高摻量陶瓷拋光渣對泡沫輕質(zhì)土性能影響研究

成 浩 王 佳 曾國東 陳忠平 汪健斌 韓 健

(佛山市交通科技有限公司1) 佛山 528000) (佛山市建盈發(fā)展有限公司2) 佛山 528000)(廣州大學(xué)土木工程學(xué)院3) 廣州 510006) (廣東盛瑞科技股份有限公司4) 廣州 511400)

0 引 言

泡沫輕質(zhì)土是由水泥漿與泡沫混合硬化而成的一種輕質(zhì)材料，由于其具有輕質(zhì)性、自硬性、良好的流動性等特性，廣泛應(yīng)用于高速公路、高速鐵路、市政交通等領(lǐng)域[1-2]．國內(nèi)外學(xué)者對泡沫輕質(zhì)材料的制備參數(shù)、孔隙結(jié)構(gòu)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度等物理力學(xué)性能[3-5]以及干濕、凍融、硫酸鹽侵蝕作用下耐久性能[6-8]開展了系統(tǒng)的室內(nèi)試驗(yàn)研究，并已成熟地應(yīng)用于道路拓寬、橋臺背回填、軟土地基處理等工程領(lǐng)域．此外，在傳統(tǒng)的水泥基泡沫輕質(zhì)材料的基礎(chǔ)上，部分學(xué)者研究了摻磷尾礦[9]、偏鋁土尾礦[10]等對泡沫輕質(zhì)土力學(xué)性能的影響．目前，尋求經(jīng)濟(jì)性更高、來源更廣的摻和料用以部分替代水泥制備泡沫輕質(zhì)材料已成為該領(lǐng)域的熱點(diǎn)課題之一．

陶瓷拋光渣是陶瓷在拋光、研磨加工過程中所產(chǎn)生的廢棄物，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，每生產(chǎn)1 m2拋光磚，產(chǎn)生1.5～2.0 kg拋光渣，目前陶瓷拋光渣的年排量已超1 000萬 t[11]．針對陶瓷拋光渣資源化利用難題，李麗霞[12]通過將陶瓷廢料微粉與粉煤灰作為復(fù)合摻合料加入混凝土中，用以改善混凝土的工作性能和力學(xué)性能．田健等[13]利用陶瓷拋光泥與水泥、石灰、廢棄銅尾礦等材料制備蒸壓加氣混凝土，并分析了陶瓷拋光泥的顆粒細(xì)度與摻量對混凝土砌塊強(qiáng)度的影響．魏麗麗等[14]以陶瓷拋光渣等量取代水泥制備砂漿試樣，分析了陶瓷拋光渣對水泥基材料堿集料反應(yīng)的抑制機(jī)理，并提出陶瓷拋光渣的合理摻量應(yīng)為20%～30%．謝力等[15]研究了陶瓷粉再生混凝土的抗碳化性能，分析陶瓷粉摻量對再生混凝土碳化深度以及動彈性模量的影響規(guī)律．盡管眾多學(xué)者在陶瓷拋光渣資源化利用方面做出了很多有益的嘗試，但目前仍存在資源再生技術(shù)較復(fù)雜、再生產(chǎn)品附加值較低，難以大規(guī)模推廣應(yīng)用等問題[16]．

文中通過分析陶瓷拋光渣摻量、設(shè)計(jì)濕密度等因素對泡沫輕質(zhì)材料流動性、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，以及飽和吸水率的影響規(guī)律，基于室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果分析提出泡沫輕質(zhì)土中陶瓷拋光渣的合理摻量范圍．

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料

水泥采用海螺牌PO42.5普通硅酸鹽水泥；礦粉為廣東某有限公司生產(chǎn)的S95級礦粉，密度為1.6 g/cm3，比表面積為430 m2/kg；發(fā)泡劑采用廣東某有限公司生產(chǎn)的復(fù)合發(fā)泡劑，發(fā)泡倍率20～30倍，消泡率小于5%．

陶瓷拋光渣取自佛山市某陶瓷廠，其物理性能指標(biāo)見表1，通過篩分試驗(yàn)得出該陶瓷拋光渣顆粒粒徑小于0.075 mm的占比達(dá)84%．由表1中陶瓷拋光渣的液塑限值及顆粒分布特性來看，其性質(zhì)與低液限粉土較為類似．對所取的陶瓷拋光渣進(jìn)行室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)，擊實(shí)曲線見圖1.由擊實(shí)曲線獲得陶瓷拋光渣最大干密度為1.59 g/cm3，最優(yōu)含水率為20.5%．

表1 陶瓷拋光渣物理性能參數(shù)

圖1 陶瓷拋光渣擊實(shí)曲線

1.2 配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)《氣泡混合輕質(zhì)土填筑工程技術(shù)規(guī)程》(以下簡稱《技術(shù)規(guī)程》)中泡沫輕質(zhì)土配合比設(shè)計(jì)方法，開展不同濕密度與陶瓷拋光渣摻量的泡沫輕質(zhì)土配合比設(shè)計(jì)，不同配合比泡沫輕質(zhì)土的成分比例見表2．表中編號1～6為一組，研究設(shè)計(jì)濕密度對摻陶瓷拋光渣泡沫輕質(zhì)土力學(xué)性能的影響，固定膠凝材料中水泥∶礦粉∶陶瓷拋光渣的質(zhì)量比例為20%∶20%∶60%，水膠比為0.65，設(shè)計(jì)濕密度變化范圍為500～1 000 kg/m3；編號7～10為另一組，研究濕密度為600 kg/m3時(shí)，陶瓷拋光渣摻量對泡沫輕質(zhì)土力學(xué)性能的影響，膠凝材料中礦粉摻量固定為20%，由陶瓷拋光渣部分取代水泥，其占膠凝材料總質(zhì)量比分別為30%，40%，50%，60%．

表2 摻陶瓷拋光渣泡沫輕質(zhì)土配合比設(shè)計(jì)

1.3 試樣制備

首先將陶瓷拋光渣烘干后碾壓破碎，按照表2中配合比要求將其與適量的水進(jìn)行攪拌混合均勻后，加入水泥與礦粉繼續(xù)攪拌制成混合料漿；將發(fā)泡劑和水按稀釋倍率50的要求進(jìn)行等比例稀釋后，利用空氣壓縮發(fā)泡機(jī)產(chǎn)生均勻致密的泡沫群，隨后分別將混合料漿和泡沫群混合攪拌均勻．將拌和物倒入尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體模具中成型，待硬化成型后拆模即可得到摻陶瓷拋光渣泡沫輕質(zhì)土試塊，將試塊放入溫度為(20±2) ℃、相對濕度為95%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)．

1.4 試驗(yàn)內(nèi)容

根據(jù)技術(shù)規(guī)程中相關(guān)試驗(yàn)要求，對摻陶瓷拋光渣泡沫輕質(zhì)土進(jìn)行流動性、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，以及飽和吸水率等性能的測試．流動性測試中先將空心圓筒置于光滑濕潤平板中心處，隨后在空心圓筒中倒入新制拌和物，將表面刮平后垂直提升圓筒，用游標(biāo)卡尺分別在正交方向上測量圓餅狀塌落體的直徑，取二者平均值為泡沫輕質(zhì)土的流動值．

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)采用萬能材料試驗(yàn)機(jī)，分別對齡期為7，14和28 d的標(biāo)準(zhǔn)立方體輕質(zhì)土試塊進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試．試驗(yàn)過程中控制加載速率恒定為2 kN/s，直至試件發(fā)生破壞并記錄峰值強(qiáng)度，取三個試塊峰值強(qiáng)度的平均值作為最終的抗壓強(qiáng)度．

吸水率測試方法參考文獻(xiàn)[10]，取28 d齡期的試塊浸泡于常溫水容器內(nèi)，并保證試塊完全處于水面以下，記錄不同浸泡時(shí)間(0、0.5、1、2、4、8、14、28 d)后試塊的質(zhì)量，試塊的體積吸水率為

(1)

式中：Wv為輕質(zhì)土體積吸水率；m0和V0分別為試驗(yàn)前泡沫輕質(zhì)土初始質(zhì)量與體積；mi為浸泡第i天泡沫輕質(zhì)土的質(zhì)量；ρw為水的天然密度．

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 流動性

各組輕質(zhì)土試樣在攪拌完成后立即進(jìn)行流動性測試，圖2為不同設(shè)計(jì)濕密度與陶瓷拋光渣摻量時(shí)泡沫輕質(zhì)土的流動值．文獻(xiàn)[16]在研究不同礦物摻和料對水泥砂漿流動性影響時(shí)指出，礦物摻和料對水泥漿體流動性的改善作用主要與礦物顆粒形貌效應(yīng)及微集料效應(yīng)有關(guān)．陶瓷拋光渣的顆粒較水泥顆粒更細(xì)，且顆粒表面形態(tài)不規(guī)則，這導(dǎo)致陶瓷拋光渣顆粒比表面積更大，顆粒表面吸附水較多，因此在陶瓷拋光渣摻量由30%增大至50%時(shí)，泡沫輕質(zhì)土的流動值幾乎呈線性降低趨勢；另一方面，陶瓷拋光渣具有的微集料效應(yīng)使得顆粒能夠填充于水泥顆粒之間的孔隙中，替代孔隙中的自由水，這在一定程度上能改善泡沫輕質(zhì)土的流動性．陶瓷拋光渣顆粒的形貌效應(yīng)與微集料效應(yīng)相互作用，共同影響著泡沫輕質(zhì)土的流動性，而當(dāng)陶瓷拋光渣顆粒完全填充于孔隙中時(shí)，其摻量進(jìn)一步的增大對泡沫輕質(zhì)土流動性的影響很?。?/p>

圖2 濕密度和陶瓷拋光渣摻量對泡沫輕質(zhì)土流動性的影響

2.2 飽和吸水特性

通過對不同初始濕密度時(shí)摻陶瓷拋光渣泡沫輕質(zhì)土吸水特性進(jìn)行測試，得到不同初始濕密度條件下泡沫輕質(zhì)土濕密度隨浸泡時(shí)間的變化曲線，見圖3a)．由圖3a)可知：初始濕密度對泡沫輕質(zhì)土的飽和吸水特性影響顯著，初始濕密度越小，泡沫輕質(zhì)土在浸泡初期的濕密度增長幅度越大，且最終飽和(28 d)吸水率越大．根據(jù)式(1)計(jì)算得到泡沫輕質(zhì)土吸水率隨浸泡時(shí)間的變化曲線，見圖3b)．由圖3b)可知：初始濕密度為500 kg/m3時(shí)，其飽和吸水率達(dá)到了26.1%；而初始濕密度為1 000 kg/m3時(shí)，其飽和吸水率僅為6.5%．這是因?yàn)榕菽p質(zhì)土初始濕密度越小，其內(nèi)部孔隙越多，且存在更多的相互連通的孔隙，因此在長期的浸泡過程中外部水進(jìn)入內(nèi)部孔隙中，造成其濕密度不斷增大．由此可知，泡沫輕質(zhì)土初始濕密度越小，其水穩(wěn)定性越差，在長期的水環(huán)境中容易吸水增重，降低了泡沫輕質(zhì)土的減荷效果，因此在實(shí)際工程中需特別注重輕質(zhì)路基結(jié)構(gòu)的防排水設(shè)計(jì)．

圖3 初始濕密度對泡沫輕質(zhì)土吸水特性的影響

圖4為濕密度為600 kg/m3時(shí)，不同陶瓷拋光渣摻量時(shí)泡沫輕質(zhì)土濕密度隨浸泡時(shí)間的變化曲線．由圖4可知：陶瓷拋光渣摻量對泡沫輕質(zhì)土的吸水特性也具有一定的影響，隨著陶瓷摻量由30%增大到60%，輕質(zhì)土吸水率22.8%減小至17.5%，說明適當(dāng)?shù)奶岣吲菽p質(zhì)土中陶瓷拋光渣的摻量，有助于提高其水穩(wěn)定性．

圖4 陶瓷拋光渣摻量對泡沫輕質(zhì)土吸水特性的影響

2.3 強(qiáng)度特性

圖5為不同齡期時(shí)，泡沫輕質(zhì)土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨濕密度的變化曲線．由圖5可知：泡沫輕質(zhì)土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨濕密度的增大呈非線性增大趨勢，此外，隨著濕密度的增大，不同齡期間的強(qiáng)度差也逐漸增大．摻陶瓷拋光渣泡沫輕質(zhì)土內(nèi)部主要由水泥、礦粉與部分陶瓷拋光渣經(jīng)水化反應(yīng)形成的膠結(jié)硬化體、未參與反應(yīng)的陶瓷拋光渣，以及大量氣孔組成，未參與反應(yīng)的陶瓷拋光渣作為微細(xì)集料可以起到填充作用，而包裹著氣孔的膠結(jié)硬化體與細(xì)集料為強(qiáng)度的主要來源．

圖5 泡沫輕質(zhì)土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨濕密度變化曲線

泡沫輕質(zhì)土濕密度主要通過其內(nèi)部氣泡率來進(jìn)行調(diào)節(jié)，濕密度越小，對應(yīng)其內(nèi)部氣泡率越大，氣孔數(shù)量越多，且內(nèi)部存在連通孔隙的可能性越大，宏觀上表現(xiàn)為強(qiáng)度降低；而濕密度越大，氣泡率較低，內(nèi)部以膠結(jié)硬化體和微細(xì)集料為主，整體結(jié)構(gòu)較為密實(shí)，宏觀上表現(xiàn)為強(qiáng)度的增大．根據(jù)技術(shù)規(guī)程中相關(guān)要求，泡沫輕質(zhì)土應(yīng)用于城市快速路、一級公路及高速公路上路床時(shí)，其28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不得低于0.8 MPa；應(yīng)用于路堤時(shí)，其28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不得小于0.4 MPa．因此，在實(shí)際工程中建議摻陶瓷拋光渣泡沫輕質(zhì)土濕密度不低于700 kg/m3．

由圖5可知：泡沫輕質(zhì)土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與濕密度間近似符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系，采用式(2)中指數(shù)函數(shù)對二者關(guān)系進(jìn)行擬合.式中：qu為抗壓強(qiáng)度；ρ為濕密度；A和B為擬合參數(shù)．指數(shù)函數(shù)式(2)的擬合效果良好，相關(guān)系數(shù)均在0.975以上，因此，可采用該式對不同濕密度條件下?lián)教沾蓲伖庠菽p質(zhì)土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測．

qu=A·exp(Bρ)

(2)

圖6為泡沫輕質(zhì)土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨陶瓷拋光渣摻量的變化曲線．由圖6可知：隨陶瓷拋光渣摻量的增大，泡沫輕質(zhì)土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度初始時(shí)增大，在摻量為40%時(shí)達(dá)到最大值．由于陶瓷拋光渣中SiO2和Al2O3等硅鋁氧化物含量較高，可一定程度起到調(diào)節(jié)水泥-礦粉-陶瓷拋光渣復(fù)合膠凝體系中硅鋁成分的作用，加速水化產(chǎn)物的產(chǎn)出，從而提高泡沫輕質(zhì)土的強(qiáng)度；此外陶瓷拋光渣顆粒較細(xì)，可作為微細(xì)集料起到一定的填充作用，提高泡沫輕質(zhì)土孔隙結(jié)構(gòu)的密實(shí)度．因此，適量摻入陶瓷拋光渣對于泡沫輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度的提高具有有益的作用．在陶瓷拋光渣摻量達(dá)到40%以后，導(dǎo)致復(fù)合反應(yīng)體系中硅酸鹽水泥的摻比過少，使得水化反應(yīng)變?nèi)?，且未參與水化反應(yīng)的陶瓷拋光渣顆粒增多導(dǎo)致氣泡易受到擠壓發(fā)生破裂，內(nèi)部形成連通的大孔隙，因而泡沫輕質(zhì)土強(qiáng)度反而出現(xiàn)較大幅度降低．這與秦志生[16-17]得到的結(jié)論類似，所不同的是二者在研究將陶瓷拋光渣作為混凝土外摻料時(shí)得到的最佳摻量為30%．

圖6 泡沫輕質(zhì)土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨陶瓷拋光渣摻量變化曲線

綜上可知，根據(jù)《技術(shù)規(guī)程》以及《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》中對于泡沫輕質(zhì)土流動度、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度等關(guān)鍵性能指標(biāo)的要求，摻入適當(dāng)陶瓷拋光渣的泡沫輕質(zhì)土可以應(yīng)用于輕質(zhì)路堤填筑施工．根據(jù)本文的試驗(yàn)結(jié)果，建議摻陶瓷拋光渣泡沫輕質(zhì)土設(shè)計(jì)濕密度不小于700 kg/m3．

3 結(jié) 論

1) 濕密度對泡沫輕質(zhì)土流動性影響較小，而陶瓷拋光渣摻量對泡沫輕質(zhì)土流動性影響較為明顯，摻量的提高會顯著降低泡沫輕質(zhì)土的流動性，且在摻量為50%時(shí)流動值最低為165 mm．

2) 泡沫輕質(zhì)土作為典型多孔材料，其濕密度越小，氣泡率越大，在長期浸水環(huán)境下飽和吸水率越高；而陶瓷拋光渣顆粒較細(xì)，在泡沫輕質(zhì)土中可起到孔隙填充作用，適當(dāng)摻入陶瓷拋光渣可降低泡沫輕質(zhì)土的飽和吸水率，提高其水穩(wěn)定性．

3) 泡沫輕質(zhì)土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨濕密度的增大呈指數(shù)增長，隨陶瓷拋光渣摻量的增大呈先增大后減小趨勢，且在摻量為40%時(shí)達(dá)到最大值；根據(jù)技術(shù)規(guī)程中對于泡沫輕質(zhì)土流動值與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的要求，建議摻陶瓷拋光渣泡沫輕質(zhì)土設(shè)計(jì)濕密度不小于700 kg/m3．