掺入废渣粉对纤维砂浆耐久性及强度的研究

夏勇，陈嘉健，李子宏，马岸民，黄焯超

(1.佛山科学技术学院 土木工程系，广东 佛山 528000；2.佛山市技术创新协会，广东 佛山 528000)

石材工业的快速发展已逐渐成为国家主要经济支撑，然而如何对生产过程中产生的大量废渣、废浆等废弃物进行处置是目前亟需解决的问题，如果处置不当则会对生态环境、人类健康等造成极大的伤害。因而，国内外诸多科研人员研究在砂浆或混凝土中掺入石材废弃物后的影响效果[1]。

针对水泥生产过程中的高污染，有研究人员用适量石粉代替砂浆或混凝土中的水泥。由于石粉作为非活性材料掺入主要发挥填充作用，故粒径越小，填充作用越明显[2]，可改善孔结构[3]，降低孔隙率[4-5]，从而提高试件的密实度[6]，但同时水化产物减少，导致强度下降[7-8]。陈嘉健等[9-10]试验发现在混凝土中掺入石灰石粉置换水泥浆体可以降低混凝土可渗透孔隙率，在相同水灰比或相同强度下有效减小混凝土的渗水性和吸水性；Li等[11-14]试验表明在砂浆中用废大理石粉、废花岗岩粉等废石粉代替水泥浆体，均能显著地提高砂浆的强度、抗碳化性能及耐水性能，同时能够有效减小试块的收缩率，提高试块的尺寸稳定性。除此之外，有大量学者、工程人员用掺合料代替砂浆或混凝土中细骨料。有研究表明用废石屑代替15%天然砂可以提高水泥胶砂试件的强度[15]，代砂掺量为20%时能够提高混凝土早期和后期强度[16]，而将石材加工产生的废渣粉代替30%河砂添加到混凝土中可改善混凝土的力学性能及耐久性[17]。肖佳等[18]认为在混凝土中掺入石粉降低混凝土抗渗性与其导致胶砂孔结构粗化有着较好的对应关系。史才军等[19]认为石灰石粉在水泥质材料中主要发挥晶核、填充、化学和稀释作用。同时，使用碎石粉代替天然砂不仅缓解细骨料短缺问题，还可以降低施工成本、材料成本[20]，用不可生物降解的大理石废料代替河砂能减轻垃圾填埋场的负担[21]。

查询文献发现，在砂浆和混凝土中掺加掺合料的研究较多，然而在纤维砂浆中掺加掺合料的研究尚且不多，在砂浆中掺入纤维有利于提高砂浆的诸多性能[22-24]。为探索废渣粉对纤维砂浆的力学性能及耐久性能的影响，本研究将石材加工厂产生的废渣粉等体积代替标准砂添加至纤维砂浆中，通过测量试块孔隙率、吸水性和强度，探讨聚丙烯纤维、废渣粉对砂浆孔隙率、吸水性和强度的影响及孔隙率对吸水性及强度的作用。

1 实验方案

1.1 原材料

实验材料包括P.O 42.5普通硅酸盐水泥、标准砂、废渣粉、聚丙烯纤维及聚羧酸高效减水剂，废渣粉是由广东省佛山市利铭蜂窝复合材料有限公司生产时产生的石材污泥，在实验室用路事达101A-3电热鼓风干燥箱100 ℃条件下干燥24 h后，用科满仕2 500Y粉碎机将泥渣块粉碎及筛分实验，最终取粒径小于1.25 mm的渣粉，如图1所示。经测量水泥、标准砂、废渣粉、聚丙烯纤维及减水剂的密度分别为3 127、2 476、2 400、1 030和910 kg/m3。从水泥、废渣粉及标准砂的SEM图像观察到材料的几何形状不规则，如图2所示。其中水泥粒径最小，标准砂粒径最大，废渣粉粒径在二者之间，因而能优化固体材料颗粒级配。聚丙烯纤维的物理性能见表1。

(a)石材污泥 (b)泥渣块体 (c)石材泥渣粉图1 石材废渣粉图Fig.1 Image of stone waste slag powder

(a)水泥 (b)废渣粉 (c)标准砂图2 原材料SEM图Fig.2 SEM image of raw material

1.2 配合比

实验设计20组不同水灰比、不同体积废渣粉的纤维砂浆进行测量，纤维掺量是水泥质量的0.2%，水泥浆体积比(水泥、水、减水剂体积总和占砂浆体积比例)为50%，标准砂和废渣粉体积比为50%，水灰比从1.0到1.6，以0.2为级差，废渣粉代替标准砂的体积由0到20%，以5%为级差。试块用“废渣粉体积-水灰比”编号，具体配比见表2。

表1 聚丙烯纤维物理性能Tab.1 Physical properties of polypropylene fibre

表2 每方砂浆试样配合比Tab. 2 Mix design of 1m3 mortar samples

2 实验方法

2.1 强度测量

将搅拌完成的纤维砂浆倒入尺寸为40 mm×40 mm×160 mm的长方体模具中，经过振捣、抹平及静置(24±2)h后拆模，然后将试块放置在温度为(20±2)℃、相对湿度在90%以上的养护箱中养护28 d。整个实验过程中实验室温度控制在(20±5) ℃，纤维砂浆的抗压强度和抗折强度结果依据《水泥胶砂强度检验方法(ISO)》取值。

2.2 孔隙率测量

砂浆试块在养护箱中养护24 d即浸水24 d后取出，擦干试块表面水分，测量试块质量，并用排水法测量试块体积，完成以后将试块放入100 ℃干燥箱中干燥至恒重，则试块的孔隙率P可通过式(1)计算得出，最终结果取该组三个试块孔隙率的平均值。此方法测量的孔隙率为试块被水充分填充的孔隙体积与试块体积的比值。

(1)

式中：m0为试块干燥后的质量，m1为试块吸水饱和表面干燥时质量，V为试块体积，ρ为水的密度。

2.3 吸水性测量

砂浆试块的吸水性用试块的吸水系数表示。试块在标准养护条件下养护24 d后取出放入干燥箱中，在100 ℃下干燥24 h，待试块温度降至室温后将试块四周涂抹环氧树脂，然后将试块底部浅浸在水中。接着测量试块在不同时间段内的质量，计算试块质量的增量，通过式(2)求出试块底部单位表面积的吸水量，实验发现试块吸水量I与时间平方根呈线性关系，用式(3)表示

(2)

(3)

式中：ma为试块质量的增量，A为试块底部面积，k为试块的吸水系数，t为测量时间。

3 实验结果及分析

3.1 强度测量结果

试块的性能测量结果见表3，同时利用表3数据绘制抗压强度和抗折强度随水灰比变化情况，如图3和图4所示。结果表明，当水灰比相同时，使用废渣粉代替标准砂可以大幅提高纤维砂浆试块的强度，其中用废渣粉代替15%的标准砂时纤维砂浆的抗压强度最高，此结果与霍曼琳等[15]实验结果相同，而代替20%的标准砂时纤维砂浆的抗折强度达到最大。使用适量废渣粉等体积代替标准砂优化了固体颗粒级配，聚丙烯纤维填充固体颗粒之间的空隙提升了浆体密实度，使得试块的抗压强度和抗折强度均得到显著增加。但废渣粉的代替量达20%时，标准砂锐减使其骨架作用减弱，导致抗压强度下降；由于聚丙烯纤维具有良好的韧性，掺入纤维起到阻裂作用，因此抗折强度会持续上升。

表3 砂浆试块的孔隙率、吸水系数、抗压强度和抗折强度测量结果Tab. 3 Test results of poriness, sorptivity, compressive strength and flexural strength of mortar samples

图3 抗压强度随水灰比变化情况Fig.3 Variation of compressive strength with W/C ratio

图4 抗折强度随水灰比变化情况Fig.4 Variation of flexural strength with W/C ratio

3.2 孔隙率测量结果

试块的孔隙率测量结果见表3第2列及图5，从图中发现，当水灰比为1.0时，废渣粉代替标准砂体积越大，试块孔隙率越低，然而当水灰比为1.2及以上时孔隙率测量结果却与之相反，废渣粉体积越大而试块孔隙率也越高。这可以解释为水灰比较低时，水量较少砂量较多，废渣粉替换砂，可与水泥形成更多的细粉浆料有效填充堆积空隙，所以随着废渣粉代替体积的增加，砂浆试件的孔隙率逐渐下降；水灰比较高时，水量较多砂量较少，砂本身并未得到密实堆积，废渣粉替换砂，令砂的堆积更加疏松，所以随着废渣粉代替体积的增加，砂浆试件的孔隙率逐渐增加。

3.3 吸水性测量结果

不同配比砂浆试块底面单位面积吸水量随时间平方根变化情况如图6所示，从图中可看出，随着废渣粉代替标准砂体积的增加，试块底面单位面积吸水量增加至峰值后逐渐减小，用废渣粉代替5%的标准砂，试块单位底面积吸水量达到最大。此结果与陈嘉健[10]实验结果不同，主要是本研究用废渣粉代替标准砂而非水泥浆，同时，本研究掺入聚丙烯纤维，对实验结果也有一定的影响。

将图6中数据点进行线性回归分析，拟合公式及R2值列于表4。结果显示，当废渣粉代替标准砂的体积固定不变时，试块底面单位面积吸水量与时间平方根是线性变化关系，此结果与Kubissa[25]的实验结果一致，而单位底面积吸水量-时间平方根直线的斜率即式(3)中试块吸水系数k，实验测得的不同配比试块吸水系数k列于表3第3列，吸水系数与水灰比的变化关系如图7所示。从中发现，水灰比保持不变时，废渣粉替代5%的标准砂，试块吸

(a)水灰比=1.0

(b)水灰比=1.2

(c)水灰比=1.4

(d)水灰比=1.6图6 不同配比砂浆试块单位面积吸水量随时间平方根变化情况Fig.6 Variation of water penetration amount at unit surface area with square of time

表4 不同配比试块单位面积吸水量随时间平方根变化线性拟合公式及R2值Tab.4 Linear fitting formulas and R2 values of water penetrationamount at unit surface area with square of time

图7 吸水系数随水灰比变化情况Fig.7 Variation of sorptivity with W/C ratio

水系数达到最大，而当替代体积持续增大时，吸水系数显著下降，当废渣粉替代20%的标准砂时，试块吸水系数最小，结果表明，在砂浆试块中用废渣粉等体积代替标准砂有助于提高砂的抗渗性。究其原因，由于废渣粉的颗粒粒径处于水泥和标准砂颗粒粒径之间，因而掺入废渣粉有利于扩大固体颗粒的粒径分布，优化颗粒级配，同时砂浆中掺有少量聚丙烯纤维，纤维可填充固体颗粒之间的空隙，提高试样密实度阻止水分子渗入，其次，聚丙烯纤维具有良好的耐水性，有助于提高砂浆的抗渗性。

4 孔隙率对吸水系数和强度的影响

4.1 孔隙率对吸水系数的影响

试块的吸水系数与孔隙率的变化关系如图8所示。图8中结果显示，当纤维砂浆试块具有较大孔隙率时，试块的吸水系数通常也会随之较大，因此，纤维砂浆的吸水性主要受试块孔隙率的影响。

观察图8中测量的数据点可以发现，废渣粉代替标准砂的体积对吸水系数也有一定的影响。对图8中的数据采用多变量线性回归分析可发现到，当孔隙率保持不变时，废渣粉代替标准砂的体积依次由0增加到10% 及20%时，拟合曲线向下平移，表明试块的吸水系数随着废渣粉体积的增加逐渐减小，拟合曲线的相关系数R2值达到0.853，表明纤维砂浆的吸水性受试块孔隙率和废渣粉的共同影响。

图8 吸水系数与孔隙率的变化情况Fig.8 Variation of sorptivity with poriness

4.2 孔隙率对抗压强度的影响

掺入废渣粉的纤维砂浆的抗压强度与孔隙率的变化情况如图9所示。从图9中可以清晰地发现，试块的孔隙率逐渐变大时，试块的抗压强度明显下降，因此，试块的孔隙率是影响试块抗压强度的主要因素。

图9中显示试块的孔隙率为某一定值时，试块的抗压强度会受到废渣粉的影响。为了探索试块孔隙率和废渣粉掺量对试块抗压强度的联合影响，采用多变量线性回归分析，拟合曲线及拟合公式如图9中所示，结果表明当废渣粉代替标准砂的体积依次从0增加到10%及20%时，曲线向上平移，显示使用更大体积的废渣粉代替标准砂的试块往往具有更高的抗压强度，并且孔隙率单一参量与抗压强度的相关系数R2值仅为0.730，而加入废渣粉参量后R2提升到0.872，因此，试块的抗压强度受到孔隙率和废渣粉的联合影响。

图9 抗压强度与孔隙率的变化情况Fig.9 Variation of compressive strength with poriness

4.3 孔隙率对抗折强度的影响

掺入废渣粉纤维砂浆的抗折强度随孔隙率的变化情况如图10所示，可以看出纤维砂浆抗折强度与孔隙率的变化情况与抗压强度的结果相似，试块的抗折强度同样随着试块孔隙率增大而逐渐下降，因此，孔隙率也是抗折强度的主要影响因素。

图10中测量结果显示试块的抗折强度不仅仅受孔隙率单一因素影响，废渣粉掺量对其也有一定的作用。为了深入研究试块孔隙率和废渣粉掺量对试块抗折强度的联合作用，研究采用多变量线性回归分析，拟合公式及拟合曲线如图所示，在孔隙率保持不变时，用废渣粉代替越多体积的标准砂，试块的抗折强度会显著提高，拟合曲线的相关系数R2值为0.835，结果表明试块的抗折强度受试块孔隙率和废渣粉的共同影响。

图10 抗折强度与孔隙率的变化情况Fig.10 Variation of flexural strength with poriness

5 结论

通过测量20组不同水灰比、不同废渣粉掺量纤维砂浆试块的孔隙率、吸水性、抗压强度及抗折强度，主要得到以下结论：

1)水灰比较小时，用废渣粉代替等体积标准砂时会降低纤维砂浆的孔隙率，但水灰比较大时，孔隙率会随着废渣粉体积的增加而增加。

2)纤维砂浆的吸水系数随废渣粉体积的增加先上升后下降，结果表明用废渣粉代替20%的标准砂时，吸水系数最低，纤维砂浆的抗渗性最佳。

3)用废渣粉代替等体积标准砂添加至纤维砂浆中，可以大幅提高纤维砂浆的抗压强度及抗折强度，用废渣粉代替15%的标准砂时可使砂浆抗压强度提升23.4%，代替20%的标准砂时可使砂浆抗折强度提升32.9%。

4)纤维砂浆的吸水性、抗压强度以及抗折强度均与砂浆孔隙率成线性关系，采用线性回归分析发现纤维砂浆的吸水性、抗压强度及抗折强度受到砂浆孔隙率及废渣粉的共同影响。