改性無機人造石材的力學(xué)性能研究

張國明 李彝 鄭致遠

關(guān)鍵詞：改性無機人造石材;碎玻璃;石英砂;壓縮強度

1前言

自古以來，天然石材以其高檔、美觀、耐久性好等優(yōu)點在建筑裝飾領(lǐng)域受到人們的廣泛應(yīng)用，但長期的開采使得天然石材資源日益匱乏，開采難度和開采成本不斷攀升，同時引發(fā)了一系列的環(huán)境污染問題。而人造石具有的天然線條感、拋光后透亮的色澤以及合適的硬度和一定的經(jīng)濟性，使其成為代替天然石材的理想材料。人造石根據(jù)其所用膠凝材料及使用功能的不同，可分為樹脂型人造石、無機型人造石、功能性人造石等。本文所研究的水泥基無機人造石正是無機型人造石的其中一種。水泥基無機人造石是以水泥作為主要膠凝材料，以砂、天然碎石粒為粗細骨料，經(jīng)配制、攪拌、加壓蒸養(yǎng)、拋光制成的無機人造石。早期出現(xiàn)的水泥基無機人造石產(chǎn)品如“水磨石”或“水磨磚”，密實度低，表面氣孔多，光澤度較差，僅作為地面材料，很難滿足裝飾設(shè)計要求。隨著新建筑的不斷規(guī)劃，城市的高速發(fā)展對建筑材料提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)?；炷良夹g(shù)的發(fā)展也促進了質(zhì)量更高的無機人造石的產(chǎn)生，產(chǎn)品表面通過亮度和硬度處理后也可以增加特定的性能，以滿足力學(xué)性能和裝飾的兼容性要求。如今，與天然石材相比，人造石的優(yōu)勢在建筑的可持續(xù)性發(fā)展原則下得到展現(xiàn)。生產(chǎn)一種集強度、耐久、環(huán)保為一體，同時還能在美學(xué)上模仿天然石材外觀的新型無機人造石材，是國內(nèi)外學(xué)者近年來研究的主要方向。

Papayianni在兼容了天然原石的色澤，形態(tài)和力學(xué)性能后設(shè)計了一種替代原石的低成本人造無機石，并在后續(xù)的古城修復(fù)工作中得到廣泛的應(yīng)用;陳冀渝采用水泥、礦渣、硅酸質(zhì)粉料和顏料為主要原料，制作出抗彎強度高、磨損率小，耐久性、耐酸堿性和耐污染性良好的水泥基人造大理石;Lee MyIal利用回收的廢玻璃粉和花崗巖集料，通過真空壓實技術(shù)制造出了強度和吸水率方面均優(yōu)于天然石材的人造石材板;Baomin Wanga以黃河淤泥為原料，利用堿激發(fā)法生產(chǎn)出符合要求的低耗能人工防洪石;楊正宏采用納米氧化石墨烯（GO）改善水泥石的孔隙結(jié)構(gòu)，從而提高了水泥基人造石材的力學(xué)強度和耐久性。總而言之，以水泥、石英砂等一些活性摻合填充料組成的人造石與目前應(yīng)用廣泛的樹脂基人造石相比，具有生產(chǎn)成本低、與無機基體材料兼容性好、后期易修補等優(yōu)點。但前期對水泥基人造無機石的研究主要著重于通過添加活性摻合料來提升力學(xué)性能，對最影響產(chǎn)品綜合力學(xué)性能的原材料成分和配比缺乏更進一步的研究。

因此，本研究的目的是利用不同粒徑的石英砂粗細骨料，經(jīng)過篩選洗凈后，按一定的級配添加回收的碎玻璃及硅灰等活性材料，制成改性原材料，然后以白水泥作為膠凝劑，通過真空、震動條件下壓結(jié)成型，最終制備出遠超行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的無機人造石材。文末借助SEM、XRD等微觀手段分析了所制成的改性無機人造石原材料，其中微細集料通過填充材料孔隙形成致密結(jié)構(gòu)，原材料表觀形貌光滑、無多余絮狀體，更易與水泥等材料形成穩(wěn)定的基體/基團，使制得的改性無機人造石材同時具有高強度和低吸水率等多項優(yōu)點，符合未來新型水泥基無機石材的發(fā)展趨勢。

2試驗概況

2.1原材料

江西銀杉牌的P.042.5白色硅酸鹽水泥水泥，比表面積為346m2/kg，其物理性能見表1，化學(xué)組成見表2。石英砂材料以及碎玻璃產(chǎn)自佛山本地，硅灰比表面積為23m2/g，硅灰的化學(xué)組成見表1，其組成的原材料骨料粒徑分布見表3。拌合用水為自來水。

2.2試驗配合比

試驗配合比如表4。其中，為證明廢舊碎玻璃骨料取代石英砂粗骨料的的可行性及其實際工作性質(zhì)，本次研究設(shè)計了三種廢玻璃骨料取代率，即0%，33.3%，66.6%，分別研究添加不同比例廢舊碎玻璃后的無機人造石力學(xué)性能。另外，在保持水灰比不變的情況下，通過調(diào)整水泥和細骨料總體質(zhì)量的比例，來研究水泥摻量對無機人造石力學(xué)性能的影響。硅灰摻量占膠凝材料總量的10%左右。

2.3試樣制備

將原料按配比依次加入到攪拌機中，待快速攪拌混合均勻后，密封抽真空，將所有物料卸至300mm×300mm×300mm模具中，在真空狀態(tài)下振壓成型，然后拆模，最后用保鮮膜完全密封起來。試件由真空高頻壓制，在20℃±2℃、相對濕度不低于95%的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下養(yǎng)護成型。

2.4測試方法

對于制成的無機人造石材，本實驗采用GB/T35160.2中《合成石材試驗方法第2部分：彎曲強度的測定》中測試方法進行彎曲強度的測試，按GB/T35160.3《合成石材試驗方法第3部分：壓縮強度的測定》中測試方法進行壓縮強度的測試。

3試驗結(jié)果與討論

3.1白水泥摻量對元機人造石性能的影響

在保持水灰比一定的條件下，通過調(diào)整白水泥的摻比，改變水泥和改性原材料的質(zhì)量比，來研究白水泥摻量對無機人造石性能的影響規(guī)律，各組試驗結(jié)果如圖1所示。

如圖1.a和圖1.b所示，1、2、3組在保持水灰比近似不變的條件下，通過增加白水泥摻量，試驗后發(fā)現(xiàn)試件的壓縮強度和彎曲強度呈現(xiàn)先增大后略微減小的趨勢。在白水泥摻量為30%時，壓縮強度和彎曲強度達到最大。這是由于增加白水泥摻量后，改性原材料摻量相對減少，同時降低了對水泥的需求，水泥膠體能更好的包裹住骨料，產(chǎn)生足夠的粘結(jié)力，使得人造無機石的力學(xué)性能也相應(yīng)提高。

由此可見，當(dāng)碎玻璃取代率在33.3%以內(nèi)時，無機人造石各項力學(xué)性能主要取決于白水泥的摻量，當(dāng)白水泥摻量為30%時，試件的壓縮強度和彎曲強度較大。

3.2不同碎玻璃取代率下無機人造石的力學(xué)性能

保持改性原材料質(zhì)量和水灰比不變，通過改變碎玻璃對石英砂粗骨料的取代率，研究碎玻璃對無機人造石材性能的影響規(guī)律，各組試驗結(jié)果如圖2所示。

圖中編號1、2、3分別為不同白水泥摻量（25%、30%、35%）下的試驗對照組。由圖2可以看出，在水灰比和骨料總質(zhì)量一定的情況下，無機人造石壓縮強度和彎曲強度隨碎玻璃取代率的增大而減小。相比于碎玻璃取代率為0，當(dāng)1、2、3組的碎玻璃取代率達到33.3%時，壓縮強度和彎曲強度總體有所下降，改變的百分率分別為：-8.5%、-6.6%、+3.2%和-1.8%、-0.8%、-3.9%，在當(dāng)碎玻璃取代率為66.6%時，壓縮強度和彎曲強度下降更加明顯，改變的百分率分別為-14.2%、-19.9%、-4.1%和-8.1%、-11.7%、-4.7%。這是由于作為粗骨料的碎玻璃粒徑大，在攪拌過程中容易破碎和產(chǎn)生裂縫。而且碎玻璃表面的活性二氧化硅會和水泥漿微孔中的堿金屬離子在粗骨料的表面發(fā)生堿一硅酸反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物凝膠會局部集中在粗骨料表面，導(dǎo)致混凝土中集料的體積增大，影響無機人造石的致密結(jié)構(gòu)，因此加入碎玻璃后人造石的壓縮強度和彎曲強度都會降低。

由此可見，當(dāng)廢棄玻璃作為粗骨料代替石英砂粗骨料時，會導(dǎo)致制成的無機人造石品質(zhì)下降。碎玻璃取代率在33.3%之內(nèi)時，所制成的無機人造石的壓縮強度與彎曲強度與天然石英砂骨料制成的無機人造石相差不大，仍具備良好的力學(xué)性能。依次對比1、2、3 這三組試件性能，分析發(fā)現(xiàn)第2-a 組的抗壓和抗彎性能最好。

3.3材料的微觀分析

3.3.1 SEM分析

從圖5（a）中標(biāo)注的紅色和藍色線框可以看出，普通原材料試樣中存在較多的絮狀體，試樣中孔洞較多，且存在很多片狀層基體。在通過對材料進行合理篩分和配比后，從圖2 中標(biāo)注的紅色線框可以看出，改性后的原材料試樣孔隙率明顯降低，原材料表觀形貌呈現(xiàn)光滑、無多余絮狀體等特點。相較于普通原材料，改性后原材料更易與水泥等材料形成穩(wěn)定的基體/ 基團。改性后原材料呈現(xiàn)出多裂紋特性，圖5（b）藍色線框處標(biāo)注了改性后原材料多處微觀結(jié)構(gòu)縫隙，分析得出這是在制備過程中由于水分子蒸發(fā)，試樣干燥收縮而產(chǎn)生的，并非試樣初始具有。

3.3.2XRD分析

從圖6可以看出，改性后原材料中主要化學(xué)成分仍然為二氧化硅（Si02）、二水合硫酸鈣（CaS04·2H20）、碳酸鈣（CaCOa）、氧化鈣（CaO）等，未產(chǎn)生新的晶體類物相。改性后原材料中Si02晶胞含量高于普通原材料，對于碳酸鈣的存在會產(chǎn)生一定的弱化作用，同時也減弱了其他不必要的雜質(zhì)的存在。

4結(jié)論

本研究得到的結(jié)論如下：

（1）無機人造石的各項力學(xué)性能在試驗中隨白水泥摻量的增加呈現(xiàn)先提高后降低的趨勢，在本研究中當(dāng)白水泥摻量為30%時，無機人造石的力學(xué)性能表現(xiàn)較佳。

（2）SEM和XRD微觀分析顯示，改性后的原材料與普通原材料相比表面更光滑、SiO2晶胞含量更高，能有效促進水泥水化反應(yīng)生成硅酸鈣凝膠，提升生成無機人造石的力學(xué)性能。

（3）改性原材料中的材料顆粒存在多種粒徑大小，通過對材料各項性能檢測后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)粗骨料占50%、中等骨料占10%、細骨料占17%、超細骨料占22%且碎玻璃代替率出現(xiàn)在0～33.3%之間的時候，制作出的無機人造石力學(xué)性能相對最好。