傳統水泥用于高致密性陶瓷磚，易產生空鼓、掉磚等安全隱患，不能滿足要求；新型陶瓷磚膠粘劑的骨料大量使用石英砂，成本重。采用本地的尾礦來代替，著重研究尾礦砂的顆粒組合對各項拉伸粘結強度性能的影響，以得出較優組合，在技術參數符合標準要求下，降低成本，達到固體廢棄物資源化利用的目的。

1 試驗原材料及方案

1.1 原材料

水泥：梅州市塔牌集團蕉嶺鑫達旋窯水泥有限公司生產的P.O 42.5R 普通硅酸鹽水泥，相關指標見表1；

表1 水泥的物理性能

石灰石尾礦砂：取自梅州某石灰石礦場，按25～35 目、35～50 目、50～80 目、80～140 目、140～200 目五種粒徑組合，特征值見表2；

表2 機制砂的特征值

重鈣粉：梅州某公司生產的200 目；

纖維素醚：赫達生產的HD7100；

膠粉：瓦克生產的5010N；

淀粉醚：阿瓜娜8850。

水：自來水。

1.2 試驗主要儀器及基材

拉拔試驗機（CTC 生產的LBY-VI 型），交變濕熱試驗箱（東莞眾志檢測）；標準混凝土板（上海增司工貿），干壓陶瓷磚（BⅢ類，上海增司工貿）。

1.3 試驗方法

按《陶瓷磚膠粘劑》JC/T 547-2017 規定進行試驗。按C1 等級設計陶瓷磚膠粘劑，將5 種粒徑的機制砂組合配制成7 組試驗砂，詳細組合見表3。配合比為（重量比，單位㎏）：水泥400，重鈣粉：50，尾礦砂526，纖維素醚3，膠粉20，淀粉醚1，用水量為210。進行標準條件下拉伸粘結強度、浸水后拉伸粘結強度、熱老化后拉伸粘結強度、凍融循環后拉伸粘結強度及晾置時間≥20min 下的拉伸粘結強度試驗，得出數據進行對比分析。

表3 試驗用砂組合(%)

2 結果分析

2.1 顆粒組合在標準條件下對拉伸粘結強度的影響

由圖1 可以看出，粗顆粒較多的情況下，由于其孔隙率較大，雖然45%的膠凝材料用量屬于較大的，但相同的膠凝材料條件下，漿體的整體包裹性、浸潤性以及粘聚力都會差一些。隨著粗顆粒比例的降低，中間顆粒的增多，拉伸粘結強度呈現逐步增長的趨勢[1]，最大出現在T5。此時加入10%的140～200 目的細顆粒，該組顆粒搭配合理，有利于強度的發揮；而細顆粒持續增加，漿體過多，則表現在拉伸粘結強度降低；如果全部為80 目以下的顆粒組成，則強度驟降。主要原因是過細的顆粒，膠凝材料用量又大，有可能由于輕微的收縮產生內部裂紋[2]，進而導致硬化后的膠粘劑粘結強度降低。從標準條件下的拉伸粘結強度試驗結果看，較為合理的顆粒組成是35～50 目占20%～30%，50～80 目占40%，80～140目占30%～50%，可以加入140～200 目的細顆粒，但不宜超過10%。

圖1 標準條件下拉伸粘結強度

2.2 顆粒組合在浸水后對拉伸粘結強度的影響

按標準JC/T547-2017 規定，標準養護7d 后，浸水條件下養護21d 后測試拉伸粘結強度。對外加劑中的可再分散乳膠粉的質量是考驗，對水泥的水化性能、堿性同樣是考驗。從圖2 看出，粗顆粒較多時，由于孔隙率較大[3]，硬化的漿體易形成毛細孔，水分子的持續侵入，加上粘聚力略差，導致粘結強度偏低；隨著中小顆粒比例的增大，毛細孔減少，對強度增長有利；而T7 雖然整體顆粒細，但漿體過多的情況下由于收縮，易產生微小裂縫，水分子進入導致降低了拉伸粘結強度。從浸水條件下的拉伸粘結強度試驗結果看，較為合理的顆粒組成是35～50 目不超過20%，50～80 目占40%，80～140 目占30%～50%，140～200 目的細顆粒不超過10%。

圖2 浸水后的拉伸粘結強度

2.3 顆粒組合在熱老化后對拉伸粘結強度的影響

先標準養護14d，再在（70±3）℃烘箱中放置14d后測試熱老后的拉伸粘結強度，由圖3 可以看出顆粒較粗，由于孔隙率較細顆粒大，在持續高溫條件下，可再分散乳膠粉的粘聚力作用會減弱，且空隙間易產生微小裂紋，均導致拉伸粘結強度不同程度地降低；隨著細顆粒的持續增加，至T5 達到最高，此時顆粒級配合理，孔隙率小，漿體飽滿，降低了可再分散乳膠粉粘聚力的損失，對拉伸粘結強度發揮有利。細顆粒過多，由于漿體過多，高溫環境下，易產生張力帶來的收縮[4]，表現在拉伸粘結強度有降低的趨勢。從熱老化條件下的拉伸粘結強度試驗結果看，較為合理的顆粒組成是：35～50 目不超過30%，50～80 目占40%，80～140 目占20%～50%，140～200 目的細顆粒不超過10%。

圖3 熱老化后的拉伸粘結強度

2.4 顆粒組合在凍融循環后對拉伸粘結強度的影響

按標準JC/T547-2017 規定，試樣在標準試驗條件下養護7d，然后浸入（23±2）℃水中養護21d 后進行凍融循環，每次凍融循環為：①從水中取出試樣，在2h±20min 內降溫至（-15±3）℃；②試樣保持（-15±3）℃，時間為2h±20min；③將試樣浸入（20±3）℃水中，升溫至（15±3）℃，在進行下一個凍融循環前，在該溫度下至少養護2h；④重復進行25 次循環。完成25 次循環后，試樣置于標準試驗條件下進行拉伸粘結強度試驗。條件較為嚴苛，拉伸粘結強度均表現為降低較多。粗顆粒越多，硬化后留下的毛細孔越多，在水分子侵入及低溫凍融下[5]，水分子狀態是自由水-結冰-融化-自由水反復存在[6]，產生膨脹收縮應力，破壞可再分散乳膠粉提供的粘結力，導致拉伸粘結強度較低；只有到了T5 和T6 組合下，拉伸粘結強度數據才較好；T7 則由于顆粒過細，易收縮帶來橫向張力，不利于拉伸粘結強度的增長。從凍融循環條件下的拉伸粘結強度試驗結果看，需嚴格控制顆粒組成是：35～50 目不超過20%，140～200 目的細顆粒不超過10%，中間顆粒要70%以上。

圖4 凍融循環后的拉伸粘結強度

2.5 顆粒組合在晾置時間≥20min 時對拉伸粘結強度的影響

晾置時間，主要是考慮到在現場施工，粘貼瓷磚需要一定的時間，在≥20min 晾置后，按標準條件成型及養護，測試拉伸粘結強度。由圖5 可以看出，同樣的水灰比情況下，顆粒整體粗一點，陶瓷磚膠粘劑中的自由水相對要多一點，有利于保持濕漿體的浸潤性以保持拉伸粘結強度損失不至于過大。T6 與T7 細顆粒較多，濕漿體的自由水相對少，使得漿體表面略干燥，導致拉伸粘結強度較低，對施工性及晾置時間均影響較大。對提升晾置時間（≥20min），較為合理的顆粒級配是：控制細顆粒比例，80～140 目不超過30%，140～200 目的細顆粒不超過10%。

圖5 晾置時間≥20min 的拉伸粘結強度

3 結論

⑴顆粒級配對各項拉伸粘結強度影響較大。顆粒較粗，因孔隙率較大，產生的毛細孔也較多，對浸水、熱老化及凍融后的拉伸粘結強度均不利；顆粒較細，因漿體過多，在硬化過程中易帶來收縮等應力而導致凍融循環后的拉伸粘結強度較低。

⑵陶瓷磚膠粘劑的晾置時間對后續的拉伸粘結強度的發揮起到極大作用。如晾置時間過短，濕漿體易出現表面局部干燥現象，導致出現拉伸粘結強度較低的現象。應特別注意控制細顆粒含量，尤其是140～200 目含量。

⑶從檢測大量陶瓷磚膠粘劑統計結果看，凍融循環后拉伸粘結強度項目常出現不合格情況，該項目是浸水-凍-融-浸水的反復過程，配比不好的陶瓷磚膠粘劑硬化后漿體內部體積變化易導致拉伸粘結強度急劇下降，需要特別注意平常試驗。

⑷用石灰石尾礦砂制備陶瓷磚膠粘劑時，較為合理的顆粒級配為：35～50 目不超過20%，50～80 目占40%，80～140 目占30%～40%，140～200 目的細顆粒不超過10%。