李浩輝

（廣州市建筑科學(xué)研究院集團(tuán)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(diǎn)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(guò)程石材可利用率較低并引發(fā)一系列不符合國(guó)家綠色發(fā)展的環(huán)境污染問(wèn)題，造成天然石材行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展受到制約。相對(duì)于天然石材，人造石材既具有天然石材的優(yōu)點(diǎn)，也可彌補(bǔ)天然石材不夠環(huán)保、花紋不可設(shè)計(jì)、部分具有輻射性等缺點(diǎn)，隨著大眾對(duì)石材產(chǎn)品品質(zhì)需求的日益增高，以及環(huán)保意識(shí)的不斷加強(qiáng)，具有綠色、環(huán)保、耐用的無(wú)機(jī)人造石材逐漸受到市場(chǎng)的青睞，無(wú)機(jī)人造石材占建筑裝飾材料市場(chǎng)比重也逐步加大[2-3]。目前無(wú)機(jī)人造石材已在國(guó)內(nèi)地鐵站、商場(chǎng)、機(jī)場(chǎng)、火車站、高鐵站等各類應(yīng)用場(chǎng)景中得到推廣應(yīng)用，取得了不錯(cuò)的成績(jī)。

近年來(lái)，廣大學(xué)者對(duì)無(wú)機(jī)人造石進(jìn)行了研究。黃習(xí)旋等[4]分析了高性能無(wú)機(jī)人造石的改性研究、應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)；熊春楊等[5]通過(guò)優(yōu)化骨料顆粒級(jí)配，膠凝材料用量已經(jīng)以及乳液的摻入量進(jìn)一步提高無(wú)機(jī)人造石的強(qiáng)度和低吸水率。張鵬等[6]分析了骨料級(jí)配對(duì)水泥基板材性能的影響；吳澤恩[7]通過(guò)分析人造石材料中骨料與無(wú)機(jī)膠凝物質(zhì)之間的相互作用，致力于更多輕質(zhì)、高強(qiáng)、多功能人造石材料及制品；雷翅等[8]通過(guò)分析人造石材的研究與發(fā)展現(xiàn)狀，提出了未來(lái)人造石的發(fā)展建議。但關(guān)于無(wú)機(jī)人造石材制備攪拌工藝的相關(guān)研究較少，本文針對(duì)無(wú)機(jī)人造石材，采用對(duì)比試驗(yàn)，探討不同的攪拌速度和攪拌時(shí)間，其對(duì)無(wú)機(jī)人造石材力學(xué)性能的影響進(jìn)行研究，希望為無(wú)機(jī)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(yàn)方法

1.1 原材料

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

表1 機(jī)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(lái)水等。

1.2 試驗(yàn)方法

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

本試驗(yàn)將膠凝材料、骨料、石英粉依次倒入攪拌機(jī)中，使之混合均勻；然后將稱量好的自來(lái)水、減水劑、增稠劑、乳液等添加劑依次緩慢加入攪拌機(jī)中，使之?dāng)嚢杈鶆?；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(dòng)壓力機(jī)進(jìn)行壓制成型；成型后馬上進(jìn)行脫模，放置室內(nèi)自然養(yǎng)護(hù)；養(yǎng)護(hù)至7d 后進(jìn)行壓縮強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度及吸水率測(cè)試。無(wú)機(jī)人造石的力學(xué)性能測(cè)試是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《人造石試驗(yàn)方法 第2 部分 彎曲強(qiáng)度的測(cè)定》（DB44/T 1100.2—2012）和《合成石材試驗(yàn)方法 第1 部分 密度和吸水率的測(cè)定》（GB/T 35160.1—2017）。

2 無(wú)機(jī)人造石的制備和研究

2.1 攪拌速度對(duì)無(wú)機(jī)人造石力學(xué)性能的影響

為了探討攪拌速度對(duì)無(wú)機(jī)人造石性能的影響，提前把準(zhǔn)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(jī)中，同時(shí)提前準(zhǔn)備好相同分量的自來(lái)水、增稠劑、減水劑等添加劑。通過(guò)對(duì)攪拌機(jī)進(jìn)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(guò)改變攪拌機(jī)的變頻控制器的調(diào)速檔位，從而控制攪拌機(jī)的攪拌速度，使其在相同的攪拌時(shí)間內(nèi)達(dá)到相應(yīng)的可壓制物料狀態(tài)，經(jīng)同樣的時(shí)間養(yǎng)護(hù)處理后進(jìn)行其他力學(xué)性能的試驗(yàn)。攪拌速度對(duì)無(wú)機(jī)人造石的力學(xué)性能影響如表2 所示。

表2 攪拌速度對(duì)無(wú)機(jī)人造石的力學(xué)性能影響

從表2 可以看出，不同攪拌速度對(duì)無(wú)機(jī)人造石的性能影響較大。當(dāng)攪拌速度過(guò)低時(shí)，板材的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度較低，吸水率相對(duì)較高，板材表面出現(xiàn)明顯的粉團(tuán)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(tuán)聚，不易充分打散，隨著自來(lái)水、乳液等液體的加入，導(dǎo)致很多粉團(tuán)無(wú)法充分與液體進(jìn)行包裹浸潤(rùn)，進(jìn)行水化反應(yīng)，導(dǎo)致部分團(tuán)聚粉團(tuán)，加大骨料間膠結(jié)面的孔隙缺陷概率，不利于后期強(qiáng)度的增長(zhǎng)，而且團(tuán)聚的粉團(tuán)在養(yǎng)護(hù)后在板材表面易形成粉團(tuán)現(xiàn)象，如圖1所示。隨著攪拌速度的增加，無(wú)機(jī)人造石的抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)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(tuán)出現(xiàn)的概率也逐漸減少。在攪拌速度達(dá)到40Hz 時(shí)，達(dá)到最大值。相比較低攪拌速度為25Hz時(shí)，抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)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(tuán)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(rùn)，使得無(wú)機(jī)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(jìn)行，生成的水化產(chǎn)物越來(lái)越多，骨料間的黏結(jié)力得到增強(qiáng)，無(wú)機(jī)人造石內(nèi)部能夠形成良好的嵌固體。因此，抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，吸水率則逐漸降低。隨著攪拌速度繼續(xù)增大，抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度逐漸降低，但降低速度相對(duì)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(guò)大，前期骨料摩擦產(chǎn)生過(guò)高的熱量，導(dǎo)致膠凝材料過(guò)早的發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成硬團(tuán)，在后續(xù)的攪拌中不易分散，在養(yǎng)護(hù)過(guò)程中不易與骨料形成較強(qiáng)的粘接力，從而在后期的磨拋過(guò)程中脫砂形成表面坑洞現(xiàn)象。因此，考慮到試驗(yàn)的經(jīng)濟(jì)性，后續(xù)試驗(yàn)采用攪拌速度為40Hz。

圖1 板材出現(xiàn)粉團(tuán)現(xiàn)象

2.2 攪拌時(shí)間對(duì)無(wú)機(jī)人造石力學(xué)性能的影響

為了探討攪拌時(shí)間對(duì)無(wú)機(jī)人造石力學(xué)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(lái)水、減水劑、增稠劑等添加劑。試驗(yàn)采用攪拌時(shí)間為3min、4min、5min 和6min 進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。為保證無(wú)機(jī)人造石物料狀態(tài)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)物料狀態(tài)把水灰比0.1 調(diào)整為0.2，探究攪拌時(shí)間對(duì)無(wú)機(jī)人造石力學(xué)性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。

表3 攪拌時(shí)間對(duì)無(wú)機(jī)人造石的力學(xué)性能影響

從表3 可以看出，在同樣40Hz 的攪拌速度下，攪拌時(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)無(wú)機(jī)人造石的力學(xué)性能有關(guān)鍵性的影響。當(dāng)攪拌時(shí)間為3min 時(shí)，板材的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)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(shí)間過(guò)短，膠凝材料與添加劑未達(dá)到預(yù)設(shè)狀態(tài)，膠凝材料、石英粉體與添加劑沒有達(dá)到充分浸潤(rùn)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(jī)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(wú)法對(duì)表面的骨料進(jìn)行完全包裹浸潤(rùn)。隨著攪拌時(shí)間的延長(zhǎng)，物料狀態(tài)逐漸變?nèi)彳?，團(tuán)聚的粉團(tuán)經(jīng)過(guò)高速長(zhǎng)時(shí)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(lái)水、減水劑等添加劑充分接觸浸潤(rùn)，水化反應(yīng)的水化物通過(guò)骨料的混合擠壓，填充在骨料間的孔隙，增強(qiáng)了骨料之間的咬合力，從而產(chǎn)生強(qiáng)大的粘合力。隨著攪拌時(shí)間的延長(zhǎng)，膠凝材料產(chǎn)生的水化物不斷填充在骨料之間的孔隙。當(dāng)攪拌時(shí)間達(dá)到5min 時(shí)，骨料之間的孔隙逐漸填滿，通過(guò)后期的強(qiáng)度增強(qiáng)，抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度達(dá)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(shí)無(wú)機(jī)人造石的抗折強(qiáng)度為15，5MPa，較3min 時(shí)增加了4.9MPa，增幅為46.7%；抗壓強(qiáng)度為133.2MPa，較3min 時(shí)增加了27.9MPa，增幅為26.5%；吸水率為0.36%，較3min 時(shí)降低了1.29%。隨著攪拌時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng)，試驗(yàn)的無(wú)機(jī)人造石力學(xué)性能逐漸降低，當(dāng)攪拌時(shí)間為6min 時(shí)，其抗折強(qiáng)度已下降至14.6MPa，抗壓強(qiáng)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(shí)間過(guò)長(zhǎng)，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(jī)內(nèi)無(wú)法及時(shí)散發(fā)，導(dǎo)致攪拌機(jī)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(guò)快的現(xiàn)象，即早強(qiáng)固化的現(xiàn)象。早強(qiáng)固化的物料在后期的養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，與附和的骨料間以及水化物的膠結(jié)面粘接力不強(qiáng)，從而增大了在后續(xù)打磨拋光階段容易出現(xiàn)脫砂的風(fēng)險(xiǎn)。

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(duì)無(wú)機(jī)人造石力學(xué)性能有著較大的影響，隨著攪拌速度的增大，無(wú)機(jī)人造石力學(xué)性能有了顯著的提高，當(dāng)攪拌速度達(dá)到40Hz 時(shí)，所制備的無(wú)機(jī)人造石抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、吸水率和板材表面效果達(dá)較大值。此后隨著攪拌速度的增大，無(wú)機(jī)人造石的力學(xué)性能反而降低。

（2）攪拌時(shí)間對(duì)無(wú)機(jī)人造石力學(xué)性能有著關(guān)鍵性的影響，隨著攪拌時(shí)間的延長(zhǎng)，所制備的無(wú)機(jī)人造石抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、吸水率和板材表面效果有著不同程度的影響，當(dāng)攪拌時(shí)間達(dá)到5min 時(shí)，無(wú)機(jī)人造石板材的抗折強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、吸水率和表面效果均達(dá)到較好水平。

（3）攪拌速度和攪拌時(shí)間對(duì)無(wú)機(jī)人造石表面效果有著一定的影響，在攪拌速度為40Hz，攪拌時(shí)間為5min 時(shí)，無(wú)機(jī)人造石的表面效果尤為最佳。