低吸水率陶瓷再生砂對砂漿力學和干燥收縮性能的影響及機理研究

楊醫博,梁宋梭,劉福財,謝 銳,歐錦盛,郭文瑛,王恒昌

(1.華南理工大學,土木與交通學院,廣州 510641;2.華南理工大學,亞熱帶建筑與城市科學全國重點實驗室,廣州 510641;3.廣東蓋特奇新材料科技有限公司,清遠 511600)

0 引 言

我國每年生產超過100億平方米的陶瓷墻地磚,由于變形、開裂、破損等產生大量燒成廢棄陶瓷,且通常只能填埋處理,急需開展資源化利用研究[1]。我國每年建設用砂需求量達70億噸,若將廢棄陶瓷制成陶瓷再生砂(以下簡稱陶瓷砂)用作建設用砂,不僅可以將陶瓷廢棄物資源化,還可以減少河砂等自然資源的開采。

國內外學者對陶瓷砂制備砂漿開展了部分研究。Evangelista等[2]采用吸水率為8.9%的陶瓷砂制備水膠比為0.55的砂漿,結果表明,隨著陶瓷砂質量取代率的提高,砂漿力學強度先提高后降低,當質量取代率為50%時力學性能最好,當質量取代率為100%時,28 d抗壓強度和劈裂抗拉強度分別比普通砂漿降低了23.1%和67.3%,這是因為陶瓷砂吸水率較高導致砂漿成型時工作性能較差,孔隙率過高從而降低力學性能。Higashiyama等[3]采用吸水率為0.47%的陶瓷砂制備砂膠比為2.0、水膠比為0.5的砂漿,結果表明,砂漿的抗壓強度有所提高,在7、28、91 d時分別比普通砂漿提高了20.4%、13.7%、21.2%,同時孔隙率也比河砂砂漿小。Tutkun等[4]采用吸水率為1.53%的陶瓷砂制備水膠比為0.5的砂漿,結果表明,陶瓷砂的摻入雖然降低了砂漿的工作性能,但是能夠提供更好的界面黏結力和一定的火山灰效應,隨著陶瓷砂體積取代率的提高,砂漿力學性能并沒有明顯下降,在體積取代率為40%時效果最好,陶瓷砂砂漿28 d抗壓強度與普通砂漿相同。劉新海等[5-6]采用陶瓷砂配制M2.5級的普通砂漿,結果表明,陶瓷砂質量取代率達到100%時抗壓強度達到最大,砂漿強度能夠提高1～2個等級。劉子毅[7]采用陶瓷砂配制水膠比為0.4的砂漿,結果表明,當質量取代率為100%時,7 d齡期前砂漿力學性能有所下降,28 d齡期時則大致相等,但還是比普通砂漿略低,其原因是陶瓷砂高吸水性抑制水化反應,導致早期力學性能下降,但隨著齡期增長,陶瓷砂摻入有助于優化漿體孔結構,提高強度。綜上所述,目前相關研究主要集中在水膠比較高(≥0.4)的低強砂漿,并且由于廢棄陶瓷來源和性能不同,陶瓷砂的性能存在差異,其對砂漿性能影響也不同,有些陶瓷砂會降低強度,而有些則能夠提高強度。

我國陶瓷墻地磚主要為吸水率小于0.5%的瓷質陶瓷墻地磚,通常由5 000～6 000 t壓機高壓成型,并在1 200 ℃左右高溫煅燒制備而成,具有致密的結構和很高的強度,將其破碎得到的陶瓷砂也應具有較低的吸水率和較高的強度,在高強砂漿中具有良好的應用前景。本研究采用工業化制砂設備將廢棄低吸水率瓷質陶瓷墻地磚制備成陶瓷砂,在對陶瓷砂性能分析的基礎上,以陶瓷砂等體積全取代河砂,開展了水膠比為0.45、0.35和0.25的陶瓷砂砂漿性能的系統研究,并對其影響機理進行分析。

1 實 驗

1.1 原材料

廢棄陶瓷墻地磚:廣東某瓷磚廠生產的不符合出廠要求的表面帶釉、規格為600 mm×600 mm的廢棄低吸水率瓷質陶瓷墻地磚,按照《陶瓷磚》(GB/T 4100—2015)有關規定進行性能試驗,結果見表1。

表1 廢棄陶瓷墻地磚的性能

膠凝材料:水泥、礦粉、硅灰。其中水泥為廣州石井水泥公司生產的石井P·S·A 32.5礦渣硅酸鹽水泥和廣州市珠江水泥有限公司生產的粵秀P·Ⅱ 52.5R普通硅酸鹽水泥,水泥的物理性能見表2;礦粉為廣東蓋特奇新材料科技有限公司提供的S95級粒化高爐礦渣粉,密度為2 900 kg/m3,比表面積為409 m2/kg,28 d活性指數為103.2%,流動度比為104%;硅灰為廣東蓋特奇新材料科技有限公司提供的90#半加密硅灰,密度為2 110 kg/m3,活性指數為105%～130%,需水量比為116%～122%。

表2 水泥的物理性能

細骨料:河砂和陶瓷砂。河砂為廣東當地河砂,陶瓷砂是采用中試的工業化制砂設備制備的陶瓷砂。

粗骨料:5～10 mm和5～25 mm的花崗巖碎石,物理性能和篩分結果見表3。

表3 碎石的物理性能和篩分結果

減水劑:廣東蓋特奇新材料科技有限公司提供的聚羧酸減水劑,固含量為22.5%。

水:廣東當地自來水。

1.2 試驗方案

首先利用中試的工業化制砂設備制備陶瓷砂,然后對陶瓷砂進行物理性能和微觀結構分析。

在三種不同水膠比(0.45、0.35和0.25)的河砂砂漿配合比的基礎上,用陶瓷砂等體積全取代河砂,并通過調整減水劑摻量(需同時調整用水量,保持總用水量一致),保持砂漿流動度為(180±5) mm,確定陶瓷砂砂漿配合比。

測定陶瓷砂砂漿和河砂砂漿的濕表觀密度,3、7、28、90、180、365 d抗折和抗壓強度,28 d軸心抗壓強度和彈性模量,28 d干燥收縮值等,并進行機理分析。

1.3 試驗方法

按照《建設用砂》(GB/T 14684—2022)和《混凝土和砂漿用再生細骨料》(GB/T 25176—2010)相關規定測試細骨料物理性能。

按照《水泥膠砂流動度測定方法》(GB/T 2419—2005)進行流動性試驗,按照《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》(JGJ/T 70—2009)進行濕表觀密度試驗。

按照《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》(GB/T 17671—2021)進行抗折和抗壓強度試驗,試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm;按照《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》(JGJ/T 70—2009)進行砂漿軸心抗壓強度和彈性模量試驗,試件尺寸為70.7 mm×70.7 mm×220 mm;按照《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》(JGJ/T 70—2009)進行砂漿干燥收縮試驗,試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm。

從抗壓強度試驗破壞后的試件中部取體積約50 mm3的碎片,立即用無水乙醇完全浸泡密封儲存,將其置于陰暗干燥環境中。在電鏡試驗開始前,將試樣取出置于真空干燥箱抽真空24 h,隨后對試樣進行噴金處理,然后采用HITACHI-SU 8220超高分辨率冷場發射掃描電子顯微鏡(SEM)進行觀察;在壓汞試驗開始前,將試樣取出置于真空干燥箱抽真空24 h,然后采用AutoPore IV 9605型高性能全自動壓汞儀測試試樣的總孔隙率和孔隙分布情況。

2 結果與討論

2.1 陶瓷砂制備及性能

2.1.1 陶瓷砂制備工藝

陶瓷砂的制備工藝分為兩步:第一步是初破,由于陶瓷墻地磚厚度較薄,采用顎式破碎機破碎效果不佳,因此采用人工破碎的方法進行初破;第二步是將初破后的陶瓷碎片人工上料至振動給料機,再通過振動給料機和傳送帶運至振動篩上進行篩分,大于5 mm的陶瓷碎片通過傳送帶傳送至高效制砂機制砂,循環破碎至所有的陶瓷碎片破碎成粒徑不大于5 mm的陶瓷砂。制備工藝流程見圖1。

圖1 陶瓷砂制備工藝

2.1.2 陶瓷砂物理性能

細骨料物理性能試驗結果見表4,級配曲線見圖2。

圖2 細骨料級配曲線

表4 細骨料物理性能對比

由表4和圖2可見:采用中試的工業化設備制備的陶瓷砂級配良好,石粉含量、亞甲基藍值(MB值)和空隙率均符合機制砂要求。陶瓷砂的壓碎指標滿足Ⅰ類機制砂要求,且小于河砂;再生膠砂強度比為1.02,遠高于河砂的0.81;而表觀密度則明顯小于河砂,說明陶瓷砂是一種輕質高強的細骨料。陶瓷砂的飽和面干吸水率僅為1.92%,達到《高性能混凝土用骨料》(JG/T 568—2019)規定的Ⅰ級人工砂飽和面干吸水率小于等于2%的要求;需水量比和河砂相同。這表明本研究制備的陶瓷砂是一種低吸水性材料,在砂漿配合比設計中可以不考慮其吸水率引起的附加用水量,簡化配合比設計。

2.1.3 陶瓷砂微觀結構

陶瓷砂的SEM照片見圖3,陶瓷砂的壓汞試驗結果見圖4。由圖3(a)可見,陶瓷砂表面致密,有大量1～20 μm的微小孔隙,同時其表面附著大量1～5 μm的碎屑,且有些碎屑填充在表面孔中;由圖3(b)可見,這些碎屑在水洗過程中會脫落和填充到表面孔隙中。由圖4可見,不管陶瓷砂是否含釉面,其孔隙率均很小,且孔隙大部分在1 000 nm以上。結合陶瓷砂的飽和面干吸水率只有1.92%的結果可知,陶瓷砂的吸水率主要來源于水在陶瓷砂表面開口孔的填充以及碎屑的表面吸附,陶瓷砂內部不存在大量的連通孔。

圖3 水洗前后陶瓷砂的SEM照片

圖4 陶瓷砂的壓汞試驗結果

2.2 砂漿配合比及性能

2.2.1 砂漿配合比和濕表觀密度

調整得到工作性能滿足要求的砂漿配合比,見表5。由表5可見,在相同水膠比、膠凝材料組成和砂漿工作性能的情況下以陶瓷砂等體積取代河砂制備砂漿,陶瓷砂砂漿和河砂砂漿的實際配合比略有差異,與河砂砂漿相比,陶瓷砂砂漿的膠凝材料用量增加1.4%～3.4%,減水劑用量減低2.5%～5.2%,濕表觀密度降低1.7%～3.3%。

表5 砂漿的配合比

陶瓷砂砂漿配合比中膠凝材料用量略高的原因有以下兩點:陶瓷砂的松散孔隙率略高于河砂,因此需要較多的漿體填充孔隙;陶瓷砂由陶瓷磚破碎得到,類似機制砂,其表面粗糙,且表面有大量微小孔隙和較多的微細石粉,在相同體積下陶瓷砂的比表面積更大,需要更多的膠凝材料包裹。

陶瓷砂中含有較多1～5 μm的微粉,能夠填充膠凝材料中的孔隙,起到一定的礦物減水劑的作用,從而略微降低了減水劑用量。

陶瓷砂本身表觀密度較低,且實際砂漿中骨料體積略低,從而使陶瓷砂砂漿濕表觀密度也略有降低。

2.2.2 砂漿力學性能

砂漿的力學性能試驗結果見圖5和圖6。由圖5和圖6可見:在同樣水膠比時,陶瓷砂砂漿的抗壓強度、抗折強度、軸心抗壓強度、彈性模量等力學性能均明顯優于河砂砂漿;兩種砂漿的抗壓強度均隨著齡期的增長逐漸增加,但陶瓷砂砂漿的抗壓強度增加幅度更大,至90 d(水膠比為0.25)或180 d(水膠比為0.45和0.35)后二者的差距才趨于穩定。陶瓷砂能夠提高較低強度砂漿的力學性能,這與Evangelista等[2,5-6]的研究結論相一致。

圖5 砂漿的抗壓強度和抗折強度

圖6 砂漿的軸心抗壓強度和彈性模量

28 d齡期時,與相同水膠比河砂砂漿相比,在水膠比為0.45、0.35和0.25時,陶瓷砂砂漿抗壓強度分別增加了16.3、19.7和23.4 MPa,提高了3～4個強度等級,抗壓強度提高幅度分別為39.1%、26.8%和24.6%,抗折強度提高幅度分別為22.5%、17.3%和10.2%,軸心抗壓強度提高幅度分別為48.3%、39.5%和45.4%,彈性模量提高幅度分別為27.7%、23.3%和12.9%。水膠比越大,抗壓強度、抗折強度和彈性模量提高幅度越大。

2.2.3 砂漿干燥收縮性能

砂漿的干燥收縮結果見圖7。由圖7可見,在同樣水膠比時,陶瓷砂砂漿的3 d至28 d的干燥收縮值均低于河砂砂漿,且水膠比越大,干燥收縮值減小越明顯,水膠比為0.45、0.35、0.25的陶瓷砂砂漿28 d干燥收縮值分別減小了45.7%、17.9%和5.3%。同樣骨料的砂漿中,隨著水膠比增大,干燥收縮值越大,與現有研究規律一致。

圖7 砂漿的干燥收縮值

2.3 機理分析

用陶瓷砂等體積取代河砂制備砂漿,砂漿的力學性能得到顯著提升,28 d干燥收縮值顯著減小,且水膠比越大,砂漿性能改善越明顯。陶瓷砂提高強度、降低干燥收縮的機理可以從以下三個方面進行解釋:

1)陶瓷砂強度更高。陶瓷砂的壓碎指標僅為15.96%,遠低于河砂的32.99%。

2)陶瓷砂改善界面過渡區(interfacial transition zone, ITZ)。陶瓷砂表面粗糙,且表面有大量1～20 μm的微小孔隙,這使得水泥石和陶瓷砂界面黏結性能更好。

3)陶瓷砂中微粉改善了水泥石微觀結構。陶瓷砂含有很多1～5 μm的微粉,其能夠填充到水泥顆粒之間,作為微細骨料,從而減小孔隙率,細化毛細孔,提高強度,降低干燥收縮。

28 d齡期時三種水膠比砂漿的SEM照片見圖8,砂漿的孔結構分析結果見圖9。扣除陶瓷砂中的孔隙率后(以砂漿中不同孔徑范圍的孔隙率減去砂漿中陶瓷砂的體積與陶瓷砂中相應孔徑范圍的孔隙率的乘積計算得到),砂漿中漿體的孔結構分析結果見圖10。

圖9 砂漿孔結構分析結果

圖10 漿體的孔隙率

由圖8可見,隨著水膠比的降低,砂漿的微觀結構更加致密。在同樣水膠比砂漿中,陶瓷砂砂漿中陶瓷砂和漿體結合緊密,界面過渡區無可見裂縫;陶瓷砂表面孔隙被水化產物填充密實,起到良好的嵌固作用,且水泥石中可見微小的陶瓷砂顆粒填充,使得界面過渡區和漿體更為致密。這一試驗結果也和Siddique等[8-11]的研究結論相接近。

由圖9(a)可見,隨著水膠比的增加,砂漿的孔徑分布曲線逐漸向下移動,孔隙率逐漸減小。同水膠比情況下,陶瓷砂砂漿的孔徑分布曲線的峰值點出現得更早,曲線整體向左移動,說明其孔徑更小,且小孔所占比例更大。由圖9(b)和圖10均可見,隨著水膠比減小,兩種砂漿的孔隙率均呈下降的趨勢。

由圖10可見,在同樣水膠比時,與河砂砂漿相比,陶瓷砂砂漿的孔隙率更低。按照混凝土中孔隙分布的一般方法[12],可將孔隙按孔徑分為凝膠孔(<10 nm)、過渡孔(10～<100 nm)、毛細孔(100～<1 000 nm)和大孔(≥1 000 nm)。在三種水膠比的砂漿中,陶瓷砂砂漿的凝膠孔和過渡孔體積均大于河砂砂漿;而大孔和毛細孔體積均低于河砂砂漿,其中毛細孔的差異以0.45水膠比的砂漿最大,這表明陶瓷砂砂漿孔結構細化,結構更加致密,其強度更高,這與前述理論分析一致。

毛細孔體積影響砂漿的干燥收縮性能,毛細孔越多,干燥引起的收縮應力越大。在三種水膠比的砂漿中,陶瓷砂砂漿的毛細孔體積均低于河砂砂漿,陶瓷砂砂漿的收縮應力較小;此外,在相同水膠比情況下,陶瓷砂砂漿較高的強度和彈性模量使其有更好的抵抗收縮變形的能力,這會進一步降低干燥收縮值,因此陶瓷砂砂漿的干燥收縮值低于河砂砂漿。在三種水膠比的砂漿中,0.45水膠比的砂漿中水含量高,干燥收縮值較大,采用陶瓷砂后,砂漿中毛細孔體積降低幅度最大,且強度增加幅度較大,故陶瓷砂取代河砂后,0.45水膠比砂漿的干燥收縮值降低明顯;而在高強砂漿中,由于砂漿中用水量少,其早期自收縮較大,而干燥收縮值較低,采用陶瓷砂取代河砂后,對干燥收縮值影響較小。因此最終表現為隨著水膠比增加,采用陶瓷砂取代河砂后,砂漿干燥收縮值降低幅度越大。

3 結 論

1)以低吸水率瓷質陶瓷墻地磚為原材料通過中試的工業化設備制備的陶瓷砂具有吸水率低、表觀密度小、壓碎指標低、級配良好的特點,是一種輕質高強的細骨料。

2)在水膠比、膠凝材料組成和工作性能相同的情況下,以陶瓷砂等體積全取代河砂制備砂漿,水膠比為0.45、0.35和0.25的三種陶瓷砂砂漿的力學性能均明顯提高,且28 d的干燥收縮值分別降低了45.7%、17.9%和5.3%。水膠比越大,陶瓷砂砂漿的抗壓強度、抗折強度和彈性模量提高幅度越大,干燥收縮值降低幅度越大。

3)陶瓷砂全取代河砂明顯提高砂漿強度并降低干燥收縮值的機理:一是陶瓷砂本身強度更高;二是陶瓷砂表面粗糙且有大量1～20 μm的微小孔隙,改善了界面過渡區結構;三是陶瓷砂含有很多1～5 μm的微粉,其作為微細骨料,改善了水泥石微觀結構。