石灰石尾矿砂的颗粒组合对水泥基陶瓷砖胶粘剂拉伸粘结强度的影响研究

谢正奋

（1 广东省梅州市质量计量监督检测所；2 国家水泥及制品质量监督检验中心（广东））

0 引言

以水泥为主的建材产业是我市的支柱产业之一，每年约生产3000 万吨水泥。生产水泥过程中，需开采大量的石灰石等作为原材料，按生产每吨水泥消耗1.5 吨石灰石来计算，每年需要开采至少4500 万吨，伴随产生大量的尾矿，占用地方还对水土造成污染。怎样合理利用，一直是建材行业较为棘手的问题。目前，传统水泥用于高致密性陶瓷砖，易产生空鼓、掉砖等安全隐患，不能满足要求；新型陶瓷砖胶粘剂的骨料大量使用石英砂，成本重。采用本地的尾矿来代替，着重研究尾矿砂的颗粒组合对各项拉伸粘结强度性能的影响，以得出较优组合，在技术参数符合标准要求下，降低成本，达到固体废弃物资源化利用的目的。

1 试验原材料及方案

1.1 原材料

水泥：梅州市塔牌集团蕉岭鑫达旋窑水泥有限公司生产的P.O 42.5R 普通硅酸盐水泥，相关指标见表1；

表1 水泥的物理性能

石灰石尾矿砂：取自梅州某石灰石矿场，按25～35 目、35～50 目、50～80 目、80～140 目、140～200 目五种粒径组合，特征值见表2；

表2 机制砂的特征值

重钙粉：梅州某公司生产的200 目；

纤维素醚：赫达生产的HD7100；

胶粉：瓦克生产的5010N；

淀粉醚：阿瓜娜8850。

水：自来水。

1.2 试验主要仪器及基材

拉拔试验机（CTC 生产的LBY-VI 型），交变湿热试验箱（东莞众志检测）；标准混凝土板（上海增司工贸），干压陶瓷砖（BⅢ类，上海增司工贸）。

1.3 试验方法

按《陶瓷砖胶粘剂》JC/T 547-2017 规定进行试验。按C1 等级设计陶瓷砖胶粘剂，将5 种粒径的机制砂组合配制成7 组试验砂，详细组合见表3。配合比为（重量比，单位㎏）：水泥400，重钙粉：50，尾矿砂526，纤维素醚3，胶粉20，淀粉醚1，用水量为210。进行标准条件下拉伸粘结强度、浸水后拉伸粘结强度、热老化后拉伸粘结强度、冻融循环后拉伸粘结强度及晾置时间≥20min 下的拉伸粘结强度试验，得出数据进行对比分析。

表3 试验用砂组合(%)

2 结果分析

2.1 颗粒组合在标准条件下对拉伸粘结强度的影响

由图1 可以看出，粗颗粒较多的情况下，由于其孔隙率较大，虽然45%的胶凝材料用量属于较大的，但相同的胶凝材料条件下，浆体的整体包裹性、浸润性以及粘聚力都会差一些。随着粗颗粒比例的降低，中间颗粒的增多，拉伸粘结强度呈现逐步增长的趋势[1]，最大出现在T5。此时加入10%的140～200 目的细颗粒，该组颗粒搭配合理，有利于强度的发挥；而细颗粒持续增加，浆体过多，则表现在拉伸粘结强度降低；如果全部为80 目以下的颗粒组成，则强度骤降。主要原因是过细的颗粒，胶凝材料用量又大，有可能由于轻微的收缩产生内部裂纹[2]，进而导致硬化后的胶粘剂粘结强度降低。从标准条件下的拉伸粘结强度试验结果看，较为合理的颗粒组成是35～50 目占20%～30%，50～80 目占40%，80～140目占30%～50%，可以加入140～200 目的细颗粒，但不宜超过10%。

图1 标准条件下拉伸粘结强度

2.2 颗粒组合在浸水后对拉伸粘结强度的影响

按标准JC/T547-2017 规定，标准养护7d 后，浸水条件下养护21d 后测试拉伸粘结强度。对外加剂中的可再分散乳胶粉的质量是考验，对水泥的水化性能、碱性同样是考验。从图2 看出，粗颗粒较多时，由于孔隙率较大[3]，硬化的浆体易形成毛细孔，水分子的持续侵入，加上粘聚力略差，导致粘结强度偏低；随着中小颗粒比例的增大，毛细孔减少，对强度增长有利；而T7 虽然整体颗粒细，但浆体过多的情况下由于收缩，易产生微小裂缝，水分子进入导致降低了拉伸粘结强度。从浸水条件下的拉伸粘结强度试验结果看，较为合理的颗粒组成是35～50 目不超过20%，50～80 目占40%，80～140 目占30%～50%，140～200 目的细颗粒不超过10%。

图2 浸水后的拉伸粘结强度

2.3 颗粒组合在热老化后对拉伸粘结强度的影响

先标准养护14d，再在（70±3）℃烘箱中放置14d后测试热老后的拉伸粘结强度，由图3 可以看出颗粒较粗，由于孔隙率较细颗粒大，在持续高温条件下，可再分散乳胶粉的粘聚力作用会减弱，且空隙间易产生微小裂纹，均导致拉伸粘结强度不同程度地降低；随着细颗粒的持续增加，至T5 达到最高，此时颗粒级配合理，孔隙率小，浆体饱满，降低了可再分散乳胶粉粘聚力的损失，对拉伸粘结强度发挥有利。细颗粒过多，由于浆体过多，高温环境下，易产生张力带来的收缩[4]，表现在拉伸粘结强度有降低的趋势。从热老化条件下的拉伸粘结强度试验结果看，较为合理的颗粒组成是：35～50 目不超过30%，50～80 目占40%，80～140 目占20%～50%，140～200 目的细颗粒不超过10%。

图3 热老化后的拉伸粘结强度

2.4 颗粒组合在冻融循环后对拉伸粘结强度的影响

按标准JC/T547-2017 规定，试样在标准试验条件下养护7d，然后浸入（23±2）℃水中养护21d 后进行冻融循环，每次冻融循环为：①从水中取出试样，在2h±20min 内降温至（-15±3）℃；②试样保持（-15±3）℃，时间为2h±20min；③将试样浸入（20±3）℃水中，升温至（15±3）℃，在进行下一个冻融循环前，在该温度下至少养护2h；④重复进行25 次循环。完成25 次循环后，试样置于标准试验条件下进行拉伸粘结强度试验。条件较为严苛，拉伸粘结强度均表现为降低较多。粗颗粒越多，硬化后留下的毛细孔越多，在水分子侵入及低温冻融下[5]，水分子状态是自由水-结冰-融化-自由水反复存在[6]，产生膨胀收缩应力，破坏可再分散乳胶粉提供的粘结力，导致拉伸粘结强度较低；只有到了T5 和T6 组合下，拉伸粘结强度数据才较好；T7 则由于颗粒过细，易收缩带来横向张力，不利于拉伸粘结强度的增长。从冻融循环条件下的拉伸粘结强度试验结果看，需严格控制颗粒组成是：35～50 目不超过20%，140～200 目的细颗粒不超过10%，中间颗粒要70%以上。

图4 冻融循环后的拉伸粘结强度

2.5 颗粒组合在晾置时间≥20min 时对拉伸粘结强度的影响

晾置时间，主要是考虑到在现场施工，粘贴瓷砖需要一定的时间，在≥20min 晾置后，按标准条件成型及养护，测试拉伸粘结强度。由图5 可以看出，同样的水灰比情况下，颗粒整体粗一点，陶瓷砖胶粘剂中的自由水相对要多一点，有利于保持湿浆体的浸润性以保持拉伸粘结强度损失不至于过大。T6 与T7 细颗粒较多，湿浆体的自由水相对少，使得浆体表面略干燥，导致拉伸粘结强度较低，对施工性及晾置时间均影响较大。对提升晾置时间（≥20min），较为合理的颗粒级配是：控制细颗粒比例，80～140 目不超过30%，140～200 目的细颗粒不超过10%。

图5 晾置时间≥20min 的拉伸粘结强度

3 结论

⑴颗粒级配对各项拉伸粘结强度影响较大。颗粒较粗，因孔隙率较大，产生的毛细孔也较多，对浸水、热老化及冻融后的拉伸粘结强度均不利；颗粒较细，因浆体过多，在硬化过程中易带来收缩等应力而导致冻融循环后的拉伸粘结强度较低。

⑵陶瓷砖胶粘剂的晾置时间对后续的拉伸粘结强度的发挥起到极大作用。如晾置时间过短，湿浆体易出现表面局部干燥现象，导致出现拉伸粘结强度较低的现象。应特别注意控制细颗粒含量，尤其是140～200 目含量。

⑶从检测大量陶瓷砖胶粘剂统计结果看，冻融循环后拉伸粘结强度项目常出现不合格情况，该项目是浸水-冻-融-浸水的反复过程，配比不好的陶瓷砖胶粘剂硬化后浆体内部体积变化易导致拉伸粘结强度急剧下降，需要特别注意平常试验。

⑷用石灰石尾矿砂制备陶瓷砖胶粘剂时，较为合理的颗粒级配为：35～50 目不超过20%，50～80 目占40%，80～140 目占30%～40%，140～200 目的细颗粒不超过10%。