探討攪拌速度和攪拌時間對無機人造石材力學性能的影響

李浩輝

（廣州市建筑科學研究院集團有限公司，廣東 廣州 510440；廣東原創新材料科技有限公司，廣東 英德 531000）

0 引言

在建筑裝飾領域，天然石材以高檔、美觀、耐久性好等優點受到了人們的青睞[1]，但天然石材屬于不可再生資源，開采過程石材可利用率較低并引發一系列不符合國家綠色發展的環境污染問題，造成天然石材行業的可持續發展受到制約。相對于天然石材，人造石材既具有天然石材的優點，也可彌補天然石材不夠環保、花紋不可設計、部分具有輻射性等缺點，隨著大眾對石材產品品質需求的日益增高，以及環保意識的不斷加強，具有綠色、環保、耐用的無機人造石材逐漸受到市場的青睞，無機人造石材占建筑裝飾材料市場比重也逐步加大[2-3]。目前無機人造石材已在國內地鐵站、商場、機場、火車站、高鐵站等各類應用場景中得到推廣應用，取得了不錯的成績。

近年來，廣大學者對無機人造石進行了研究。黃習旋等[4]分析了高性能無機人造石的改性研究、應用現狀及發展趨勢；熊春楊等[5]通過優化骨料顆粒級配，膠凝材料用量已經以及乳液的摻入量進一步提高無機人造石的強度和低吸水率。張鵬等[6]分析了骨料級配對水泥基板材性能的影響；吳澤恩[7]通過分析人造石材料中骨料與無機膠凝物質之間的相互作用，致力于更多輕質、高強、多功能人造石材料及制品；雷翅等[8]通過分析人造石材的研究與發展現狀，提出了未來人造石的發展建議。但關于無機人造石材制備攪拌工藝的相關研究較少，本文針對無機人造石材，采用對比試驗，探討不同的攪拌速度和攪拌時間，其對無機人造石材力學性能的影響進行研究，希望為無機人造石生產廠家的生產制備提供一定的借鑒。

1 原材料和試驗方法

1.1 原材料

（1）骨料。20~40 目、40~70 目和70~120 目粒徑機制石英砂組成，莫氏硬度為7，含水率＜0.03%，機制石英砂的物理性能如表1 所示。

表1 機制石英砂的物理性能

（2）石英粉。由石英粉和碳酸鈣粉組成，兩者比例為7:3，目數都為325~400 目。

（3）膠凝材料為普通硅酸鹽水泥P.O 52.5。

（4）其他添加劑包括減水劑、增稠劑、乳液、自來水等。

1.2 試驗方法

本次使用的攪拌機是某市生產的立式行星式攪拌機，自帶變頻控制攪拌速度和攪拌時間記錄軟件。

本試驗將膠凝材料、骨料、石英粉依次倒入攪拌機中，使之混合均勻；然后將稱量好的自來水、減水劑、增稠劑、乳液等添加劑依次緩慢加入攪拌機中，使之攪拌均勻；將攪拌好的物料倒入提前鋪放牛皮紙的模具中；在處理好的物料表面覆蓋一層緩沖墊，后將其與模具整體放置于振動壓力機進行壓制成型；成型后馬上進行脫模，放置室內自然養護；養護至7d 后進行壓縮強度、彎曲強度及吸水率測試。無機人造石的力學性能測試是根據標準《人造石試驗方法 第2 部分 彎曲強度的測定》（DB44/T 1100.2—2012）和《合成石材試驗方法 第1 部分 密度和吸水率的測定》（GB/T 35160.1—2017）。

2 無機人造石的制備和研究

2.1 攪拌速度對無機人造石力學性能的影響

為了探討攪拌速度對無機人造石性能的影響，提前把準備好的相同分量膠凝材料、骨料以及石英粉依次放入攪拌機中，同時提前準備好相同分量的自來水、增稠劑、減水劑等添加劑。通過對攪拌機進行控溫處理，使其攪拌前的溫度以及其他物理狀態保持一致。通過改變攪拌機的變頻控制器的調速檔位，從而控制攪拌機的攪拌速度，使其在相同的攪拌時間內達到相應的可壓制物料狀態，經同樣的時間養護處理后進行其他力學性能的試驗。攪拌速度對無機人造石的力學性能影響如表2 所示。

表2 攪拌速度對無機人造石的力學性能影響

從表2 可以看出，不同攪拌速度對無機人造石的性能影響較大。當攪拌速度過低時，板材的抗折強度和抗壓強度較低，吸水率相對較高，板材表面出現明顯的粉團現象。主要原因是由于攪拌速度較低，石英粉和膠凝材料易團聚，不易充分打散，隨著自來水、乳液等液體的加入，導致很多粉團無法充分與液體進行包裹浸潤，進行水化反應，導致部分團聚粉團，加大骨料間膠結面的孔隙缺陷概率，不利于后期強度的增長，而且團聚的粉團在養護后在板材表面易形成粉團現象，如圖1所示。隨著攪拌速度的增加，無機人造石的抗折強度、抗壓強度都逐漸增大，吸水率逐步降低，板材表面效果逐漸變好，粉團出現的概率也逐漸減少。在攪拌速度達到40Hz 時，達到最大值。相比較低攪拌速度為25Hz時，抗折強度和抗壓強度分別提高了1.9MPa，12.5MPa，增幅比例為14.3%，10.4%，板材表面效果也得到明顯提高。主要原因是隨著攪拌速度的增大，團聚的石英粉和膠凝材料被打散重組，粉體與加入的液體充分包裹浸潤，使得無機人造石內部結構變得更為致密。而隨著水泥水化反應的不斷進行，生成的水化產物越來越多，骨料間的黏結力得到增強，無機人造石內部能夠形成良好的嵌固體。因此，抗折強度和抗壓強度逐漸增強，吸水率則逐漸降低。隨著攪拌速度繼續增大，抗折強度和抗壓強度逐漸降低，但降低速度相對變緩，同步吸水率也相應升高，板面效果逐步出現坑洞等。主要原因是由于攪拌速度過大，前期骨料摩擦產生過高的熱量，導致膠凝材料過早的發生化學反應，形成硬團，在后續的攪拌中不易分散，在養護過程中不易與骨料形成較強的粘接力，從而在后期的磨拋過程中脫砂形成表面坑洞現象。因此，考慮到試驗的經濟性，后續試驗采用攪拌速度為40Hz。

圖1 板材出現粉團現象

2.2 攪拌時間對無機人造石力學性能的影響

為了探討攪拌時間對無機人造石力學性能的影響，采用攪拌速度為40Hz，同一分量的骨料、石英粉以及相同分量的自來水、減水劑、增稠劑等添加劑。試驗采用攪拌時間為3min、4min、5min 和6min 進行對比試驗。為保證無機人造石物料狀態，根據現場物料狀態把水灰比0.1 調整為0.2，探究攪拌時間對無機人造石力學性能的影響，試驗結果如表3 所示。

表3 攪拌時間對無機人造石的力學性能影響

從表3 可以看出，在同樣40Hz 的攪拌速度下，攪拌時間的長短對無機人造石的力學性能有關鍵性的影響。當攪拌時間為3min 時，板材的抗折強度和抗壓強度較低，吸水率偏高，板材表面還存在局部蜂窩現象。表明物料攪拌時間過短，膠凝材料與添加劑未達到預設狀態，膠凝材料、石英粉體與添加劑沒有達到充分浸潤包裹的狀態，膠凝材料的水化反應未完全發生，其形成的膠結面沒牢固，與骨料之間機械咬合和物流吸附作用未完全釋放，骨料之間的孔隙缺陷較大，從板材表面效果中也可以看到板材局部出現蜂窩現象，板材表面出現蜂窩現象如圖2 所示，膠凝材料與添加劑反應產生的水化物無法對表面的骨料進行完全包裹浸潤。隨著攪拌時間的延長，物料狀態逐漸變柔軟，團聚的粉團經過高速長時間的摩擦打散，石英粉與膠凝材料充分打散混合，膠凝材料表面與自來水、減水劑等添加劑充分接觸浸潤，水化反應的水化物通過骨料的混合擠壓，填充在骨料間的孔隙，增強了骨料之間的咬合力，從而產生強大的粘合力。隨著攪拌時間的延長，膠凝材料產生的水化物不斷填充在骨料之間的孔隙。當攪拌時間達到5min 時，骨料之間的孔隙逐漸填滿，通過后期的強度增強，抗折強度和抗壓強度達到最大值，吸水率較低，板材表面最好，板材正常表面如圖3 所示。此時無機人造石的抗折強度為15，5MPa，較3min 時增加了4.9MPa，增幅為46.7%；抗壓強度為133.2MPa，較3min 時增加了27.9MPa，增幅為26.5%；吸水率為0.36%，較3min 時降低了1.29%。隨著攪拌時間繼續延長，試驗的無機人造石力學性能逐漸降低，當攪拌時間為6min 時，其抗折強度已下降至14.6MPa，抗壓強度也同步下降至129.9MPa，吸水率也從0.36%上升至0.39%。其出現的原因是高速攪拌時間過長，骨料與骨料之間的摩擦加劇，膠凝材料產生的水化物也逐漸增多，摩擦產生的熱量也隨之增多，熱量集聚在攪拌機內無法及時散發，導致攪拌機內的溫度逐漸變高，膠凝材料隨著溫度的升高，反應速度也隨之加快，局部物料出現水化反應過快的現象，即早強固化的現象。早強固化的物料在后期的養護過程中，與附和的骨料間以及水化物的膠結面粘接力不強，從而增大了在后續打磨拋光階段容易出現脫砂的風險。

圖2 板材表面出現蜂窩現象

圖3 板材正常表面

3 結論

（1）攪拌速度對無機人造石力學性能有著較大的影響，隨著攪拌速度的增大，無機人造石力學性能有了顯著的提高，當攪拌速度達到40Hz 時，所制備的無機人造石抗折強度、抗壓強度、吸水率和板材表面效果達較大值。此后隨著攪拌速度的增大，無機人造石的力學性能反而降低。

（2）攪拌時間對無機人造石力學性能有著關鍵性的影響，隨著攪拌時間的延長，所制備的無機人造石抗折強度、抗壓強度、吸水率和板材表面效果有著不同程度的影響，當攪拌時間達到5min 時，無機人造石板材的抗折強度、抗折強度、吸水率和表面效果均達到較好水平。

（3）攪拌速度和攪拌時間對無機人造石表面效果有著一定的影響，在攪拌速度為40Hz，攪拌時間為5min 時，無機人造石的表面效果尤為最佳。