探討攪拌速度和攪拌時間對無機人造石材力學性能的影響

李浩輝

（廣州市建筑科學研究院集團有限公司，廣東 廣州 510440；廣東原創(chuàng)新材料科技有限公司，廣東 英德 531000）

0 引言

在建筑裝飾領(lǐng)域，天然石材以高檔、美觀、耐久性好等優(yōu)點受到了人們的青睞[1]，但天然石材屬于不可再生資源，開采過程石材可利用率較低并引發(fā)一系列不符合國家綠色發(fā)展的環(huán)境污染問題，造成天然石材行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展受到制約。相對于天然石材，人造石材既具有天然石材的優(yōu)點，也可彌補天然石材不夠環(huán)保、花紋不可設(shè)計、部分具有輻射性等缺點，隨著大眾對石材產(chǎn)品品質(zhì)需求的日益增高，以及環(huán)保意識的不斷加強，具有綠色、環(huán)保、耐用的無機人造石材逐漸受到市場的青睞，無機人造石材占建筑裝飾材料市場比重也逐步加大[2-3]。目前無機人造石材已在國內(nèi)地鐵站、商場、機場、火車站、高鐵站等各類應(yīng)用場景中得到推廣應(yīng)用，取得了不錯的成績。

近年來，廣大學者對無機人造石進行了研究。黃習旋等[4]分析了高性能無機人造石的改性研究、應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢；熊春楊等[5]通過優(yōu)化骨料顆粒級配，膠凝材料用量已經(jīng)以及乳液的摻入量進一步提高無機人造石的強度和低吸水率。張鵬等[6]分析了骨料級配對水泥基板材性能的影響；吳澤恩[7]通過分析人造石材料中骨料與無機膠凝物質(zhì)之間的相互作用，致力于更多輕質(zhì)、高強、多功能人造石材料及制品；雷翅等[8]通過分析人造石材的研究與發(fā)展現(xiàn)狀，提出了未來人造石的發(fā)展建議。但關(guān)于無機人造石材制備攪拌工藝的相關(guān)研究較少，本文針對無機人造石材，采用對比試驗，探討不同的攪拌速度和攪拌時間，其對無機人造石材力學性能的影響進行研究，希望為無機人造石生產(chǎn)廠家的生產(chǎn)制備提供一定的借鑒。

1 原材料和試驗方法

1.1 原材料

（1）骨料。20~40 目、40~70 目和70~120 目粒徑機制石英砂組成，莫氏硬度為7，含水率＜0.03%，機制石英砂的物理性能如表1 所示。

表1 機制石英砂的物理性能

（2）石英粉。由石英粉和碳酸鈣粉組成，兩者比例為7:3，目數(shù)都為325~400 目。

（3）膠凝材料為普通硅酸鹽水泥P.O 52.5。

（4）其他添加劑包括減水劑、增稠劑、乳液、自來水等。

1.2 試驗方法

本次使用的攪拌機是某市生產(chǎn)的立式行星式攪拌機，自帶變頻控制攪拌速度和攪拌時間記錄軟件。

本試驗將膠凝材料、骨料、石英粉依次倒入攪拌機中，使之混合均勻；然后將稱量好的自來水、減水劑、增稠劑、乳液等添加劑依次緩慢加入攪拌機中，使之攪拌均勻；將攪拌好的物料倒入提前鋪放牛皮紙的模具中；在處理好的物料表面覆蓋一層緩沖墊，后將其與模具整體放置于振動壓力機進行壓制成型；成型后馬上進行脫模，放置室內(nèi)自然養(yǎng)護；養(yǎng)護至7d 后進行壓縮強度、彎曲強度及吸水率測試。無機人造石的力學性能測試是根據(jù)標準《人造石試驗方法 第2 部分 彎曲強度的測定》（DB44/T 1100.2—2012）和《合成石材試驗方法 第1 部分 密度和吸水率的測定》（GB/T 35160.1—2017）。

2 無機人造石的制備和研究

2.1 攪拌速度對無機人造石力學性能的影響

為了探討攪拌速度對無機人造石性能的影響，提前把準備好的相同分量膠凝材料、骨料以及石英粉依次放入攪拌機中，同時提前準備好相同分量的自來水、增稠劑、減水劑等添加劑。通過對攪拌機進行控溫處理，使其攪拌前的溫度以及其他物理狀態(tài)保持一致。通過改變攪拌機的變頻控制器的調(diào)速檔位，從而控制攪拌機的攪拌速度，使其在相同的攪拌時間內(nèi)達到相應(yīng)的可壓制物料狀態(tài)，經(jīng)同樣的時間養(yǎng)護處理后進行其他力學性能的試驗。攪拌速度對無機人造石的力學性能影響如表2 所示。

表2 攪拌速度對無機人造石的力學性能影響

從表2 可以看出，不同攪拌速度對無機人造石的性能影響較大。當攪拌速度過低時，板材的抗折強度和抗壓強度較低，吸水率相對較高，板材表面出現(xiàn)明顯的粉團現(xiàn)象。主要原因是由于攪拌速度較低，石英粉和膠凝材料易團聚，不易充分打散，隨著自來水、乳液等液體的加入，導(dǎo)致很多粉團無法充分與液體進行包裹浸潤，進行水化反應(yīng)，導(dǎo)致部分團聚粉團，加大骨料間膠結(jié)面的孔隙缺陷概率，不利于后期強度的增長，而且團聚的粉團在養(yǎng)護后在板材表面易形成粉團現(xiàn)象，如圖1所示。隨著攪拌速度的增加，無機人造石的抗折強度、抗壓強度都逐漸增大，吸水率逐步降低，板材表面效果逐漸變好，粉團出現(xiàn)的概率也逐漸減少。在攪拌速度達到40Hz 時，達到最大值。相比較低攪拌速度為25Hz時，抗折強度和抗壓強度分別提高了1.9MPa，12.5MPa，增幅比例為14.3%，10.4%，板材表面效果也得到明顯提高。主要原因是隨著攪拌速度的增大，團聚的石英粉和膠凝材料被打散重組，粉體與加入的液體充分包裹浸潤，使得無機人造石內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得更為致密。而隨著水泥水化反應(yīng)的不斷進行，生成的水化產(chǎn)物越來越多，骨料間的黏結(jié)力得到增強，無機人造石內(nèi)部能夠形成良好的嵌固體。因此，抗折強度和抗壓強度逐漸增強，吸水率則逐漸降低。隨著攪拌速度繼續(xù)增大，抗折強度和抗壓強度逐漸降低，但降低速度相對變緩，同步吸水率也相應(yīng)升高，板面效果逐步出現(xiàn)坑洞等。主要原因是由于攪拌速度過大，前期骨料摩擦產(chǎn)生過高的熱量，導(dǎo)致膠凝材料過早的發(fā)生化學反應(yīng)，形成硬團，在后續(xù)的攪拌中不易分散，在養(yǎng)護過程中不易與骨料形成較強的粘接力，從而在后期的磨拋過程中脫砂形成表面坑洞現(xiàn)象。因此，考慮到試驗的經(jīng)濟性，后續(xù)試驗采用攪拌速度為40Hz。

圖1 板材出現(xiàn)粉團現(xiàn)象

2.2 攪拌時間對無機人造石力學性能的影響

為了探討攪拌時間對無機人造石力學性能的影響，采用攪拌速度為40Hz，同一分量的骨料、石英粉以及相同分量的自來水、減水劑、增稠劑等添加劑。試驗采用攪拌時間為3min、4min、5min 和6min 進行對比試驗。為保證無機人造石物料狀態(tài)，根據(jù)現(xiàn)場物料狀態(tài)把水灰比0.1 調(diào)整為0.2，探究攪拌時間對無機人造石力學性能的影響，試驗結(jié)果如表3 所示。

表3 攪拌時間對無機人造石的力學性能影響

從表3 可以看出，在同樣40Hz 的攪拌速度下，攪拌時間的長短對無機人造石的力學性能有關(guān)鍵性的影響。當攪拌時間為3min 時，板材的抗折強度和抗壓強度較低，吸水率偏高，板材表面還存在局部蜂窩現(xiàn)象。表明物料攪拌時間過短，膠凝材料與添加劑未達到預(yù)設(shè)狀態(tài)，膠凝材料、石英粉體與添加劑沒有達到充分浸潤包裹的狀態(tài)，膠凝材料的水化反應(yīng)未完全發(fā)生，其形成的膠結(jié)面沒牢固，與骨料之間機械咬合和物流吸附作用未完全釋放，骨料之間的孔隙缺陷較大，從板材表面效果中也可以看到板材局部出現(xiàn)蜂窩現(xiàn)象，板材表面出現(xiàn)蜂窩現(xiàn)象如圖2 所示，膠凝材料與添加劑反應(yīng)產(chǎn)生的水化物無法對表面的骨料進行完全包裹浸潤。隨著攪拌時間的延長，物料狀態(tài)逐漸變?nèi)彳洠瑘F聚的粉團經(jīng)過高速長時間的摩擦打散，石英粉與膠凝材料充分打散混合，膠凝材料表面與自來水、減水劑等添加劑充分接觸浸潤，水化反應(yīng)的水化物通過骨料的混合擠壓，填充在骨料間的孔隙，增強了骨料之間的咬合力，從而產(chǎn)生強大的粘合力。隨著攪拌時間的延長，膠凝材料產(chǎn)生的水化物不斷填充在骨料之間的孔隙。當攪拌時間達到5min 時，骨料之間的孔隙逐漸填滿，通過后期的強度增強，抗折強度和抗壓強度達到最大值，吸水率較低，板材表面最好，板材正常表面如圖3 所示。此時無機人造石的抗折強度為15，5MPa，較3min 時增加了4.9MPa，增幅為46.7%；抗壓強度為133.2MPa，較3min 時增加了27.9MPa，增幅為26.5%；吸水率為0.36%，較3min 時降低了1.29%。隨著攪拌時間繼續(xù)延長，試驗的無機人造石力學性能逐漸降低，當攪拌時間為6min 時，其抗折強度已下降至14.6MPa，抗壓強度也同步下降至129.9MPa，吸水率也從0.36%上升至0.39%。其出現(xiàn)的原因是高速攪拌時間過長，骨料與骨料之間的摩擦加劇，膠凝材料產(chǎn)生的水化物也逐漸增多，摩擦產(chǎn)生的熱量也隨之增多，熱量集聚在攪拌機內(nèi)無法及時散發(fā)，導(dǎo)致攪拌機內(nèi)的溫度逐漸變高，膠凝材料隨著溫度的升高，反應(yīng)速度也隨之加快，局部物料出現(xiàn)水化反應(yīng)過快的現(xiàn)象，即早強固化的現(xiàn)象。早強固化的物料在后期的養(yǎng)護過程中，與附和的骨料間以及水化物的膠結(jié)面粘接力不強，從而增大了在后續(xù)打磨拋光階段容易出現(xiàn)脫砂的風險。

圖2 板材表面出現(xiàn)蜂窩現(xiàn)象

圖3 板材正常表面

3 結(jié)論

（1）攪拌速度對無機人造石力學性能有著較大的影響，隨著攪拌速度的增大，無機人造石力學性能有了顯著的提高，當攪拌速度達到40Hz 時，所制備的無機人造石抗折強度、抗壓強度、吸水率和板材表面效果達較大值。此后隨著攪拌速度的增大，無機人造石的力學性能反而降低。

（2）攪拌時間對無機人造石力學性能有著關(guān)鍵性的影響，隨著攪拌時間的延長，所制備的無機人造石抗折強度、抗壓強度、吸水率和板材表面效果有著不同程度的影響，當攪拌時間達到5min 時，無機人造石板材的抗折強度、抗折強度、吸水率和表面效果均達到較好水平。

（3）攪拌速度和攪拌時間對無機人造石表面效果有著一定的影響，在攪拌速度為40Hz，攪拌時間為5min 時，無機人造石的表面效果尤為最佳。