低吸水率陶瓷再生砂对砂浆力学和干燥收缩性能的影响及机理研究

杨医博,梁宋梭,刘福财,谢 锐,欧锦盛,郭文瑛,王恒昌

(1.华南理工大学,土木与交通学院,广州 510641;2.华南理工大学,亚热带建筑与城市科学全国重点实验室,广州 510641;3.广东盖特奇新材料科技有限公司,清远 511600)

0 引 言

我国每年生产超过100亿平方米的陶瓷墙地砖,由于变形、开裂、破损等产生大量烧成废弃陶瓷,且通常只能填埋处理,急需开展资源化利用研究[1]。我国每年建设用砂需求量达70亿吨,若将废弃陶瓷制成陶瓷再生砂(以下简称陶瓷砂)用作建设用砂,不仅可以将陶瓷废弃物资源化,还可以减少河砂等自然资源的开采。

国内外学者对陶瓷砂制备砂浆开展了部分研究。Evangelista等[2]采用吸水率为8.9%的陶瓷砂制备水胶比为0.55的砂浆,结果表明,随着陶瓷砂质量取代率的提高,砂浆力学强度先提高后降低,当质量取代率为50%时力学性能最好,当质量取代率为100%时,28 d抗压强度和劈裂抗拉强度分别比普通砂浆降低了23.1%和67.3%,这是因为陶瓷砂吸水率较高导致砂浆成型时工作性能较差,孔隙率过高从而降低力学性能。Higashiyama等[3]采用吸水率为0.47%的陶瓷砂制备砂胶比为2.0、水胶比为0.5的砂浆,结果表明,砂浆的抗压强度有所提高,在7、28、91 d时分别比普通砂浆提高了20.4%、13.7%、21.2%,同时孔隙率也比河砂砂浆小。Tutkun等[4]采用吸水率为1.53%的陶瓷砂制备水胶比为0.5的砂浆,结果表明,陶瓷砂的掺入虽然降低了砂浆的工作性能,但是能够提供更好的界面黏结力和一定的火山灰效应,随着陶瓷砂体积取代率的提高,砂浆力学性能并没有明显下降,在体积取代率为40%时效果最好,陶瓷砂砂浆28 d抗压强度与普通砂浆相同。刘新海等[5-6]采用陶瓷砂配制M2.5级的普通砂浆,结果表明,陶瓷砂质量取代率达到100%时抗压强度达到最大,砂浆强度能够提高1～2个等级。刘子毅[7]采用陶瓷砂配制水胶比为0.4的砂浆,结果表明,当质量取代率为100%时,7 d龄期前砂浆力学性能有所下降,28 d龄期时则大致相等,但还是比普通砂浆略低,其原因是陶瓷砂高吸水性抑制水化反应,导致早期力学性能下降,但随着龄期增长,陶瓷砂掺入有助于优化浆体孔结构,提高强度。综上所述,目前相关研究主要集中在水胶比较高(≥0.4)的低强砂浆,并且由于废弃陶瓷来源和性能不同,陶瓷砂的性能存在差异,其对砂浆性能影响也不同,有些陶瓷砂会降低强度,而有些则能够提高强度。

我国陶瓷墙地砖主要为吸水率小于0.5%的瓷质陶瓷墙地砖,通常由5 000～6 000 t压机高压成型,并在1 200 ℃左右高温煅烧制备而成,具有致密的结构和很高的强度,将其破碎得到的陶瓷砂也应具有较低的吸水率和较高的强度,在高强砂浆中具有良好的应用前景。本研究采用工业化制砂设备将废弃低吸水率瓷质陶瓷墙地砖制备成陶瓷砂,在对陶瓷砂性能分析的基础上,以陶瓷砂等体积全取代河砂,开展了水胶比为0.45、0.35和0.25的陶瓷砂砂浆性能的系统研究,并对其影响机理进行分析。

1 实 验

1.1 原材料

废弃陶瓷墙地砖:广东某瓷砖厂生产的不符合出厂要求的表面带釉、规格为600 mm×600 mm的废弃低吸水率瓷质陶瓷墙地砖,按照《陶瓷砖》(GB/T 4100—2015)有关规定进行性能试验,结果见表1。

表1 废弃陶瓷墙地砖的性能

胶凝材料:水泥、矿粉、硅灰。其中水泥为广州石井水泥公司生产的石井P·S·A 32.5矿渣硅酸盐水泥和广州市珠江水泥有限公司生产的粤秀P·Ⅱ 52.5R普通硅酸盐水泥,水泥的物理性能见表2;矿粉为广东盖特奇新材料科技有限公司提供的S95级粒化高炉矿渣粉,密度为2 900 kg/m3,比表面积为409 m2/kg,28 d活性指数为103.2%,流动度比为104%;硅灰为广东盖特奇新材料科技有限公司提供的90#半加密硅灰,密度为2 110 kg/m3,活性指数为105%～130%,需水量比为116%～122%。

表2 水泥的物理性能

细骨料:河砂和陶瓷砂。河砂为广东当地河砂,陶瓷砂是采用中试的工业化制砂设备制备的陶瓷砂。

粗骨料:5～10 mm和5～25 mm的花岗岩碎石,物理性能和筛分结果见表3。

表3 碎石的物理性能和筛分结果

减水剂:广东盖特奇新材料科技有限公司提供的聚羧酸减水剂,固含量为22.5%。

水:广东当地自来水。

1.2 试验方案

首先利用中试的工业化制砂设备制备陶瓷砂,然后对陶瓷砂进行物理性能和微观结构分析。

在三种不同水胶比(0.45、0.35和0.25)的河砂砂浆配合比的基础上,用陶瓷砂等体积全取代河砂,并通过调整减水剂掺量(需同时调整用水量,保持总用水量一致),保持砂浆流动度为(180±5) mm,确定陶瓷砂砂浆配合比。

测定陶瓷砂砂浆和河砂砂浆的湿表观密度,3、7、28、90、180、365 d抗折和抗压强度,28 d轴心抗压强度和弹性模量,28 d干燥收缩值等,并进行机理分析。

1.3 试验方法

按照《建设用砂》(GB/T 14684—2022)和《混凝土和砂浆用再生细骨料》(GB/T 25176—2010)相关规定测试细骨料物理性能。

按照《水泥胶砂流动度测定方法》(GB/T 2419—2005)进行流动性试验,按照《建筑砂浆基本性能试验方法标准》(JGJ/T 70—2009)进行湿表观密度试验。

按照《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》(GB/T 17671—2021)进行抗折和抗压强度试验,试件尺寸为40 mm×40 mm×160 mm;按照《建筑砂浆基本性能试验方法标准》(JGJ/T 70—2009)进行砂浆轴心抗压强度和弹性模量试验,试件尺寸为70.7 mm×70.7 mm×220 mm;按照《建筑砂浆基本性能试验方法标准》(JGJ/T 70—2009)进行砂浆干燥收缩试验,试件尺寸为40 mm×40 mm×160 mm。

从抗压强度试验破坏后的试件中部取体积约50 mm3的碎片,立即用无水乙醇完全浸泡密封储存,将其置于阴暗干燥环境中。在电镜试验开始前,将试样取出置于真空干燥箱抽真空24 h,随后对试样进行喷金处理,然后采用HITACHI-SU 8220超高分辨率冷场发射扫描电子显微镜(SEM)进行观察;在压汞试验开始前,将试样取出置于真空干燥箱抽真空24 h,然后采用AutoPore IV 9605型高性能全自动压汞仪测试试样的总孔隙率和孔隙分布情况。

2 结果与讨论

2.1 陶瓷砂制备及性能

2.1.1 陶瓷砂制备工艺

陶瓷砂的制备工艺分为两步:第一步是初破,由于陶瓷墙地砖厚度较薄,采用颚式破碎机破碎效果不佳,因此采用人工破碎的方法进行初破;第二步是将初破后的陶瓷碎片人工上料至振动给料机,再通过振动给料机和传送带运至振动筛上进行筛分,大于5 mm的陶瓷碎片通过传送带传送至高效制砂机制砂,循环破碎至所有的陶瓷碎片破碎成粒径不大于5 mm的陶瓷砂。制备工艺流程见图1。

图1 陶瓷砂制备工艺

2.1.2 陶瓷砂物理性能

细骨料物理性能试验结果见表4,级配曲线见图2。

图2 细骨料级配曲线

表4 细骨料物理性能对比

由表4和图2可见:采用中试的工业化设备制备的陶瓷砂级配良好,石粉含量、亚甲基蓝值(MB值)和空隙率均符合机制砂要求。陶瓷砂的压碎指标满足Ⅰ类机制砂要求,且小于河砂;再生胶砂强度比为1.02,远高于河砂的0.81;而表观密度则明显小于河砂,说明陶瓷砂是一种轻质高强的细骨料。陶瓷砂的饱和面干吸水率仅为1.92%,达到《高性能混凝土用骨料》(JG/T 568—2019)规定的Ⅰ级人工砂饱和面干吸水率小于等于2%的要求;需水量比和河砂相同。这表明本研究制备的陶瓷砂是一种低吸水性材料,在砂浆配合比设计中可以不考虑其吸水率引起的附加用水量,简化配合比设计。

2.1.3 陶瓷砂微观结构

陶瓷砂的SEM照片见图3,陶瓷砂的压汞试验结果见图4。由图3(a)可见,陶瓷砂表面致密,有大量1～20 μm的微小孔隙,同时其表面附着大量1～5 μm的碎屑,且有些碎屑填充在表面孔中;由图3(b)可见,这些碎屑在水洗过程中会脱落和填充到表面孔隙中。由图4可见,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。结合陶瓷砂的饱和面干吸水率只有1.92%的结果可知,陶瓷砂的吸水率主要来源于水在陶瓷砂表面开口孔的填充以及碎屑的表面吸附,陶瓷砂内部不存在大量的连通孔。

图3 水洗前后陶瓷砂的SEM照片

图4 陶瓷砂的压汞试验结果

2.2 砂浆配合比及性能

2.2.1 砂浆配合比和湿表观密度

调整得到工作性能满足要求的砂浆配合比,见表5。由表5可见,在相同水胶比、胶凝材料组成和砂浆工作性能的情况下以陶瓷砂等体积取代河砂制备砂浆,陶瓷砂砂浆和河砂砂浆的实际配合比略有差异,与河砂砂浆相比,陶瓷砂砂浆的胶凝材料用量增加1.4%～3.4%,减水剂用量减低2.5%～5.2%,湿表观密度降低1.7%～3.3%。

表5 砂浆的配合比

陶瓷砂砂浆配合比中胶凝材料用量略高的原因有以下两点:陶瓷砂的松散孔隙率略高于河砂,因此需要较多的浆体填充孔隙;陶瓷砂由陶瓷砖破碎得到,类似机制砂,其表面粗糙,且表面有大量微小孔隙和较多的微细石粉,在相同体积下陶瓷砂的比表面积更大,需要更多的胶凝材料包裹。

陶瓷砂中含有较多1～5 μm的微粉,能够填充胶凝材料中的孔隙,起到一定的矿物减水剂的作用,从而略微降低了减水剂用量。

陶瓷砂本身表观密度较低,且实际砂浆中骨料体积略低,从而使陶瓷砂砂浆湿表观密度也略有降低。

2.2.2 砂浆力学性能

砂浆的力学性能试验结果见图5和图6。由图5和图6可见:在同样水胶比时,陶瓷砂砂浆的抗压强度、抗折强度、轴心抗压强度、弹性模量等力学性能均明显优于河砂砂浆;两种砂浆的抗压强度均随着龄期的增长逐渐增加,但陶瓷砂砂浆的抗压强度增加幅度更大,至90 d(水胶比为0.25)或180 d(水胶比为0.45和0.35)后二者的差距才趋于稳定。陶瓷砂能够提高较低强度砂浆的力学性能,这与Evangelista等[2,5-6]的研究结论相一致。

图5 砂浆的抗压强度和抗折强度

图6 砂浆的轴心抗压强度和弹性模量

28 d龄期时,与相同水胶比河砂砂浆相比,在水胶比为0.45、0.35和0.25时,陶瓷砂砂浆抗压强度分别增加了16.3、19.7和23.4 MPa,提高了3～4个强度等级,抗压强度提高幅度分别为39.1%、26.8%和24.6%,抗折强度提高幅度分别为22.5%、17.3%和10.2%,轴心抗压强度提高幅度分别为48.3%、39.5%和45.4%,弹性模量提高幅度分别为27.7%、23.3%和12.9%。水胶比越大,抗压强度、抗折强度和弹性模量提高幅度越大。

2.2.3 砂浆干燥收缩性能

砂浆的干燥收缩结果见图7。由图7可见,在同样水胶比时,陶瓷砂砂浆的3 d至28 d的干燥收缩值均低于河砂砂浆,且水胶比越大,干燥收缩值减小越明显,水胶比为0.45、0.35、0.25的陶瓷砂砂浆28 d干燥收缩值分别减小了45.7%、17.9%和5.3%。同样骨料的砂浆中,随着水胶比增大,干燥收缩值越大,与现有研究规律一致。

图7 砂浆的干燥收缩值

2.3 机理分析

用陶瓷砂等体积取代河砂制备砂浆,砂浆的力学性能得到显著提升,28 d干燥收缩值显著减小,且水胶比越大,砂浆性能改善越明显。陶瓷砂提高强度、降低干燥收缩的机理可以从以下三个方面进行解释:

1)陶瓷砂强度更高。陶瓷砂的压碎指标仅为15.96%,远低于河砂的32.99%。

2)陶瓷砂改善界面过渡区(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,这使得水泥石和陶瓷砂界面黏结性能更好。

3)陶瓷砂中微粉改善了水泥石微观结构。陶瓷砂含有很多1～5 μm的微粉,其能够填充到水泥颗粒之间,作为微细骨料,从而减小孔隙率,细化毛细孔,提高强度,降低干燥收缩。

28 d龄期时三种水胶比砂浆的SEM照片见图8,砂浆的孔结构分析结果见图9。扣除陶瓷砂中的孔隙率后(以砂浆中不同孔径范围的孔隙率减去砂浆中陶瓷砂的体积与陶瓷砂中相应孔径范围的孔隙率的乘积计算得到),砂浆中浆体的孔结构分析结果见图10。

图9 砂浆孔结构分析结果

图10 浆体的孔隙率

由图8可见,随着水胶比的降低,砂浆的微观结构更加致密。在同样水胶比砂浆中,陶瓷砂砂浆中陶瓷砂和浆体结合紧密,界面过渡区无可见裂缝;陶瓷砂表面孔隙被水化产物填充密实,起到良好的嵌固作用,且水泥石中可见微小的陶瓷砂颗粒填充,使得界面过渡区和浆体更为致密。这一试验结果也和Siddique等[8-11]的研究结论相接近。

由图9(a)可见,随着水胶比的增加,砂浆的孔径分布曲线逐渐向下移动,孔隙率逐渐减小。同水胶比情况下,陶瓷砂砂浆的孔径分布曲线的峰值点出现得更早,曲线整体向左移动,说明其孔径更小,且小孔所占比例更大。由图9(b)和图10均可见,随着水胶比减小,两种砂浆的孔隙率均呈下降的趋势。

由图10可见,在同样水胶比时,与河砂砂浆相比,陶瓷砂砂浆的孔隙率更低。按照混凝土中孔隙分布的一般方法[12],可将孔隙按孔径分为凝胶孔(<10 nm)、过渡孔(10～<100 nm)、毛细孔(100～<1 000 nm)和大孔(≥1 000 nm)。在三种水胶比的砂浆中,陶瓷砂砂浆的凝胶孔和过渡孔体积均大于河砂砂浆;而大孔和毛细孔体积均低于河砂砂浆,其中毛细孔的差异以0.45水胶比的砂浆最大,这表明陶瓷砂砂浆孔结构细化,结构更加致密,其强度更高,这与前述理论分析一致。

毛细孔体积影响砂浆的干燥收缩性能,毛细孔越多,干燥引起的收缩应力越大。在三种水胶比的砂浆中,陶瓷砂砂浆的毛细孔体积均低于河砂砂浆,陶瓷砂砂浆的收缩应力较小;此外,在相同水胶比情况下,陶瓷砂砂浆较高的强度和弹性模量使其有更好的抵抗收缩变形的能力,这会进一步降低干燥收缩值,因此陶瓷砂砂浆的干燥收缩值低于河砂砂浆。在三种水胶比的砂浆中,0.45水胶比的砂浆中水含量高,干燥收缩值较大,采用陶瓷砂后,砂浆中毛细孔体积降低幅度最大,且强度增加幅度较大,故陶瓷砂取代河砂后,0.45水胶比砂浆的干燥收缩值降低明显;而在高强砂浆中,由于砂浆中用水量少,其早期自收缩较大,而干燥收缩值较低,采用陶瓷砂取代河砂后,对干燥收缩值影响较小。因此最终表现为随着水胶比增加,采用陶瓷砂取代河砂后,砂浆干燥收缩值降低幅度越大。

3 结 论

1)以低吸水率瓷质陶瓷墙地砖为原材料通过中试的工业化设备制备的陶瓷砂具有吸水率低、表观密度小、压碎指标低、级配良好的特点,是一种轻质高强的细骨料。

2)在水胶比、胶凝材料组成和工作性能相同的情况下,以陶瓷砂等体积全取代河砂制备砂浆,水胶比为0.45、0.35和0.25的三种陶瓷砂砂浆的力学性能均明显提高,且28 d的干燥收缩值分别降低了45.7%、17.9%和5.3%。水胶比越大,陶瓷砂砂浆的抗压强度、抗折强度和弹性模量提高幅度越大,干燥收缩值降低幅度越大。

3)陶瓷砂全取代河砂明显提高砂浆强度并降低干燥收缩值的机理:一是陶瓷砂本身强度更高;二是陶瓷砂表面粗糙且有大量1～20 μm的微小孔隙,改善了界面过渡区结构;三是陶瓷砂含有很多1～5 μm的微粉,其作为微细骨料,改善了水泥石微观结构。