蒸压粉煤灰-橡胶粉砌块的配比研究

蒋　蕾, 钟栋青,王路明,蔡树元

(1.常州大学材料科学与工程学院，常州　213164；2.盐城工学院材料工程学院，盐城　224051)



蒸压粉煤灰-橡胶粉砌块的配比研究

蒋蕾1,2, 钟栋青2,王路明1,2,蔡树元2

(1.常州大学材料科学与工程学院，常州213164；2.盐城工学院材料工程学院，盐城224051)

采用正交试验法分析蒸压粉煤灰试块中材料组成对力学强度的影响，给出最佳配合比并运用XRD和SEM分析解释。基于此配合比，运用曲线拟合，探究橡胶粉对蒸压粉煤灰-橡胶粉试块力学性能的影响规律。从试验结果可以看出：钙质材料与石膏对蒸压粉煤灰试块力学性能影响较大，基本正交试验中第19组的强度最好；材料中生成了一定量的硬硅钙石和托勃莫来石，有效地解释了强度的发展；随着橡胶粉掺量增加，蒸压橡胶粉-粉煤灰试块的抗压强度和抗折强度均呈现指数下降趋势，折压比总体呈现先升后降的趋势。

蒸压； 橡胶粉； 粉煤灰； 力学性能

1　引　言

随着世界经济的快速发展，汽车业及橡胶工业也逐步发展，随之产生大量的废旧轮胎以及其他一些橡胶制品，处理与日俱增的废旧轮胎成为世界各个国家的难题。目前，主要的处理方法是露天堆置、填埋以及焚烧，露天放置及填埋不但占用大量的土地，而且不易分解，极易滋生蚊虫，既污染了土壤也污染了地下水，造成了"黑色污染"，橡胶在焚烧过程中会产生多环芳烃、笨及苯酚等有毒有害物质[1]。将废旧轮胎硫化，然后将其粉碎，制成橡胶粉，在土木工程中应用，是目前处理废旧橡胶较为有效的途径之一。

蒸压粉煤灰砖作为新型墙体材料的一种，具有重量轻、降低环境污染、节土利废、改善建筑功能等特点，可以在很大程度上缓解由于粉煤灰的大量堆积和粘土砖的全面禁用所造成的压力。以煤渣、煤灰作为主要原材料，量大面广，适用性能好，持续性强，有利于促进我国可持续发展。既符合墙体材料产业发展的主题又有很好的经济和社会效益[2]。但由于其材料强度具有显著的变异性及脆性破坏模式，其抗震性能不易预测。2008年汶川8.0级和2010年玉树7.1级大地震中，大多数框架结构表现出良好的抗震性能，但填充墙、隔墙破坏严重，导致功能丧失，产生重大经济损失乃至人员伤亡，这就是由于填充墙刚度效应、约束效应引起典型案例[3]。因此，迫切需要进一步改善墙体材料，使其在地震作用下，尽可能降低填充墙所带来的不利影响。而橡胶阻尼较高，密度和弹性模量较低，可以很好的填补蒸压粉煤灰砖脆性大、刚度大的弱点。自然养护下橡胶混凝土的研究屡见不鲜[4]，为了得到更多的创新和突破，基于此思想，本文将橡胶粉运用到蒸压粉煤灰砖中，提出了对新型建筑材料蒸压橡胶粉-粉煤灰砖的研究。本文以40mm×40mm×160mm试块为研究对象，探讨蒸压橡胶粉-粉煤灰砌块各组成含量对于砌块力学性能的影响规律，给出合理的工程应用建议。

2　试　验

2.1试验原材料及仪器

蒸压橡胶粉-粉煤灰砌块材料组成以橡胶粉、粉煤灰、水泥、石灰、石膏以及水为主要成分。其化学成分含量如表1。橡胶粉由青岛惠商橡胶有限公司提供，细度为30目；粉煤灰和石膏由江苏省盐城发电厂提供，粉煤灰为二级灰，密度为2.27g/cm3；水泥为江苏八菱海螺水泥有限公司产42.5级普通硅酸盐水泥；水为普通自来水。

表1　原材料化学成分含量

本试验制作40mm×40mm×160mm试块，3个试块1组，成型过程、抗压强度及抗折强度试验均按照水泥胶砂试块试验操作[5]。具体实验仪器：JJ-5型行星式水泥胶砂搅拌机、SHBY-40A型水泥标准养护箱、ZS-15型水泥胶砂振实台、DKZ-5000型电动抗折试验机。

2.2试验方案

本试验考虑材料组成掺量对蒸压橡胶粉-粉煤灰砖的力学性能影响，具体实施方案如下：首先，利用四因素五水平正交试验法，分析粉煤灰、水泥、石灰、石膏以及水对蒸压粉煤灰砖的力学性能影响规律，给出最佳配合比；其次，在此配方上，考虑添加橡胶粉对蒸压橡胶粉-粉煤灰力学性能影响，由于添加橡胶粉，导致砖抗压强度与抗折强度呈现单调递减趋势，并不会出现最佳值，因此，试验将橡胶粉单独考虑，目的是研究橡胶粉掺量增加对抗压及抗折强度下降趋势的影响。

2.3正交试验法[6]

本文研究粉煤灰、水泥、石灰、石膏以及水的掺量对蒸压粉煤灰砖的力学性能影响，考虑四因素五水平的正交试验法，四因素分别为钙质料(水泥+石灰的质量与水泥+石灰+粉煤灰的质量之比)、泥灰比(水泥质量与水泥+石灰的质量之比，)、石膏(石膏质量与水泥+石灰+粉煤灰的质量之比)、水(水质量与水泥+石灰+粉煤灰+石膏的质量之比)。正交试验法试验结果如表2。

表2　正交试验结果

3　结果与讨论

3.1试验数据分析

根据正交试验同水平数据处理方法，对表2中抗折强度与抗压强度数据进行分析。

(1)直接观察法

直接观察法是不通过对数据进行计算，而是直接通过观察，选择最优方案。本试验中可以看出，第19组数据抗压强度与抗折强度均达到最大值，因此，本组试验A4B4C2D5即为最优配合比。

(2)一般计算法

一般计算法是运用简单的数学运算来处理试验数据。其基本思路：①计算每一个因素各个水平导致结果之和；②计算每一个因素各个水平导致结果之和的极差；③确定关键因素、重要因素和可能最优试验方案。具体结果见表3、表4。

表3　抗压强度数据分析

表4　抗折强度数据分析

正交试验数据分析中，极差的大小说明相应因素作用的大小。本试验中抗压强度数据中石膏的极差最大，反应出它对抗压强度的影响最大，其次就是钙质料、泥灰比，水的影响最小。就抗折强度而言，影响因素从大到小依次为：钙质材料、石膏、泥灰比、水。综合来看，对于蒸压粉煤灰砌块力学性能影响较大的是钙质料和石膏。

(3)水平趋势分析

将表3与表4中水平数据形成趋势图，考察水平趋势与试验结果的内在联系，可以得到较好的试验方案配比。具体见图1、图2。从图1和图2可以看出：钙质料掺量的增加，抗压强度和抗折强度均呈现上升趋势，钙质材料在4水平，即27.5时，对强度影响最大；泥灰比的增加，也就是说随着水泥掺量增加，石灰掺量减小，抗压强度上升，抗折强度影响并不明显；石膏掺量和水掺量的增加，抗压强度和抗折强度均呈现先上升，后下降的趋势，石膏在1.5%掺量时，强度最高，水则是在29%～30%较合适。

图1　抗压强度水平趋势图Fig.1　Level trend of compressive strength

图2　抗折强度水平趋势图Fig.2　Level trend of flexural strength

(4)XRD与SEM分析

鉴于钙质材料对材料强度的影响较大且在水平为4(即含量在27.5%)时存在最优配合比存在较大影响，实验选取强度相差较明显的第16组与第19组进行XRD和SEM分析。

由图3可知砌块在蒸压后产生了含铝的托勃莫来石(Ca5Si5Al(OH)O17·5H2O)和一定量的硬硅钙石(Ca6Si6O17(OH)2)，另外含有少量的C-S-H凝胶和石英及Ca(OH)2。研究表明硬硅钙石较托波莫来石对材料的强度提高影响更大[7,8]。对材料的一般的托勃莫来石与硬硅钙石形成条件如下：

CaO+H2O→Ca(OH)2

由于掺入的粉煤灰比例较大，其充足的火山灰效应，能减少水泥浆体Ca(OH)2含量，增加了C-S-H凝胶含量，C-S-H凝胶包围骨料的数量增多，使材料颗粒更好地胶结在一起。同时，水泥水化和石灰所产生的Ca(OH)2对粉煤灰有一定的激发作用，粉煤灰的微粉效应和填充效应，增加了材料的密实性，使裂缝扩展的阻力增大，传播裂缝的应力减小，保证了材料一定的延展性。

图4a为第19个配方的SEM图，从图中明显能看到团状和成簇的针状硬硅钙石[9，10]，另带有少量柱状Ca(OH)2和纤维状C-S-H凝胶，C-S-H凝胶与针状的硬硅钙石相互交叉咬合，牢固地结合在一起，使得结构致密，保证材料具有一定的强度；图4b则是石膏掺量为4.5g的第16个配方所成型蒸压后的试件的电镜图，由于此组石膏掺量为4.5%，在其中发现了大量的板状Ca(OH)2，并伴有少量的针状硬硅钙石，此时的水化产物连结能力明显不如第19组，大孔隙增多，强度较最大值降低了9.19%。

图3　第16组与19组的XRD分析图Fig.3　XRD patterns of group 16 and 19

图4　(a)19组与(b)16组的孔洞水化产物SEMFig.4　SEM images of group (a)19,(b)16

3.2橡胶粉影响分析

3.2.1橡胶粉掺量计算

本文考虑橡胶粉的掺量是基于正交试验最佳配合比第19组配合比的基础上进行添加，具体步骤以例子简单说明。例如：

(1)假设水泥+石灰+粉煤灰的初始总量按1200g，按以上正交试验最佳配合比配比，则：

钙质材料总量为1200g×27.5%=330g；水泥总量为330g×0.75=248g；石灰总量为330g×0.25=83g；粉煤灰总量为1200g×72.5%=870g；石膏外掺，质量为1200g×1.5%=18g；水用量为1218g×0.30=365g。

(2)按材料初始总量5%进行递减，橡胶掺量按5%×0.5(考虑胶粉的密度约为其它材料的50%)进行递增，例：若材料总量递减至85%，则：

水泥质量为248g×0.85=210g；石灰质量为83g×0.85=70g；石膏质量为18g×0.85=15g；粉煤灰质量为870g×0.85=740g；橡胶质量为1200g×(1-85%)×0.5=90g。以此方法，添加橡胶粉，可得到下表试验配方，见表5，其中折压比表示抗折强度与抗压强度的比值。

表5　蒸压橡胶粉-粉煤灰试块试验数据

注：Mc、Ml、Mg、Mf、Mr、Mw分别表示水泥、石灰、石膏、粉煤灰、橡胶粉、总干料量、用水量。

3.2.2试验数据整理

(1)对密度的影响

图5是密度的拟合曲线，拟合公式为y=1.633-0.009x，蒸压橡胶粉-粉煤灰试块随着橡胶粉掺量的增加而近似的呈线性递减。当掺量达到50%时，密度降至1.142，自身重量降幅达30%。

图5　橡胶粉掺量-密度关系图Fig.5　Rubber content-density diagram

(2)对力学性能的影响

粉煤灰的火山灰效应对材料强度的增长意义重大，有研究表明非蒸压情况下橡胶粉-粉煤灰试块在橡胶粉掺量为20%时，自然养护56d的抗压强度仅达到6MPa，抗折强度为1.6MPa[11]。对于蒸压橡胶粉-粉煤灰试块从图6可以看出，随着橡胶粉掺量的增加，抗压强度和抗折强度均呈现指数型单调下降，下降呈现先急后缓的趋势，也就是说，添加橡胶粉对于试块力学性能前期影响较大，后期影响逐渐减弱。从图7可以看出，折压比随着橡胶粉掺量的增加，呈现先升后降的趋势，存在最佳值，也就是说，随着橡胶粉掺量的增加，抗压强度前期下降趋势快于抗折强度，达到最大值第9组0.35之后，抗折强度下降趋势快于抗压强度，对于蒸压橡胶粉-粉煤灰砌块来说，应优先选择折压比较大的配方。

图6　蒸压橡胶粉-粉煤灰试块抗压强度和抗折强度Fig.6　Compressive and flexural strength of autoclaved rubber powder-fly ash block

图7　蒸压橡胶粉-粉煤灰试块折压比Fig.7　Bend-press ratio of autoclaved rubber powder-fly ash block

4　结　论

本文首先采用正交试验法研究蒸压粉煤灰试块中各组成部分掺量对力学性能的影响，在基准配比的情况下添加橡胶粉，对蒸压粉煤灰-橡胶粉试块强度下降趋势进行分析，从试验结果看以看出：

(1)对蒸压粉煤灰试块抗压强度的影响大小，依次为：石膏、钙质料、泥灰比，水；对抗折强度影响大小，依次为：钙质料、石膏、水和泥灰比；

(2)对于蒸压粉煤灰-橡胶粉试块而言，随着橡胶粉掺量的增加，其密度呈现近似直线的下降趋势，抗压强度和抗折强度均呈现指数型单调下降趋势，总体为先急后缓的趋势；折压比随着橡胶粉掺量的增加，呈现先升后降的趋势，存在最佳值，折压比较大的配方在工程应用中具有重要意义。

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ProportionofAutoclavedFlyAsh-RubberPowderBlock

JIANG Lei1,2,ZHONG Dong-qing1,WANG Lu-ming1,2,CAI Shu-yuan2

(1.CollegeofMaterialsScienceandEngineering,ChangzhouUniversity,Changzhou213164,China;2.CollegeofMaterialEngineering,YanchengInstituteofTechnology,Yancheng224051,China)

Bymeansoforthogonaltest,effectofmaterialcompositiononmechanicalpropertiesofautoclavedflyashblockwasanalyzedtofindthebestmixtureratio.AnalysismethodssuchasSEM,XRDwereappliedtocharacterizethecomposites.Withcurvefitting,influenceruleofrubberpowderonautoclavedrubberpowder-flyashblockmechanicalpropertieswasresearched.Theresultsshowedthatthecalciummaterialandgysumhadgreatereffectsonthemechanicalproperties.Inthebasicorthogonalexperiments,thestrengthofthegroupof19isbestandacertainamountofxonotliteandtobermoritewerefoundwhichcouldexplainstrengtheffectively.Withtheincreaseoftheadmixtureofrubberpowder,compressivestrengthandflexuralstrengthofautoclavedrubberpowderandflyashbothshowindexdecline.Bend-pressratioshowsthetendencyoffallingafterrising.

autoclaved;rubberpowder;flyash;mechanicalproperty

住房和城乡建设部科学技术项目(2014-K4-038)；江苏省产学研项目(BY2014108-25)；江苏省住房城乡建设厅项目(2014ZD79)

蒋蕾(1991-)，女，硕士研究生.主要从事无机非金属材料方面的研究.

王路明，教授.

TU502

A

1001-1625(2016)01-0322-06