摻入廢渣粉對纖維砂漿耐久性及強度的研究

夏勇，陳嘉健，李子宏，馬岸民，黃焯超

(1.佛山科學技術學院 土木工程系，廣東 佛山 528000；2.佛山市技術創(chuàng)新協(xié)會，廣東 佛山 528000)

石材工業(yè)的快速發(fā)展已逐漸成為國家主要經(jīng)濟支撐，然而如何對生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的大量廢渣、廢漿等廢棄物進行處置是目前亟需解決的問題，如果處置不當則會對生態(tài)環(huán)境、人類健康等造成極大的傷害。因而，國內(nèi)外諸多科研人員研究在砂漿或混凝土中摻入石材廢棄物后的影響效果[1]。

針對水泥生產(chǎn)過程中的高污染，有研究人員用適量石粉代替砂漿或混凝土中的水泥。由于石粉作為非活性材料摻入主要發(fā)揮填充作用，故粒徑越小，填充作用越明顯[2]，可改善孔結(jié)構[3]，降低孔隙率[4-5]，從而提高試件的密實度[6]，但同時水化產(chǎn)物減少，導致強度下降[7-8]。陳嘉健等[9-10]試驗發(fā)現(xiàn)在混凝土中摻入石灰石粉置換水泥漿體可以降低混凝土可滲透孔隙率，在相同水灰比或相同強度下有效減小混凝土的滲水性和吸水性；Li等[11-14]試驗表明在砂漿中用廢大理石粉、廢花崗巖粉等廢石粉代替水泥漿體，均能顯著地提高砂漿的強度、抗碳化性能及耐水性能，同時能夠有效減小試塊的收縮率，提高試塊的尺寸穩(wěn)定性。除此之外，有大量學者、工程人員用摻合料代替砂漿或混凝土中細骨料。有研究表明用廢石屑代替15%天然砂可以提高水泥膠砂試件的強度[15]，代砂摻量為20%時能夠提高混凝土早期和后期強度[16]，而將石材加工產(chǎn)生的廢渣粉代替30%河砂添加到混凝土中可改善混凝土的力學性能及耐久性[17]。肖佳等[18]認為在混凝土中摻入石粉降低混凝土抗?jié)B性與其導致膠砂孔結(jié)構粗化有著較好的對應關系。史才軍等[19]認為石灰石粉在水泥質(zhì)材料中主要發(fā)揮晶核、填充、化學和稀釋作用。同時，使用碎石粉代替天然砂不僅緩解細骨料短缺問題，還可以降低施工成本、材料成本[20]，用不可生物降解的大理石廢料代替河砂能減輕垃圾填埋場的負擔[21]。

查詢文獻發(fā)現(xiàn)，在砂漿和混凝土中摻加摻合料的研究較多，然而在纖維砂漿中摻加摻合料的研究尚且不多，在砂漿中摻入纖維有利于提高砂漿的諸多性能[22-24]。為探索廢渣粉對纖維砂漿的力學性能及耐久性能的影響，本研究將石材加工廠產(chǎn)生的廢渣粉等體積代替標準砂添加至纖維砂漿中，通過測量試塊孔隙率、吸水性和強度，探討聚丙烯纖維、廢渣粉對砂漿孔隙率、吸水性和強度的影響及孔隙率對吸水性及強度的作用。

1 實驗方案

1.1 原材料

實驗材料包括P.O 42.5普通硅酸鹽水泥、標準砂、廢渣粉、聚丙烯纖維及聚羧酸高效減水劑，廢渣粉是由廣東省佛山市利銘蜂窩復合材料有限公司生產(chǎn)時產(chǎn)生的石材污泥，在實驗室用路事達101A-3電熱鼓風干燥箱100 ℃條件下干燥24 h后，用科滿仕2 500Y粉碎機將泥渣塊粉碎及篩分實驗，最終取粒徑小于1.25 mm的渣粉，如圖1所示。經(jīng)測量水泥、標準砂、廢渣粉、聚丙烯纖維及減水劑的密度分別為3 127、2 476、2 400、1 030和910 kg/m3。從水泥、廢渣粉及標準砂的SEM圖像觀察到材料的幾何形狀不規(guī)則，如圖2所示。其中水泥粒徑最小，標準砂粒徑最大，廢渣粉粒徑在二者之間，因而能優(yōu)化固體材料顆粒級配。聚丙烯纖維的物理性能見表1。

(a)石材污泥 (b)泥渣塊體 (c)石材泥渣粉圖1 石材廢渣粉圖Fig.1 Image of stone waste slag powder

(a)水泥 (b)廢渣粉 (c)標準砂圖2 原材料SEM圖Fig.2 SEM image of raw material

1.2 配合比

實驗設計20組不同水灰比、不同體積廢渣粉的纖維砂漿進行測量，纖維摻量是水泥質(zhì)量的0.2%，水泥漿體積比(水泥、水、減水劑體積總和占砂漿體積比例)為50%，標準砂和廢渣粉體積比為50%，水灰比從1.0到1.6，以0.2為級差，廢渣粉代替標準砂的體積由0到20%，以5%為級差。試塊用“廢渣粉體積-水灰比”編號，具體配比見表2。

表1 聚丙烯纖維物理性能Tab.1 Physical properties of polypropylene fibre

表2 每方砂漿試樣配合比Tab. 2 Mix design of 1m3 mortar samples

2 實驗方法

2.1 強度測量

將攪拌完成的纖維砂漿倒入尺寸為40 mm×40 mm×160 mm的長方體模具中，經(jīng)過振搗、抹平及靜置(24±2)h后拆模，然后將試塊放置在溫度為(20±2)℃、相對濕度在90%以上的養(yǎng)護箱中養(yǎng)護28 d。整個實驗過程中實驗室溫度控制在(20±5) ℃，纖維砂漿的抗壓強度和抗折強度結(jié)果依據(jù)《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO)》取值。

2.2 孔隙率測量

砂漿試塊在養(yǎng)護箱中養(yǎng)護24 d即浸水24 d后取出，擦干試塊表面水分，測量試塊質(zhì)量，并用排水法測量試塊體積，完成以后將試塊放入100 ℃干燥箱中干燥至恒重，則試塊的孔隙率P可通過式(1)計算得出，最終結(jié)果取該組三個試塊孔隙率的平均值。此方法測量的孔隙率為試塊被水充分填充的孔隙體積與試塊體積的比值。

(1)

式中：m0為試塊干燥后的質(zhì)量，m1為試塊吸水飽和表面干燥時質(zhì)量，V為試塊體積，ρ為水的密度。

2.3 吸水性測量

砂漿試塊的吸水性用試塊的吸水系數(shù)表示。試塊在標準養(yǎng)護條件下養(yǎng)護24 d后取出放入干燥箱中，在100 ℃下干燥24 h，待試塊溫度降至室溫后將試塊四周涂抹環(huán)氧樹脂，然后將試塊底部淺浸在水中。接著測量試塊在不同時間段內(nèi)的質(zhì)量，計算試塊質(zhì)量的增量，通過式(2)求出試塊底部單位表面積的吸水量，實驗發(fā)現(xiàn)試塊吸水量I與時間平方根呈線性關系，用式(3)表示

(2)

(3)

式中：ma為試塊質(zhì)量的增量，A為試塊底部面積，k為試塊的吸水系數(shù)，t為測量時間。

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 強度測量結(jié)果

試塊的性能測量結(jié)果見表3，同時利用表3數(shù)據(jù)繪制抗壓強度和抗折強度隨水灰比變化情況，如圖3和圖4所示。結(jié)果表明，當水灰比相同時，使用廢渣粉代替標準砂可以大幅提高纖維砂漿試塊的強度，其中用廢渣粉代替15%的標準砂時纖維砂漿的抗壓強度最高，此結(jié)果與霍曼琳等[15]實驗結(jié)果相同，而代替20%的標準砂時纖維砂漿的抗折強度達到最大。使用適量廢渣粉等體積代替標準砂優(yōu)化了固體顆粒級配，聚丙烯纖維填充固體顆粒之間的空隙提升了漿體密實度，使得試塊的抗壓強度和抗折強度均得到顯著增加。但廢渣粉的代替量達20%時，標準砂銳減使其骨架作用減弱，導致抗壓強度下降；由于聚丙烯纖維具有良好的韌性，摻入纖維起到阻裂作用，因此抗折強度會持續(xù)上升。

表3 砂漿試塊的孔隙率、吸水系數(shù)、抗壓強度和抗折強度測量結(jié)果Tab. 3 Test results of poriness, sorptivity, compressive strength and flexural strength of mortar samples

圖3 抗壓強度隨水灰比變化情況Fig.3 Variation of compressive strength with W/C ratio

圖4 抗折強度隨水灰比變化情況Fig.4 Variation of flexural strength with W/C ratio

3.2 孔隙率測量結(jié)果

試塊的孔隙率測量結(jié)果見表3第2列及圖5，從圖中發(fā)現(xiàn)，當水灰比為1.0時，廢渣粉代替標準砂體積越大，試塊孔隙率越低，然而當水灰比為1.2及以上時孔隙率測量結(jié)果卻與之相反，廢渣粉體積越大而試塊孔隙率也越高。這可以解釋為水灰比較低時，水量較少砂量較多，廢渣粉替換砂，可與水泥形成更多的細粉漿料有效填充堆積空隙，所以隨著廢渣粉代替體積的增加，砂漿試件的孔隙率逐漸下降；水灰比較高時，水量較多砂量較少，砂本身并未得到密實堆積，廢渣粉替換砂，令砂的堆積更加疏松，所以隨著廢渣粉代替體積的增加，砂漿試件的孔隙率逐漸增加。

3.3 吸水性測量結(jié)果

不同配比砂漿試塊底面單位面積吸水量隨時間平方根變化情況如圖6所示，從圖中可看出，隨著廢渣粉代替標準砂體積的增加，試塊底面單位面積吸水量增加至峰值后逐漸減小，用廢渣粉代替5%的標準砂，試塊單位底面積吸水量達到最大。此結(jié)果與陳嘉健[10]實驗結(jié)果不同，主要是本研究用廢渣粉代替標準砂而非水泥漿，同時，本研究摻入聚丙烯纖維，對實驗結(jié)果也有一定的影響。

將圖6中數(shù)據(jù)點進行線性回歸分析，擬合公式及R2值列于表4。結(jié)果顯示，當廢渣粉代替標準砂的體積固定不變時，試塊底面單位面積吸水量與時間平方根是線性變化關系，此結(jié)果與Kubissa[25]的實驗結(jié)果一致，而單位底面積吸水量-時間平方根直線的斜率即式(3)中試塊吸水系數(shù)k，實驗測得的不同配比試塊吸水系數(shù)k列于表3第3列，吸水系數(shù)與水灰比的變化關系如圖7所示。從中發(fā)現(xiàn)，水灰比保持不變時，廢渣粉替代5%的標準砂，試塊吸

(a)水灰比=1.0

(b)水灰比=1.2

(c)水灰比=1.4

(d)水灰比=1.6圖6 不同配比砂漿試塊單位面積吸水量隨時間平方根變化情況Fig.6 Variation of water penetration amount at unit surface area with square of time

表4 不同配比試塊單位面積吸水量隨時間平方根變化線性擬合公式及R2值Tab.4 Linear fitting formulas and R2 values of water penetrationamount at unit surface area with square of time

圖7 吸水系數(shù)隨水灰比變化情況Fig.7 Variation of sorptivity with W/C ratio

水系數(shù)達到最大，而當替代體積持續(xù)增大時，吸水系數(shù)顯著下降，當廢渣粉替代20%的標準砂時，試塊吸水系數(shù)最小，結(jié)果表明，在砂漿試塊中用廢渣粉等體積代替標準砂有助于提高砂的抗?jié)B性。究其原因，由于廢渣粉的顆粒粒徑處于水泥和標準砂顆粒粒徑之間，因而摻入廢渣粉有利于擴大固體顆粒的粒徑分布，優(yōu)化顆粒級配，同時砂漿中摻有少量聚丙烯纖維，纖維可填充固體顆粒之間的空隙，提高試樣密實度阻止水分子滲入，其次，聚丙烯纖維具有良好的耐水性，有助于提高砂漿的抗?jié)B性。

4 孔隙率對吸水系數(shù)和強度的影響

4.1 孔隙率對吸水系數(shù)的影響

試塊的吸水系數(shù)與孔隙率的變化關系如圖8所示。圖8中結(jié)果顯示，當纖維砂漿試塊具有較大孔隙率時，試塊的吸水系數(shù)通常也會隨之較大，因此，纖維砂漿的吸水性主要受試塊孔隙率的影響。

觀察圖8中測量的數(shù)據(jù)點可以發(fā)現(xiàn)，廢渣粉代替標準砂的體積對吸水系數(shù)也有一定的影響。對圖8中的數(shù)據(jù)采用多變量線性回歸分析可發(fā)現(xiàn)到，當孔隙率保持不變時，廢渣粉代替標準砂的體積依次由0增加到10% 及20%時，擬合曲線向下平移，表明試塊的吸水系數(shù)隨著廢渣粉體積的增加逐漸減小，擬合曲線的相關系數(shù)R2值達到0.853，表明纖維砂漿的吸水性受試塊孔隙率和廢渣粉的共同影響。

圖8 吸水系數(shù)與孔隙率的變化情況Fig.8 Variation of sorptivity with poriness

4.2 孔隙率對抗壓強度的影響

摻入廢渣粉的纖維砂漿的抗壓強度與孔隙率的變化情況如圖9所示。從圖9中可以清晰地發(fā)現(xiàn)，試塊的孔隙率逐漸變大時，試塊的抗壓強度明顯下降，因此，試塊的孔隙率是影響試塊抗壓強度的主要因素。

圖9中顯示試塊的孔隙率為某一定值時，試塊的抗壓強度會受到廢渣粉的影響。為了探索試塊孔隙率和廢渣粉摻量對試塊抗壓強度的聯(lián)合影響，采用多變量線性回歸分析，擬合曲線及擬合公式如圖9中所示，結(jié)果表明當廢渣粉代替標準砂的體積依次從0增加到10%及20%時，曲線向上平移，顯示使用更大體積的廢渣粉代替標準砂的試塊往往具有更高的抗壓強度，并且孔隙率單一參量與抗壓強度的相關系數(shù)R2值僅為0.730，而加入廢渣粉參量后R2提升到0.872，因此，試塊的抗壓強度受到孔隙率和廢渣粉的聯(lián)合影響。

圖9 抗壓強度與孔隙率的變化情況Fig.9 Variation of compressive strength with poriness

4.3 孔隙率對抗折強度的影響

摻入廢渣粉纖維砂漿的抗折強度隨孔隙率的變化情況如圖10所示，可以看出纖維砂漿抗折強度與孔隙率的變化情況與抗壓強度的結(jié)果相似，試塊的抗折強度同樣隨著試塊孔隙率增大而逐漸下降，因此，孔隙率也是抗折強度的主要影響因素。

圖10中測量結(jié)果顯示試塊的抗折強度不僅僅受孔隙率單一因素影響，廢渣粉摻量對其也有一定的作用。為了深入研究試塊孔隙率和廢渣粉摻量對試塊抗折強度的聯(lián)合作用，研究采用多變量線性回歸分析，擬合公式及擬合曲線如圖所示，在孔隙率保持不變時，用廢渣粉代替越多體積的標準砂，試塊的抗折強度會顯著提高，擬合曲線的相關系數(shù)R2值為0.835，結(jié)果表明試塊的抗折強度受試塊孔隙率和廢渣粉的共同影響。

圖10 抗折強度與孔隙率的變化情況Fig.10 Variation of flexural strength with poriness

5 結(jié)論

通過測量20組不同水灰比、不同廢渣粉摻量纖維砂漿試塊的孔隙率、吸水性、抗壓強度及抗折強度，主要得到以下結(jié)論：

1)水灰比較小時，用廢渣粉代替等體積標準砂時會降低纖維砂漿的孔隙率，但水灰比較大時，孔隙率會隨著廢渣粉體積的增加而增加。

2)纖維砂漿的吸水系數(shù)隨廢渣粉體積的增加先上升后下降，結(jié)果表明用廢渣粉代替20%的標準砂時，吸水系數(shù)最低，纖維砂漿的抗?jié)B性最佳。

3)用廢渣粉代替等體積標準砂添加至纖維砂漿中，可以大幅提高纖維砂漿的抗壓強度及抗折強度，用廢渣粉代替15%的標準砂時可使砂漿抗壓強度提升23.4%，代替20%的標準砂時可使砂漿抗折強度提升32.9%。

4)纖維砂漿的吸水性、抗壓強度以及抗折強度均與砂漿孔隙率成線性關系，采用線性回歸分析發(fā)現(xiàn)纖維砂漿的吸水性、抗壓強度及抗折強度受到砂漿孔隙率及廢渣粉的共同影響。