探讨搅拌速度和搅拌时间对无机人造石材力学性能的影响

2023-10-20李浩辉

建材与装饰 2023年30期

李浩辉

（广州市建筑科学研究院集团有限公司，广东广州 510440；广东原创新材料科技有限公司，广东英德 531000）

0 引言

在建筑装饰领域，天然石材以高档、美观、耐久性好等优点受到了人们的青睐[1]，但天然石材属于不可再生资源，开采过程石材可利用率较低并引发一系列不符合国家绿色发展的环境污染问题，造成天然石材行业的可持续发展受到制约。相对于天然石材，人造石材既具有天然石材的优点，也可弥补天然石材不够环保、花纹不可设计、部分具有辐射性等缺点，随着大众对石材产品品质需求的日益增高，以及环保意识的不断加强，具有绿色、环保、耐用的无机人造石材逐渐受到市场的青睐，无机人造石材占建筑装饰材料市场比重也逐步加大[2-3]。目前无机人造石材已在国内地铁站、商场、机场、火车站、高铁站等各类应用场景中得到推广应用，取得了不错的成绩。

近年来，广大学者对无机人造石进行了研究。黄习旋等[4]分析了高性能无机人造石的改性研究、应用现状及发展趋势；熊春杨等[5]通过优化骨料颗粒级配，胶凝材料用量已经以及乳液的掺入量进一步提高无机人造石的强度和低吸水率。张鹏等[6]分析了骨料级配对水泥基板材性能的影响；吴泽恩[7]通过分析人造石材料中骨料与无机胶凝物质之间的相互作用，致力于更多轻质、高强、多功能人造石材料及制品；雷翅等[8]通过分析人造石材的研究与发展现状，提出了未来人造石的发展建议。但关于无机人造石材制备搅拌工艺的相关研究较少，本文针对无机人造石材，采用对比试验，探讨不同的搅拌速度和搅拌时间，其对无机人造石材力学性能的影响进行研究，希望为无机人造石生产厂家的生产制备提供一定的借鉴。

1 原材料和试验方法

1.1 原材料

（1）骨料。20~40 目、40~70 目和70~120 目粒径机制石英砂组成，莫氏硬度为7，含水率＜0.03%，机制石英砂的物理性能如表1 所示。

表1 机制石英砂的物理性能

（2）石英粉。由石英粉和碳酸钙粉组成，两者比例为7:3，目数都为325~400 目。

（3）胶凝材料为普通硅酸盐水泥P.O 52.5。

（4）其他添加剂包括减水剂、增稠剂、乳液、自来水等。

1.2 试验方法

本次使用的搅拌机是某市生产的立式行星式搅拌机，自带变频控制搅拌速度和搅拌时间记录软件。

本试验将胶凝材料、骨料、石英粉依次倒入搅拌机中，使之混合均匀；然后将称量好的自来水、减水剂、增稠剂、乳液等添加剂依次缓慢加入搅拌机中，使之搅拌均匀；将搅拌好的物料倒入提前铺放牛皮纸的模具中；在处理好的物料表面覆盖一层缓冲垫，后将其与模具整体放置于振动压力机进行压制成型；成型后马上进行脱模，放置室内自然养护；养护至7d 后进行压缩强度、弯曲强度及吸水率测试。无机人造石的力学性能测试是根据标准《人造石试验方法第2 部分弯曲强度的测定》（DB44/T 1100.2—2012）和《合成石材试验方法第1 部分密度和吸水率的测定》（GB/T 35160.1—2017）。

2 无机人造石的制备和研究

2.1 搅拌速度对无机人造石力学性能的影响

为了探讨搅拌速度对无机人造石性能的影响，提前把准备好的相同分量胶凝材料、骨料以及石英粉依次放入搅拌机中，同时提前准备好相同分量的自来水、增稠剂、减水剂等添加剂。通过对搅拌机进行控温处理，使其搅拌前的温度以及其他物理状态保持一致。通过改变搅拌机的变频控制器的调速档位，从而控制搅拌机的搅拌速度，使其在相同的搅拌时间内达到相应的可压制物料状态，经同样的时间养护处理后进行其他力学性能的试验。搅拌速度对无机人造石的力学性能影响如表2 所示。

表2 搅拌速度对无机人造石的力学性能影响

从表2 可以看出，不同搅拌速度对无机人造石的性能影响较大。当搅拌速度过低时，板材的抗折强度和抗压强度较低，吸水率相对较高，板材表面出现明显的粉团现象。主要原因是由于搅拌速度较低，石英粉和胶凝材料易团聚，不易充分打散，随着自来水、乳液等液体的加入，导致很多粉团无法充分与液体进行包裹浸润，进行水化反应，导致部分团聚粉团，加大骨料间胶结面的孔隙缺陷概率，不利于后期强度的增长，而且团聚的粉团在养护后在板材表面易形成粉团现象，如图1所示。随着搅拌速度的增加，无机人造石的抗折强度、抗压强度都逐渐增大，吸水率逐步降低，板材表面效果逐渐变好，粉团出现的概率也逐渐减少。在搅拌速度达到40Hz 时，达到最大值。相比较低搅拌速度为25Hz时，抗折强度和抗压强度分别提高了1.9MPa，12.5MPa，增幅比例为14.3%，10.4%，板材表面效果也得到明显提高。主要原因是随着搅拌速度的增大，团聚的石英粉和胶凝材料被打散重组，粉体与加入的液体充分包裹浸润，使得无机人造石内部结构变得更为致密。而随着水泥水化反应的不断进行，生成的水化产物越来越多，骨料间的黏结力得到增强，无机人造石内部能够形成良好的嵌固体。因此，抗折强度和抗压强度逐渐增强，吸水率则逐渐降低。随着搅拌速度继续增大，抗折强度和抗压强度逐渐降低，但降低速度相对变缓，同步吸水率也相应升高，板面效果逐步出现坑洞等。主要原因是由于搅拌速度过大，前期骨料摩擦产生过高的热量，导致胶凝材料过早的发生化学反应，形成硬团，在后续的搅拌中不易分散，在养护过程中不易与骨料形成较强的粘接力，从而在后期的磨抛过程中脱砂形成表面坑洞现象。因此，考虑到试验的经济性，后续试验采用搅拌速度为40Hz。

图1 板材出现粉团现象

2.2 搅拌时间对无机人造石力学性能的影响

为了探讨搅拌时间对无机人造石力学性能的影响，采用搅拌速度为40Hz，同一分量的骨料、石英粉以及相同分量的自来水、减水剂、增稠剂等添加剂。试验采用搅拌时间为3min、4min、5min 和6min 进行对比试验。为保证无机人造石物料状态，根据现场物料状态把水灰比0.1 调整为0.2，探究搅拌时间对无机人造石力学性能的影响，试验结果如表3 所示。

表3 搅拌时间对无机人造石的力学性能影响

从表3 可以看出，在同样40Hz 的搅拌速度下，搅拌时间的长短对无机人造石的力学性能有关键性的影响。当搅拌时间为3min 时，板材的抗折强度和抗压强度较低，吸水率偏高，板材表面还存在局部蜂窝现象。表明物料搅拌时间过短，胶凝材料与添加剂未达到预设状态，胶凝材料、石英粉体与添加剂没有达到充分浸润包裹的状态，胶凝材料的水化反应未完全发生，其形成的胶结面没牢固，与骨料之间机械咬合和物流吸附作用未完全释放，骨料之间的孔隙缺陷较大，从板材表面效果中也可以看到板材局部出现蜂窝现象，板材表面出现蜂窝现象如图2 所示，胶凝材料与添加剂反应产生的水化物无法对表面的骨料进行完全包裹浸润。随着搅拌时间的延长，物料状态逐渐变柔软，团聚的粉团经过高速长时间的摩擦打散，石英粉与胶凝材料充分打散混合，胶凝材料表面与自来水、减水剂等添加剂充分接触浸润，水化反应的水化物通过骨料的混合挤压，填充在骨料间的孔隙，增强了骨料之间的咬合力，从而产生强大的粘合力。随着搅拌时间的延长，胶凝材料产生的水化物不断填充在骨料之间的孔隙。当搅拌时间达到5min 时，骨料之间的孔隙逐渐填满，通过后期的强度增强，抗折强度和抗压强度达到最大值，吸水率较低，板材表面最好，板材正常表面如图3 所示。此时无机人造石的抗折强度为15，5MPa，较3min 时增加了4.9MPa，增幅为46.7%；抗压强度为133.2MPa，较3min 时增加了27.9MPa，增幅为26.5%；吸水率为0.36%，较3min 时降低了1.29%。随着搅拌时间继续延长，试验的无机人造石力学性能逐渐降低，当搅拌时间为6min 时，其抗折强度已下降至14.6MPa，抗压强度也同步下降至129.9MPa，吸水率也从0.36%上升至0.39%。其出现的原因是高速搅拌时间过长，骨料与骨料之间的摩擦加剧，胶凝材料产生的水化物也逐渐增多，摩擦产生的热量也随之增多，热量集聚在搅拌机内无法及时散发，导致搅拌机内的温度逐渐变高，胶凝材料随着温度的升高，反应速度也随之加快，局部物料出现水化反应过快的现象，即早强固化的现象。早强固化的物料在后期的养护过程中，与附和的骨料间以及水化物的胶结面粘接力不强，从而增大了在后续打磨抛光阶段容易出现脱砂的风险。