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(shù)元

(1.常州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，常州　213164；2.鹽城工學(xué)院材料工程學(xué)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(shù)元2

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

采用正交試驗(yàn)法分析蒸壓粉煤灰試塊中材料組成對(duì)力學(xué)強(qiáng)度的影響，給出最佳配合比并運(yùn)用XRD和SEM分析解釋?；诖伺浜媳?，運(yùn)用曲線擬合，探究橡膠粉對(duì)蒸壓粉煤灰-橡膠粉試塊力學(xué)性能的影響規(guī)律。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出：鈣質(zhì)材料與石膏對(duì)蒸壓粉煤灰試塊力學(xué)性能影響較大，基本正交試驗(yàn)中第19組的強(qiáng)度最好；材料中生成了一定量的硬硅鈣石和托勃莫來(lái)石，有效地解釋了強(qiáng)度的發(fā)展；隨著橡膠粉摻量增加，蒸壓橡膠粉-粉煤灰試塊的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均呈現(xiàn)指數(shù)下降趨勢(shì)，折壓比總體呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)。

蒸壓； 橡膠粉； 粉煤灰； 力學(xué)性能

1　引　言

隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，汽車(chē)業(yè)及橡膠工業(yè)也逐步發(fā)展，隨之產(chǎn)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(gè)國(guó)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(chóng)，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(guò)程中會(huì)產(chǎn)生多環(huán)芳烴、笨及苯酚等有毒有害物質(zhì)[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(yīng)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(huán)境污染、節(jié)土利廢、改善建筑功能等特點(diǎn)，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(xù)性強(qiáng)，有利于促進(jìn)我國(guó)可持續(xù)發(fā)展。既符合墻體材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主題又有很好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益[2]。但由于其材料強(qiáng)度具有顯著的變異性及脆性破壞模式，其抗震性能不易預(yù)測(cè)。2008年汶川8.0級(jí)和2010年玉樹(shù)7.1級(jí)大地震中，大多數(shù)框架結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出良好的抗震性能，但填充墻、隔墻破壞嚴(yán)重，導(dǎo)致功能喪失，產(chǎn)生重大經(jīng)濟(jì)損失乃至人員傷亡，這就是由于填充墻剛度效應(yīng)、約束效應(yīng)引起典型案例[3]。因此，迫切需要進(jìn)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(lái)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(bǔ)蒸壓粉煤灰磚脆性大、剛度大的弱點(diǎn)。自然養(yǎng)護(hù)下橡膠混凝土的研究屢見(jiàn)不鮮[4]，為了得到更多的創(chuàng)新和突破，基于此思想，本文將橡膠粉運(yùn)用到蒸壓粉煤灰磚中，提出了對(duì)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(duì)象，探討蒸壓橡膠粉-粉煤灰砌塊各組成含量對(duì)于砌塊力學(xué)性能的影響規(guī)律，給出合理的工程應(yīng)用建議。

2　試　驗(yàn)

2.1試驗(yàn)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(xué)成分含量如表1。橡膠粉由青島惠商橡膠有限公司提供，細(xì)度為30目；粉煤灰和石膏由江蘇省鹽城發(fā)電廠提供，粉煤灰為二級(jí)灰，密度為2.27g/cm3；水泥為江蘇八菱海螺水泥有限公司產(chǎn)42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥；水為普通自來(lái)水。

表1　原材料化學(xué)成分含量

本試驗(yàn)制作40mm×40mm×160mm試塊，3個(gè)試塊1組，成型過(guò)程、抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度試驗(yàn)均按照水泥膠砂試塊試驗(yàn)操作[5]。具體實(shí)驗(yàn)儀器：JJ-5型行星式水泥膠砂攪拌機(jī)、SHBY-40A型水泥標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱、ZS-15型水泥膠砂振實(shí)臺(tái)、DKZ-5000型電動(dòng)抗折試驗(yàn)機(jī)。

2.2試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)考慮材料組成摻量對(duì)蒸壓橡膠粉-粉煤灰磚的力學(xué)性能影響，具體實(shí)施方案如下：首先，利用四因素五水平正交試驗(yàn)法，分析粉煤灰、水泥、石灰、石膏以及水對(duì)蒸壓粉煤灰磚的力學(xué)性能影響規(guī)律，給出最佳配合比；其次，在此配方上，考慮添加橡膠粉對(duì)蒸壓橡膠粉-粉煤灰力學(xué)性能影響，由于添加橡膠粉，導(dǎo)致磚抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)單調(diào)遞減趨勢(shì)，并不會(huì)出現(xiàn)最佳值，因此，試驗(yàn)將橡膠粉單獨(dú)考慮，目的是研究橡膠粉摻量增加對(duì)抗壓及抗折強(qiáng)度下降趨勢(shì)的影響。

2.3正交試驗(yàn)法[6]

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

表2　正交試驗(yàn)結(jié)果

3　結(jié)果與討論

3.1試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)正交試驗(yàn)同水平數(shù)據(jù)處理方法，對(duì)表2中抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

(1)直接觀察法

直接觀察法是不通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，而是直接通過(guò)觀察，選擇最優(yōu)方案。本試驗(yàn)中可以看出，第19組數(shù)據(jù)抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度均達(dá)到最大值，因此，本組試驗(yàn)A4B4C2D5即為最優(yōu)配合比。

(2)一般計(jì)算法

一般計(jì)算法是運(yùn)用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)運(yùn)算來(lái)處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)。其基本思路：①計(jì)算每一個(gè)因素各個(gè)水平導(dǎo)致結(jié)果之和；②計(jì)算每一個(gè)因素各個(gè)水平導(dǎo)致結(jié)果之和的極差；③確定關(guān)鍵因素、重要因素和可能最優(yōu)試驗(yàn)方案。具體結(jié)果見(jiàn)表3、表4。

表3　抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)分析

表4　抗折強(qiáng)度數(shù)據(jù)分析

正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析中，極差的大小說(shuō)明相應(yīng)因素作用的大小。本試驗(yàn)中抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)中石膏的極差最大，反應(yīng)出它對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響最大，其次就是鈣質(zhì)料、泥灰比，水的影響最小。就抗折強(qiáng)度而言，影響因素從大到小依次為：鈣質(zhì)材料、石膏、泥灰比、水。綜合來(lái)看，對(duì)于蒸壓粉煤灰砌塊力學(xué)性能影響較大的是鈣質(zhì)料和石膏。

(3)水平趨勢(shì)分析

將表3與表4中水平數(shù)據(jù)形成趨勢(shì)圖，考察水平趨勢(shì)與試驗(yàn)結(jié)果的內(nèi)在聯(lián)系，可以得到較好的試驗(yàn)方案配比。具體見(jiàn)圖1、圖2。從圖1和圖2可以看出：鈣質(zhì)料摻量的增加，抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，鈣質(zhì)材料在4水平，即27.5時(shí)，對(duì)強(qiáng)度影響最大；泥灰比的增加，也就是說(shuō)隨著水泥摻量增加，石灰摻量減小，抗壓強(qiáng)度上升，抗折強(qiáng)度影響并不明顯；石膏摻量和水摻量的增加，抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均呈現(xiàn)先上升，后下降的趨勢(shì)，石膏在1.5%摻量時(shí)，強(qiáng)度最高，水則是在29%～30%較合適。

圖1　抗壓強(qiáng)度水平趨勢(shì)圖Fig.1　Level trend of compressive strength

圖2　抗折強(qiáng)度水平趨勢(shì)圖Fig.2　Level trend of flexural strength

(4)XRD與SEM分析

鑒于鈣質(zhì)材料對(duì)材料強(qiáng)度的影響較大且在水平為4(即含量在27.5%)時(shí)存在最優(yōu)配合比存在較大影響，實(shí)驗(yàn)選取強(qiáng)度相差較明顯的第16組與第19組進(jìn)行XRD和SEM分析。

由圖3可知砌塊在蒸壓后產(chǎn)生了含鋁的托勃莫來(lái)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(lái)石對(duì)材料的強(qiáng)度提高影響更大[7,8]。對(duì)材料的一般的托勃莫來(lái)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(yīng)，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(shù)量增多，使材料顆粒更好地膠結(jié)在一起。同時(shí)，水泥水化和石灰所產(chǎn)生的Ca(OH)2對(duì)粉煤灰有一定的激發(fā)作用，粉煤灰的微粉效應(yīng)和填充效應(yīng)，增加了材料的密實(shí)性，使裂縫擴(kuò)展的阻力增大，傳播裂縫的應(yīng)力減小，保證了材料一定的延展性。

圖4a為第19個(gè)配方的SEM圖，從圖中明顯能看到團(tuán)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(jié)合在一起，使得結(jié)構(gòu)致密，保證材料具有一定的強(qiáng)度；圖4b則是石膏摻量為4.5g的第16個(gè)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(fā)現(xiàn)了大量的板狀Ca(OH)2，并伴有少量的針狀硬硅鈣石，此時(shí)的水化產(chǎn)物連結(jié)能力明顯不如第19組，大孔隙增多，強(qiáng)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(chǎn)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(jì)算

本文考慮橡膠粉的摻量是基于正交試驗(yàn)最佳配合比第19組配合比的基礎(chǔ)上進(jìn)行添加，具體步驟以例子簡(jiǎn)單說(shuō)明。例如：

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

鈣質(zhì)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(zhì)量為1200g×1.5%=18g；水用量為1218g×0.30=365g。

(2)按材料初始總量5%進(jìn)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(jìn)行遞增，例：若材料總量遞減至85%，則：

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

表5　蒸壓橡膠粉-粉煤灰試塊試驗(yàn)數(shù)據(jù)

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(yàn)數(shù)據(jù)整理

(1)對(duì)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(dāng)摻量達(dá)到50%時(shí)，密度降至1.142，自身重量降幅達(dá)30%。

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

(2)對(duì)力學(xué)性能的影響

粉煤灰的火山灰效應(yīng)對(duì)材料強(qiáng)度的增長(zhǎng)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(shí)，自然養(yǎng)護(hù)56d的抗壓強(qiáng)度僅達(dá)到6MPa，抗折強(qiáng)度為1.6MPa[11]。對(duì)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(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均呈現(xiàn)指數(shù)型單調(diào)下降，下降呈現(xiàn)先急后緩的趨勢(shì)，也就是說(shuō)，添加橡膠粉對(duì)于試塊力學(xué)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(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，存在最佳值，也就是說(shuō)，隨著橡膠粉摻量的增加，抗壓強(qiáng)度前期下降趨勢(shì)快于抗折強(qiáng)度，達(dá)到最大值第9組0.35之后，抗折強(qiáng)度下降趨勢(shì)快于抗壓強(qiáng)度，對(duì)于蒸壓橡膠粉-粉煤灰砌塊來(lái)說(shuō)，應(yīng)優(yōu)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(qiáng)度和抗折強(qiáng)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(jié)　論

本文首先采用正交試驗(yàn)法研究蒸壓粉煤灰試塊中各組成部分摻量對(duì)力學(xué)性能的影響，在基準(zhǔn)配比的情況下添加橡膠粉，對(duì)蒸壓粉煤灰-橡膠粉試塊強(qiáng)度下降趨勢(shì)進(jìn)行分析，從試驗(yàn)結(jié)果看以看出：

(1)對(duì)蒸壓粉煤灰試塊抗壓強(qiáng)度的影響大小，依次為：石膏、鈣質(zhì)料、泥灰比，水；對(duì)抗折強(qiáng)度影響大小，依次為：鈣質(zhì)料、石膏、水和泥灰比；

(2)對(duì)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(xiàn)近似直線的下降趨勢(shì)，抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均呈現(xiàn)指數(shù)型單調(diào)下降趨勢(shì)，總體為先急后緩的趨勢(shì)；折壓比隨著橡膠粉摻量的增加，呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，存在最佳值，折壓比較大的配方在工程應(yīng)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(xiāng)建設(shè)部科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目(2014-K4-038)；江蘇省產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目(BY2014108-25)；江蘇省住房城鄉(xiāng)建設(shè)廳項(xiàng)目(2014ZD79)

蔣蕾(1991-)，女，碩士研究生.主要從事無(wú)機(jī)非金屬材料方面的研究.

王路明，教授.

TU502

A

1001-1625(2016)01-0322-06