火车用-废旧闸瓦摩擦回收料对砂浆抗碳化性能的影响

王彩辉， 孙凯利， 彭小军， 黄东杰， 付 华， 孙国文

（1.石家庄铁道大学 材料科学与工程学院，河北 石家庄 050043；2.石家庄铁道大学 交通工程材料重点试验室，河北 石家庄 050043）

废旧闸瓦摩擦回收料（FRMWBS），即火车-货车用闸瓦的摩擦料部分。随着铁路工程的快速发展，这种废旧材料每年以数万吨的数量成为工业固体垃圾。目前，对于此类固体垃圾的处理措施主要是深埋回填，但其中的高聚物降解时间漫长，加之其中的金属、无机稀土填料等，对土壤造成很大的污染，同时占用较大的土地资源，特别是汽车用闸片含大量的重金属锑，被认为是潜在的致癌物，人体吸入会破坏心脏及肝脏功能并中毒死亡，锑对环境的危害也很大，尤其对水体环境造成长期不良影响。因此，如何有效处理这些工业废弃物，已及亟待解决的问题。通过查阅国内外文献，目前关于闸瓦的研究多集中在生产工艺、性能［1-4］与损伤机理研究［5-6］方面。沈选金［7］采用消失铸造工艺，提升了小批量闸瓦的生产效率；高红霞、肖绯雄分别给出了不同工况下，闸瓦在不同制动机制下的损伤裂化规律［6，8］。但国内外关于闸瓦服役后，再回收利用的研究相对较少，本课题组的付华教授，系统研究了服役后的闸瓦在合成新闸瓦上应用，收到较好的效果，废旧闸瓦掺量可达80%，为废旧闸瓦的回收利用开辟了一条途径。为进一步扩大废旧闸瓦回收料的利用量，本课题组研究了废旧闸瓦摩擦回收料对水泥砂浆性能的影响，以期能扩展应用到结构混凝土中，改善混凝土的服役性能，同时大大地提高废旧闸瓦的回收利用量。国内外对于结构混凝土的耐久性的研究［9-11］及掺合料，如粉煤灰、矿渣等工业废弃物的再利用研究已经比较成熟［12-16］，而关于该材料的应用研究，尚属空白。基于该废旧摩擦料的主要成分为无机材料，初步研究了这种材料对水泥基材料抗碳化性能的影响规律。

1 原材料

文中的水泥采用唐山冀东水泥有限公司生产的冀东P·O42.5普通硅酸盐水泥，其各项性能指标见表1。砂子的细度模数为2.65，密度为3.0 g／cm3。外加剂为聚羧酸高效减水剂。水为普通自来水。废旧闸瓦摩擦回收材料的密度为2.5 g／cm3，组分复杂，主要为金属填料（增强纤维、金属粉末填料等）、无机填料（耐磨填料等）等。

表1 水泥性能指标

2 成型与养护

本试验采用水灰比为0.68、0.54、0.46。废旧闸瓦摩擦回收料的掺量分别为细集料（质量百分比）的0%、5%、10%、20%、30%，砂浆流动度不小于280 mm，混凝土试件配合比见表2。

表2 砂浆试件的配合比

首先将水泥、砂子、废旧闸瓦摩擦回收料进行预搅拌1 min，然后加入自来水均匀搅拌3 min，搅拌停止后将新拌混凝土浇筑在尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的钢制模具中，并在振动台上振捣密实。将试件在温度为25°C、湿度为95%以上的环境中养护24 h后，拆模，并继续在此环境中养护到既定龄期。养护到期后，将试件放入烘箱烘干48 h，留一个侧面作为渗透面，其余各面均用石蜡密封，后进行加速碳化试验，碳化试验参照文献［17］进行，龄期为7、14、28 d。

3 结果与讨论

3.1 废旧闸瓦摩擦回收料的基本分析

废旧闸瓦摩擦回收料的粒径与形貌，见图1。

由图1可见，废旧闸瓦摩擦回收料的粒径分布介于水泥和细集料之间（图1（c）），一定程度上可优化颗粒的级配。且表面相对粗糙（图1（b）），增加了砂浆试件中颗粒间的接触面积，提高颗粒间的咬合力，纤维的存在有助于改善砂浆的力学性能，尤其可提高水泥基材料的韧性，破坏时形成多点开裂，避免脆性断裂。

对废旧闸瓦的元素分析见表3。由表3可见，回收料中含有S、Mg、Na、K、Cl元素，一般这些元素的离子形式［7-11］对砂浆的耐久性存在潜在危害。结合废旧闸瓦摩擦回收料的原料组成，元素Mg为硅酸盐矿物海泡石的成分，海泡石作为水泥基料的掺加物，对水泥基料的基本性能发展具有促进作用［18-19］；元素Ba、S为重晶石硫酸钡的成分，硫酸钡一般在混凝土当中具有抗辐射的作用［20-21］；元素Na、K的存在，成为混凝土发生碱骨料反应的潜在危害，但不符合碱骨料反应的三个条件之一，即不会发生碱骨料反应（如集料为非活性的或活性集料所占比例较低）；元素Cl经折算后占整个砂浆质量不足0.04%，符合海工工程设计的要求［16］。

图1 废旧闸瓦摩擦回收料的粒径与形貌

表3 FRMWBS的XRF元素分析

3.2 抗压、抗折强度

将试件进行标准养护后，测试试件的抗压强度与抗折强度。废旧闸瓦摩擦回收料对不同水灰比、不同闸瓦取代量对水泥砂浆的抗压、抗折强度的影响，见图2。

由图2可见，随着水灰比的减小，水泥砂浆试件的抗压强度呈阶梯式增长；而随废旧闸瓦含量的逐步增加，各种水灰比水泥砂浆的抗折强度呈现先增加后减小的规律，其中，当废旧闸瓦含量为20%时，水泥砂浆的抗折强度具有最大值；闸瓦含量为30%时，抗折强度相比取代量为20%的砂浆略有降低，但相差不大，仍然高于基准砂浆的抗折强度。同时发现，不同系列的水泥砂浆，随着闸瓦取代砂子含量的增加，砂浆的抗压强度呈逐渐增大的趋势。

图2 废旧闸瓦摩擦回收料对不同水灰比砂浆抗压和抗折强度的影响

水泥基材料的强度主要受水灰比、水泥品种、水泥用量、骨料种类、掺合料种类及掺量、骨料级配、养护龄期等因素影响。同等条件下，水灰比的影响较为显著。由两者的粒径分析可知，同质量的废旧闸瓦摩擦回收料的体积要大于同质量砂子的体积，并且废旧闸瓦摩擦回收料的粒径较砂子小，在一定程度上增加了砂浆配料中粉体的比表面积，在单用水量不变的工况下，水灰比会“降低”，对砂浆强度的发展有利；同时还会造成单位砂浆中水泥含量的减少，对强度发展不利，特别是水泥水化产物Ca（OH）2的减少对砂浆的抗碳化性能不利；废旧闸瓦摩擦回收料粗糙的表面，增加了砂浆颗粒间的咬合力，对砂浆强度的发展具有促进作用。通过试验结果的宏观分析，认为废旧闸瓦摩擦回收料取代同质量的砂子，对砂浆试件的抗压强度与抗折强度的发展无不利影响。

3.3 砂浆碳化分析

将试件碳化7、14、28 d后，分别取出一组试块，测量碳化深度，其碳化深度曲线见图3。由图3可见，随着闸瓦取代量的增加，水泥砂浆的碳化深度先升高后降低。取代5%砂浆的碳化深度最大，取代砂子30%的砂浆试件，其碳化深度最小。闸瓦取代砂子10%时，碳化深度与基准水泥砂浆基本相同，闸瓦取代砂子5%时，碳化深度最大，当闸瓦取代砂子20%、30%时，砂浆碳化深度比基准水泥砂浆的要低。说明闸瓦取代砂子，当取代量达到一定程度时，可以提高水泥砂浆的抗碳化能力。

一般钢筋混凝土结构中钢筋的保护层厚度为20～25 mm，根据文献［17］规定，标准加速碳化试验方法测得的28 d碳化深度应相当于自然环境中50 a的碳化深度。由图3（a）可见，3种水灰比的基准试件在28 d的加速条件下，其碳化深度均小于20 mm，说明可以满足服役50 a的要求。但随着废旧闸瓦含量的增加，3种水灰比的试件在废旧闸瓦掺量为5%时，出现了碳化深度的最大值，分别为20.5、11.2、5.0 mm。如果按照钢筋混凝土保护层厚度20 mm分析，水灰比为0.58试件在废旧闸瓦掺量为5%时，将不能满足服役要求。当废旧闸瓦掺量在10%～30%时，3种试件28 d的碳化性能均能满足水泥基材抗碳化侵蚀50 a的要求。

图3 废旧闸瓦摩擦回收料含量对不同水灰比砂浆的抗碳化性能影响

水泥基材的碳化深度（碳化速率）一般与湿度、温度、水泥基材的水化产物、水化程度、水泥用量、CO2浓度、水灰比、碱含量及孔结构等因素有关。在相同条件下，水泥的含量越多，水化程度越高，水泥基材的抗碳化性能越好；孔结构的特征也会影响CO2在水泥基材料中传输；适量加入掺合料，如粉煤灰等，可提高水泥基材料的抗氯离子侵蚀性能，但对于抗碳化性能，具有不利的作用，原因是即使粉煤灰的掺入可优化水泥基材的孔结构（孔隙率降低，大孔细化），但碳化过程还与水泥基材的水化产物——Ca（OH）2有关，同条件下，Ca（OH）2越多，可在一定程度上阻碍（Ca（OH）2与CO2反应，除了消耗CO2外，还可在一定程度上密实水泥基材的结构）CO2的碳化过程。同样条件下，采用废旧闸瓦摩擦回收料替代砂子，与基准相比，含废旧闸瓦摩擦回收料的试件，其水泥含量相对较少，且废旧闸瓦摩擦回收料的粒径较砂子小，可优化砂浆孔结构。综合认为，废旧闸瓦摩擦回收料试件中的Ca（OH）2含量较基准少（不利于试件的抗碳化性能）；且大孔减少，小孔增加，增加了CO2传输的曲折度，降低了CO2在砂浆中的传输速率（有利于试件的抗碳化性能）。

3.4 孔结构分析

选取同一个系列水灰比为0.54的试件，进行孔结构分析。基准砂浆（不掺闸瓦）与废旧闸瓦摩擦回收料取代砂子5%的砂浆试件的压汞曲线，见图4。

图4 废旧闸瓦摩擦回收料取代砂子5%试件的压汞曲线

一般在相同条件下，混凝土的抗碳化性能受混凝土的饱水度和孔结构影响较大［22-24］。1973年，吴中伟院士根据试验研究将混凝土中孔的孔径分为4个等级，即孔径小于20 nm以下的为无害孔、介于20～50 nm之间的为少害孔、50～200 nm之间的为有害孔以及大于200 nm的为多害孔［25］。由图4可见，废旧闸瓦摩擦回收料取代5%砂子的砂浆孔隙总体积、有害孔体积略低于基准砂浆。由以上结论可以看出，废旧闸瓦摩擦回收料取代5%砂子的砂浆，总孔隙率与基准砂浆基本相等，有害孔含量也基本与基准砂浆持平。

废旧闸瓦摩擦回收料取代10%砂子压汞曲线见图5。由图5可见：（1）废旧闸瓦摩擦回收料取代10%砂子的砂浆孔隙总体积低于基准砂浆；（2）废旧闸瓦摩擦回收料取代10%砂子的砂浆有害孔体积明显低于基准砂浆；（3）出汞后，孔隙中剩余汞量废旧闸瓦摩擦回收料取代10%砂子的砂浆低于基准砂浆。由以上结论可以看出，废旧闸瓦摩擦回收料取代10%砂子的砂浆，总孔隙率比基准砂浆略高，但有害孔明显比基准砂浆的少。这也说明，随着废旧闸瓦回收料取代砂子含量的增多，砂浆内部的孔得到一定程度的优化，即大孔减少，小孔增加，增加了CO2传输的曲折度，使碳化深度降低，能够有效地增强砂浆的抗碳化性能，与试验结果相符。

废旧闸瓦摩擦回收料取代20%、30%砂子压汞曲线见图6、图7。由图6、图7可见：（1）废旧闸瓦摩擦回收料取代20%、30%砂子的砂浆孔隙总体积低于基准砂浆；（2）废旧闸瓦摩擦回收料取代20%、30%砂子的砂浆有害孔体积明显低于基准砂浆；（3）出汞后，废旧闸瓦摩擦回收料取代砂子20%、30%的砂浆砂浆试件，其孔隙中剩余汞量低于基准砂浆。由以上可以看出，废旧闸瓦摩擦回收料取代砂子20%、30%的砂浆试件，总孔隙率比基准砂浆低，有害孔也明显比基准砂浆的少。这也说明，随着废旧闸瓦回收料取代砂子含量的增多，降低了砂浆碳化深度，能够有效地增强砂浆的抗碳化性能，与试验结果相符。元成方等［26］的研究表明，降低水泥基材的大孔含量能有效地改善水泥基材的抗碳化性能。

图5 废旧闸瓦摩擦回收料取代10%砂子压汞曲线

图6 废旧闸瓦摩擦回收料取代砂子20%试件的压汞曲线

图7 废旧闸瓦摩擦回收料取代砂子30%试件的压汞曲线

综合分析发现，虽然废旧闸瓦摩擦回收料替代砂子降低了砂浆的单位体积中水泥的用量，影响了水泥水化产物CH的量，砂浆中随着废旧闸瓦摩擦回收料的增加，相对水灰比减小了。一般试件的水灰比减小后，试件的密实度提高，孔隙率降低，但从压汞的结果来看，各个试件的孔隙率，变化不大，但加入废旧闸瓦摩擦回收料后，试件的中的大孔体积减少，小孔体积相对增加，导致了砂浆抗碳化性能的改善。

3.5 SEM分析

图9 废旧闸瓦摩擦回收料取代砂子20%试件B3的SEM图

图10 废旧闸瓦摩擦回收料取代砂子30%试件B4的SEM图

同样条件下，当细集料表面水泥包裹量较少时，试件内部的黏结力相对较差。废旧闸瓦的平均粒径要小于细集料，以等质量的形式取代细集料，随着废旧闸瓦含量的增加，集料表面的水泥包裹量越来越少，最直接的影响是对试件中界面过渡区的影响，这对混凝土的力学及耐久性不利，但废旧闸瓦摩擦回收料粗糙的表面结构，有利于提高颗粒间的咬合力；另一方面优化了废旧闸瓦摩擦回收料试件的孔结构，有利于试件基本性能的改善。当利弊两种影响出现差距时，将使试件的性能呈现差异。由图8、图9可见，废旧闸瓦摩擦回收料含量为20%时，砂浆内部微裂纹相对较少，砂浆试件界面处较基准密实，在一定程度上得到优化，这也是砂浆强度增大的一个原因。当闸瓦含量达到一定值（30%）时，砂浆内部微裂纹的数量（靠近界面处）有所增加，但不明显，集料和浆体的界面过渡区呈现一定的缺陷，但强度并未降低。廉慧珍等［25］的研究显示，水泥基材缺陷增加，其强度会降低。在本研究中，砂浆的强度相对于基准强度略有增加，这一方面，与废旧闸瓦在一定程度上能够优化砂浆的孔结构有关（图7），当

选取同一个系列水灰比为0.54的试块，进行SEM分析。所选试块分别为基准试块B0、闸瓦取代20%砂子的试块B3、闸瓦取代30%砂子的试块B4。每个样品分别放大200、1 000、2 000倍对其界面特征进行对比和分析，见图8～图10所示。废旧闸瓦摩擦回收料掺量在30%时，砂浆中50 nm以下的孔有所增加，50～1 000 nm以上的孔有所减少，总孔隙率变化不大；另一方面，废旧闸瓦摩擦回收料表面较粗糙，与水化产物及其他砂浆组分的摩擦角较大，最终使其强度较基准试件没有降低。

本文只研究了单一因素废旧闸瓦摩擦回收料对砂浆抗碳化性能的影响，而关于复合因素对混凝土抗碳化及其微结构的影响是目前研究的热点问题［26-29］，下一步将展开复合因素对废旧闸瓦摩擦回收料混凝土抗碳化及微结构影响的研究。

4 结论

通过对废旧闸瓦摩擦回收料的微观分析及其对混凝土抗碳化性能影响的研究，得到以下结论：

（1）废旧闸瓦摩擦回收料表面粗糙，可增加颗粒之间的摩擦作用力；粒径介于水泥和细集料之间，可作为超细集料加入水泥基材中。

（2）将废旧闸瓦摩擦回收料加入砂浆中，可提高砂浆的抗压、抗折强度。

（3）废旧闸瓦砂浆的抗碳化结果表明，当废旧闸瓦摩擦回收料在砂浆中的掺量为5%时，与基准砂浆相比，抗碳化性能较差，当掺量在10%～30%时，砂浆的抗碳化性能较基准砂浆逐渐提高。

（4）根据目前的研究，考虑抗折强度、抗压强度及碳化程度，建议废旧闸瓦摩擦回收料的掺量为20%为宜。

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