廢瓷磚再生砂摻配率對砂漿強(qiáng)度的影響及機(jī)理分析

劉新海，聶憶華，彭小林，許新權(quán)，肖 鳳

(1.廣東華路交通科技有限公司，廣州 510420；2.湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 湘潭411201；3.廣東交科檢測有限公司，廣州 510550)

0 引言

陶瓷在生產(chǎn)、搬運、使用等過程中不可避免地產(chǎn)生大量陶瓷廢料，目前大部分廢棄陶瓷采用簡單的填埋方式處理，既占用土地又污染環(huán)境，不符合“綠色發(fā)展”的社會理念。同時，國內(nèi)公路建筑行業(yè)面臨優(yōu)質(zhì)砂石資源短缺的困境，急需開發(fā)利用綠色再生集料[1-3]。燒結(jié)后的陶瓷質(zhì)地堅硬，化學(xué)成分與天然砂石相近，研究結(jié)果表明陶瓷具有較強(qiáng)的火山灰活性[4]，因此有學(xué)者開展了將陶瓷廢料替代天然砂石進(jìn)行再生利用的研究[5-14]。眾多學(xué)者[9-14]將廢陶瓷破碎、篩分成骨料，用來配制再生陶瓷混凝土或再生陶瓷砂漿，發(fā)現(xiàn)在混凝土或砂漿中摻加廢陶瓷再生骨料對強(qiáng)度增長有益，但引發(fā)強(qiáng)度增長的機(jī)理尚且模糊。

在課題組前期研究成果的基礎(chǔ)上[12-13]，本文通過砂漿強(qiáng)度試驗，探究砂漿抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度與廢瓷磚砂摻配率之間的變化規(guī)律。采用SEM觀察細(xì)骨料以及骨料-水泥石界面的微觀形貌，并對摻有廢瓷磚再生砂漿的強(qiáng)度增長機(jī)理進(jìn)行了分析，為其用于公路、房屋等工程建設(shè)提供理論依據(jù)支撐。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 水泥

采用P.O 32.5級普通硅酸鹽水泥，經(jīng)檢測符合規(guī)范使用要求，其主要的物理力學(xué)性能檢測結(jié)果見表1。

表1 水泥的物理力學(xué)性能

1.1.2 砂

將廢棄瓷磚清洗干凈，置于陽光下曬干后，經(jīng)顎式破碎機(jī)破碎、篩分制得廢瓷磚再生砂。天然細(xì)砂采用湘江打撈的天然河砂。本文采用天然細(xì)砂和0. 15～4.75 mm粒徑的廢瓷磚再生粗砂摻配成五種不同粗細(xì)程度的砂做對比試驗，砂的篩分試驗結(jié)果見表2。

1.1.3 水

湘潭市可飲用的自來水。

表2 砂的篩分試驗結(jié)果

1.2 試驗方法

1.2.1 砂漿強(qiáng)度試驗

砂漿強(qiáng)度試驗依照《建筑砂漿基本性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T70-2009)進(jìn)行。固定水泥的用量比例，分別采用五種廢瓷磚砂摻配率，控制砂漿的稠度在70～80mm內(nèi)，按照規(guī)范方法成型試件，測試砂漿經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)3d、7d、14d、28d后的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。

1.2.2 掃描電子顯微鏡試驗

選用水平擺放上表面面積約為15mm2的廢瓷磚再生砂和天然細(xì)砂作為待測樣品(圖1)。首先將樣品置于鍍金池對上表面鍍膜，再于50℃～60℃的真空干燥箱中干燥24h，隨后用真空泵抽真空1h，采用捷克生產(chǎn)的FEI Q45 型SEM觀測樣品表面的微觀形貌與構(gòu)造。

圖1 SEM試驗樣品

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 砂漿強(qiáng)度試驗

2.1.1 抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律

五種砂漿不同養(yǎng)護(hù)齡期的抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果如圖2所示。不同廢瓷磚砂摻配比例的抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期的線性相關(guān)關(guān)系擬合結(jié)果匯總于表3。

圖2 不同廢瓷磚砂摻配率下抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期增長規(guī)律

采用28d抗壓強(qiáng)度評定砂漿強(qiáng)度等級。由圖2可知，全天然砂普通砂漿的抗壓強(qiáng)度為4.784MPa，等級為M2.5;再生砂摻配率在35%以上時抗壓強(qiáng)度等級可達(dá)到M7.5以上。摻配率為100%時，全廢瓷磚再生砂砂漿的抗壓強(qiáng)度為9.282MPa，與普通砂漿相比增長了94.0%。試驗結(jié)果表明，摻加廢瓷磚再生砂可提高砂漿強(qiáng)度等級1～2個級別。

表3 抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期關(guān)系擬合結(jié)果

由圖2和表3可知,隨著試件養(yǎng)護(hù)齡期的增長，五種不同廢瓷磚砂摻配率砂漿的抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)線性增長的規(guī)律，線性擬合相關(guān)指數(shù)R2均在0.97以上。五種砂漿配比中，75%廢瓷磚砂摻配率下抗壓強(qiáng)度增長速度最快，未摻廢瓷磚砂的砂漿強(qiáng)度增長速度最慢。

2.1.2 抗折強(qiáng)度變化規(guī)律

五種砂漿不同養(yǎng)護(hù)齡期的抗折強(qiáng)度試驗結(jié)果如圖3所示，不同廢瓷磚砂摻配比例的抗折強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期的線性相關(guān)關(guān)系擬合結(jié)果匯總于表4。

圖3 不同廢瓷磚砂摻配率下抗折強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期增長規(guī)律

表4 抗折強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期關(guān)系擬合結(jié)果

由圖3和表4可知：五種不同廢瓷磚砂摻配率砂漿的抗折強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期均呈現(xiàn)良好的線性相關(guān)關(guān)系，線性相關(guān)指數(shù)R2均在0.95以上。五種砂漿配比中，100%廢瓷磚砂摻配率下抗折強(qiáng)度增長速度最快，未摻廢瓷磚砂增長速度最慢。

2.2 掃描電子顯微鏡試驗

廢瓷磚砂顆粒較細(xì)，表面基本為廢瓷磚破碎后新形成的碎裂面，極少部分為瓷磚原來的粗糙面、光滑面與碎裂面組成的碎裂過渡面。廢瓷磚砂碎裂面、碎裂過渡面以及天然細(xì)砂的SEM圖像如圖4所示。

圖4 廢瓷磚砂碎裂面、碎裂過渡面和天然河砂的SEM

由圖4可見，圖4(a)廢瓷磚砂碎裂面呈層狀的粗糙多孔結(jié)構(gòu)，因此其吸水率較天然砂高。圖4(b)廢瓷磚砂碎裂過渡面呈現(xiàn)為多層的片狀結(jié)構(gòu)。圖4(b)左下部分為瓷磚碎裂面，可以觀察到含有微小氣孔，這是瓷磚在燒結(jié)過程中產(chǎn)生的CO2等氣體未能排出形成氣泡所致，氣泡的存在增大了碎裂面的粗糙度與孔隙率。圖4(b)右上部分為瓷磚的光滑釉面，瓷化釉面致密光滑不含孔隙，零碎分布有微小顆粒結(jié)晶物。圖4(c)天然河砂表面光滑平整，不含孔隙，零星散布有微小片狀結(jié)晶物。

砂在砂漿中充當(dāng)細(xì)骨料。圖5分別為廢瓷磚再生骨料-水泥石界面與天然碎石-水泥石界面的SEM[14]。水泥石是水泥漿體硬化的產(chǎn)物，又稱凈漿硬化體，文獻(xiàn)[14]的研究結(jié)果表明，水泥石的黏結(jié)強(qiáng)度最高，廢瓷磚粗糙面-水泥石黏結(jié)強(qiáng)度次之，天然碎石-水泥石黏結(jié)強(qiáng)度最差。

圖5 骨料-水泥石界面的SEM

2.3 強(qiáng)度增長機(jī)理

細(xì)骨料與水泥石的黏結(jié)強(qiáng)度相對較低，是砂漿的薄弱區(qū)，受到外力作用時容易剝離開裂，導(dǎo)致砂漿破壞失效。已有的研究文獻(xiàn)表明，砂漿的界面區(qū)強(qiáng)度主要由水泥的化學(xué)膠著力、骨料機(jī)械咬合力以及水泥石與骨料粘結(jié)力組成[11,14]。本文研究的五種砂漿使用相同的水泥與劑量，為控制砂漿稠度在70～80mm之間，摻配廢瓷磚再生砂砂漿的用水量有所微調(diào)。在摻有廢瓷磚再生砂砂漿的拌制過程中發(fā)現(xiàn)并無水泌出，這是因為再生砂的吸水率較大，吸收了多余的水分，因此水泥凈漿的實際水灰比大致接近，可以認(rèn)為五種砂漿的水泥化學(xué)膠著力基本相同。

廢瓷磚再生砂砂漿強(qiáng)度的增加主要由骨料機(jī)械咬合力與水泥石與骨料粘結(jié)力變化所致。河砂是砂巖、花崗巖等巖石風(fēng)化破碎后經(jīng)水流沖刷、摩擦作用形成，具有圓潤光滑的表面，與天然細(xì)砂相比，經(jīng)機(jī)械加工而成的廢瓷磚再生砂表面粗糙多孔、棱角凸出，骨料顆粒產(chǎn)生相對滑動時摩阻力較大，與天然砂摻配使用增加了骨料之間的機(jī)械咬合力。再者廢瓷磚再生砂碎裂面粗糙多孔，吸水率較大，在砂漿早期養(yǎng)護(hù)階段，能夠吸收較多水分保存在孔隙內(nèi)部，待砂漿中的自由水分逐漸蒸發(fā)下降至臨界值，廢瓷磚再生砂可釋放吸收的多余水分以增加交界面的相對濕度，形成砂漿的內(nèi)部養(yǎng)生，促進(jìn)水泥水化反應(yīng)。在水泥劑量相同的條件下，廢瓷磚再生砂孔隙吸收水的內(nèi)養(yǎng)生作用可促進(jìn)水泥水化反應(yīng)，增加廢瓷磚砂摻配比率還可降低交界面處水泥凈漿的水灰比，從而綜合提高了廢瓷磚砂-水泥石的粘結(jié)力。由以上分析可知，混合砂機(jī)械咬合力的提高和細(xì)骨料-水泥石粘結(jié)力的增大是廢瓷磚再生砂漿較普通砂漿強(qiáng)度增長的內(nèi)在原因。

由前文分析可知，廢瓷磚再生砂摻配比率超過50%后，砂漿的抗壓強(qiáng)度增長速率隨摻配比率的提高而減小，這是因為廢瓷磚光滑面的總表面積占比逐漸增大增加了界面區(qū)發(fā)生破壞的概率，在一定程度上限制了砂漿強(qiáng)度的增長。另一方面，廢瓷磚再生砂的力學(xué)強(qiáng)度不如天然砂，如果砂漿界面區(qū)粘結(jié)強(qiáng)度恰好介于廢瓷磚砂與天然砂抗壓強(qiáng)度之間，提高再生砂摻配率可能會導(dǎo)致砂漿的強(qiáng)度降低。為保證廢瓷磚再生砂砂漿的強(qiáng)度，應(yīng)優(yōu)先選用質(zhì)地堅硬、干凈無雜質(zhì)的廢棄貼面瓷磚作為原材料，避免與強(qiáng)度較低的陶瓷混用。建議采用兩次以上破碎方式加工廢瓷磚再生砂，以降低廢瓷磚光滑面的面積比率。

3 結(jié)論

(1)全廢瓷磚再生砂砂漿的抗壓強(qiáng)度與普通砂漿相比增長了94.0%，摻加廢瓷磚再生砂可提高砂漿強(qiáng)度等級1～2個級別。

(2)五種砂漿的抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度均隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加呈現(xiàn)線性增長規(guī)律，抗壓強(qiáng)度在廢瓷磚砂摻配率為75%時增長速率為最快，而抗折強(qiáng)度在摻配率為100%時增長速率為最快，兩者在未摻廢瓷磚砂時增長速率均為最慢。

(3)廢瓷磚再生砂與天然砂的表面微觀形態(tài)差異顯著，廢瓷磚再生砂的層狀粗糙多孔表面結(jié)構(gòu)，有利于提高與水泥石之間的黏結(jié)強(qiáng)度。

(4)廢瓷磚再生砂與天然砂摻配使用時，增大了混合砂的骨料機(jī)械咬合力以及細(xì)骨料-水泥石的界面粘結(jié)力，從而提高了廢瓷磚再生砂漿的整體強(qiáng)度。

(5)廢瓷磚光滑面-水泥石的界面區(qū)粘結(jié)強(qiáng)度最低，為保證砂漿強(qiáng)度，建議優(yōu)先選用質(zhì)地堅硬、干凈無雜質(zhì)的廢棄貼面瓷磚作為原材料，采用兩次以上破碎方式加工廢瓷磚再生砂。