王彩輝， 孫凱利， 彭小軍， 黃東杰， 付 華， 孫國文

（1.石家莊鐵道大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北 石家莊 050043；2.石家莊鐵道大學(xué) 交通工程材料重點(diǎn)試驗(yàn)室，河北 石家莊 050043）

廢舊閘瓦摩擦回收料（FRMWBS），即火車-貨車用閘瓦的摩擦料部分。隨著鐵路工程的快速發(fā)展，這種廢舊材料每年以數(shù)萬噸的數(shù)量成為工業(yè)固體垃圾。目前，對于此類固體垃圾的處理措施主要是深埋回填，但其中的高聚物降解時間漫長，加之其中的金屬、無機(jī)稀土填料等，對土壤造成很大的污染，同時占用較大的土地資源，特別是汽車用閘片含大量的重金屬銻，被認(rèn)為是潛在的致癌物，人體吸入會破壞心臟及肝臟功能并中毒死亡，銻對環(huán)境的危害也很大，尤其對水體環(huán)境造成長期不良影響。因此，如何有效處理這些工業(yè)廢棄物，已及亟待解決的問題。通過查閱國內(nèi)外文獻(xiàn)，目前關(guān)于閘瓦的研究多集中在生產(chǎn)工藝、性能［1-4］與損傷機(jī)理研究［5-6］方面。沈選金［7］采用消失鑄造工藝，提升了小批量閘瓦的生產(chǎn)效率；高紅霞、肖緋雄分別給出了不同工況下，閘瓦在不同制動機(jī)制下的損傷裂化規(guī)律［6，8］。但國內(nèi)外關(guān)于閘瓦服役后，再回收利用的研究相對較少，本課題組的付華教授，系統(tǒng)研究了服役后的閘瓦在合成新閘瓦上應(yīng)用，收到較好的效果，廢舊閘瓦摻量可達(dá)80%，為廢舊閘瓦的回收利用開辟了一條途徑。為進(jìn)一步擴(kuò)大廢舊閘瓦回收料的利用量，本課題組研究了廢舊閘瓦摩擦回收料對水泥砂漿性能的影響，以期能擴(kuò)展應(yīng)用到結(jié)構(gòu)混凝土中，改善混凝土的服役性能，同時大大地提高廢舊閘瓦的回收利用量。國內(nèi)外對于結(jié)構(gòu)混凝土的耐久性的研究［9-11］及摻合料，如粉煤灰、礦渣等工業(yè)廢棄物的再利用研究已經(jīng)比較成熟［12-16］，而關(guān)于該材料的應(yīng)用研究，尚屬空白。基于該廢舊摩擦料的主要成分為無機(jī)材料，初步研究了這種材料對水泥基材料抗碳化性能的影響規(guī)律。

1 原材料

文中的水泥采用唐山冀東水泥有限公司生產(chǎn)的冀東P·O42.5普通硅酸鹽水泥，其各項(xiàng)性能指標(biāo)見表1。砂子的細(xì)度模數(shù)為2.65，密度為3.0 g／cm3。外加劑為聚羧酸高效減水劑。水為普通自來水。廢舊閘瓦摩擦回收材料的密度為2.5 g／cm3，組分復(fù)雜，主要為金屬填料（增強(qiáng)纖維、金屬粉末填料等）、無機(jī)填料（耐磨填料等）等。

表1 水泥性能指標(biāo)

2 成型與養(yǎng)護(hù)

本試驗(yàn)采用水灰比為0.68、0.54、0.46。廢舊閘瓦摩擦回收料的摻量分別為細(xì)集料（質(zhì)量百分比）的0%、5%、10%、20%、30%，砂漿流動度不小于280 mm，混凝土試件配合比見表2。

表2 砂漿試件的配合比

首先將水泥、砂子、廢舊閘瓦摩擦回收料進(jìn)行預(yù)攪拌1 min，然后加入自來水均勻攪拌3 min，攪拌停止后將新拌混凝土澆筑在尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的鋼制模具中，并在振動臺上振搗密實(shí)。將試件在溫度為25°C、濕度為95%以上的環(huán)境中養(yǎng)護(hù)24 h后，拆模，并繼續(xù)在此環(huán)境中養(yǎng)護(hù)到既定齡期。養(yǎng)護(hù)到期后，將試件放入烘箱烘干48 h，留一個側(cè)面作為滲透面，其余各面均用石蠟密封，后進(jìn)行加速碳化試驗(yàn)，碳化試驗(yàn)參照文獻(xiàn)［17］進(jìn)行，齡期為7、14、28 d。

3 結(jié)果與討論

3.1 廢舊閘瓦摩擦回收料的基本分析

廢舊閘瓦摩擦回收料的粒徑與形貌，見圖1。

由圖1可見，廢舊閘瓦摩擦回收料的粒徑分布介于水泥和細(xì)集料之間（圖1（c）），一定程度上可優(yōu)化顆粒的級配。且表面相對粗糙（圖1（b）），增加了砂漿試件中顆粒間的接觸面積，提高顆粒間的咬合力，纖維的存在有助于改善砂漿的力學(xué)性能，尤其可提高水泥基材料的韌性，破壞時形成多點(diǎn)開裂，避免脆性斷裂。

對廢舊閘瓦的元素分析見表3。由表3可見，回收料中含有S、Mg、Na、K、Cl元素，一般這些元素的離子形式［7-11］對砂漿的耐久性存在潛在危害。結(jié)合廢舊閘瓦摩擦回收料的原料組成，元素Mg為硅酸鹽礦物海泡石的成分，海泡石作為水泥基料的摻加物，對水泥基料的基本性能發(fā)展具有促進(jìn)作用［18-19］；元素Ba、S為重晶石硫酸鋇的成分，硫酸鋇一般在混凝土當(dāng)中具有抗輻射的作用［20-21］；元素Na、K的存在，成為混凝土發(fā)生堿骨料反應(yīng)的潛在危害，但不符合堿骨料反應(yīng)的三個條件之一，即不會發(fā)生堿骨料反應(yīng)（如集料為非活性的或活性集料所占比例較低）；元素Cl經(jīng)折算后占整個砂漿質(zhì)量不足0.04%，符合海工工程設(shè)計的要求［16］。

圖1 廢舊閘瓦摩擦回收料的粒徑與形貌

表3 FRMWBS的XRF元素分析

3.2 抗壓、抗折強(qiáng)度

將試件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后，測試試件的抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度。廢舊閘瓦摩擦回收料對不同水灰比、不同閘瓦取代量對水泥砂漿的抗壓、抗折強(qiáng)度的影響，見圖2。

由圖2可見，隨著水灰比的減小，水泥砂漿試件的抗壓強(qiáng)度呈階梯式增長；而隨廢舊閘瓦含量的逐步增加，各種水灰比水泥砂漿的抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后減小的規(guī)律，其中，當(dāng)廢舊閘瓦含量為20%時，水泥砂漿的抗折強(qiáng)度具有最大值；閘瓦含量為30%時，抗折強(qiáng)度相比取代量為20%的砂漿略有降低，但相差不大，仍然高于基準(zhǔn)砂漿的抗折強(qiáng)度。同時發(fā)現(xiàn)，不同系列的水泥砂漿，隨著閘瓦取代砂子含量的增加，砂漿的抗壓強(qiáng)度呈逐漸增大的趨勢。

圖2 廢舊閘瓦摩擦回收料對不同水灰比砂漿抗壓和抗折強(qiáng)度的影響

水泥基材料的強(qiáng)度主要受水灰比、水泥品種、水泥用量、骨料種類、摻合料種類及摻量、骨料級配、養(yǎng)護(hù)齡期等因素影響。同等條件下，水灰比的影響較為顯著。由兩者的粒徑分析可知，同質(zhì)量的廢舊閘瓦摩擦回收料的體積要大于同質(zhì)量砂子的體積，并且廢舊閘瓦摩擦回收料的粒徑較砂子小，在一定程度上增加了砂漿配料中粉體的比表面積，在單用水量不變的工況下，水灰比會“降低”，對砂漿強(qiáng)度的發(fā)展有利；同時還會造成單位砂漿中水泥含量的減少，對強(qiáng)度發(fā)展不利，特別是水泥水化產(chǎn)物Ca（OH）2的減少對砂漿的抗碳化性能不利；廢舊閘瓦摩擦回收料粗糙的表面，增加了砂漿顆粒間的咬合力，對砂漿強(qiáng)度的發(fā)展具有促進(jìn)作用。通過試驗(yàn)結(jié)果的宏觀分析，認(rèn)為廢舊閘瓦摩擦回收料取代同質(zhì)量的砂子，對砂漿試件的抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度的發(fā)展無不利影響。

3.3 砂漿碳化分析

將試件碳化7、14、28 d后，分別取出一組試塊，測量碳化深度，其碳化深度曲線見圖3。由圖3可見，隨著閘瓦取代量的增加，水泥砂漿的碳化深度先升高后降低。取代5%砂漿的碳化深度最大，取代砂子30%的砂漿試件，其碳化深度最小。閘瓦取代砂子10%時，碳化深度與基準(zhǔn)水泥砂漿基本相同，閘瓦取代砂子5%時，碳化深度最大，當(dāng)閘瓦取代砂子20%、30%時，砂漿碳化深度比基準(zhǔn)水泥砂漿的要低。說明閘瓦取代砂子，當(dāng)取代量達(dá)到一定程度時，可以提高水泥砂漿的抗碳化能力。

一般鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的保護(hù)層厚度為20～25 mm，根據(jù)文獻(xiàn)［17］規(guī)定，標(biāo)準(zhǔn)加速碳化試驗(yàn)方法測得的28 d碳化深度應(yīng)相當(dāng)于自然環(huán)境中50 a的碳化深度。由圖3（a）可見，3種水灰比的基準(zhǔn)試件在28 d的加速條件下，其碳化深度均小于20 mm，說明可以滿足服役50 a的要求。但隨著廢舊閘瓦含量的增加，3種水灰比的試件在廢舊閘瓦摻量為5%時，出現(xiàn)了碳化深度的最大值，分別為20.5、11.2、5.0 mm。如果按照鋼筋混凝土保護(hù)層厚度20 mm分析，水灰比為0.58試件在廢舊閘瓦摻量為5%時，將不能滿足服役要求。當(dāng)廢舊閘瓦摻量在10%～30%時，3種試件28 d的碳化性能均能滿足水泥基材抗碳化侵蝕50 a的要求。

圖3 廢舊閘瓦摩擦回收料含量對不同水灰比砂漿的抗碳化性能影響

水泥基材的碳化深度（碳化速率）一般與濕度、溫度、水泥基材的水化產(chǎn)物、水化程度、水泥用量、CO2濃度、水灰比、堿含量及孔結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。在相同條件下，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；孔結(jié)構(gòu)的特征也會影響CO2在水泥基材料中傳輸；適量加入摻合料，如粉煤灰等，可提高水泥基材料的抗氯離子侵蝕性能，但對于抗碳化性能，具有不利的作用，原因是即使粉煤灰的摻入可優(yōu)化水泥基材的孔結(jié)構(gòu)（孔隙率降低，大孔細(xì)化），但碳化過程還與水泥基材的水化產(chǎn)物——Ca（OH）2有關(guān)，同條件下，Ca（OH）2越多，可在一定程度上阻礙（Ca（OH）2與CO2反應(yīng)，除了消耗CO2外，還可在一定程度上密實(shí)水泥基材的結(jié)構(gòu)）CO2的碳化過程。同樣條件下，采用廢舊閘瓦摩擦回收料替代砂子，與基準(zhǔn)相比，含廢舊閘瓦摩擦回收料的試件，其水泥含量相對較少，且廢舊閘瓦摩擦回收料的粒徑較砂子小，可優(yōu)化砂漿孔結(jié)構(gòu)。綜合認(rèn)為，廢舊閘瓦摩擦回收料試件中的Ca（OH）2含量較基準(zhǔn)少（不利于試件的抗碳化性能）；且大孔減少，小孔增加，增加了CO2傳輸?shù)那鄱?，降低了CO2在砂漿中的傳輸速率（有利于試件的抗碳化性能）。

3.4 孔結(jié)構(gòu)分析

選取同一個系列水灰比為0.54的試件，進(jìn)行孔結(jié)構(gòu)分析。基準(zhǔn)砂漿（不摻閘瓦）與廢舊閘瓦摩擦回收料取代砂子5%的砂漿試件的壓汞曲線，見圖4。

圖4 廢舊閘瓦摩擦回收料取代砂子5%試件的壓汞曲線

一般在相同條件下，混凝土的抗碳化性能受混凝土的飽水度和孔結(jié)構(gòu)影響較大［22-24］。1973年，吳中偉院士根據(jù)試驗(yàn)研究將混凝土中孔的孔徑分為4個等級，即孔徑小于20 nm以下的為無害孔、介于20～50 nm之間的為少害孔、50～200 nm之間的為有害孔以及大于200 nm的為多害孔［25］。由圖4可見，廢舊閘瓦摩擦回收料取代5%砂子的砂漿孔隙總體積、有害孔體積略低于基準(zhǔn)砂漿。由以上結(jié)論可以看出，廢舊閘瓦摩擦回收料取代5%砂子的砂漿，總孔隙率與基準(zhǔn)砂漿基本相等，有害孔含量也基本與基準(zhǔn)砂漿持平。

廢舊閘瓦摩擦回收料取代10%砂子壓汞曲線見圖5。由圖5可見：（1）廢舊閘瓦摩擦回收料取代10%砂子的砂漿孔隙總體積低于基準(zhǔn)砂漿；（2）廢舊閘瓦摩擦回收料取代10%砂子的砂漿有害孔體積明顯低于基準(zhǔn)砂漿；（3）出汞后，孔隙中剩余汞量廢舊閘瓦摩擦回收料取代10%砂子的砂漿低于基準(zhǔn)砂漿。由以上結(jié)論可以看出，廢舊閘瓦摩擦回收料取代10%砂子的砂漿，總孔隙率比基準(zhǔn)砂漿略高，但有害孔明顯比基準(zhǔn)砂漿的少。這也說明，隨著廢舊閘瓦回收料取代砂子含量的增多，砂漿內(nèi)部的孔得到一定程度的優(yōu)化，即大孔減少，小孔增加，增加了CO2傳輸?shù)那鄱?，使碳化深度降低，能夠有效地增?qiáng)砂漿的抗碳化性能，與試驗(yàn)結(jié)果相符。

廢舊閘瓦摩擦回收料取代20%、30%砂子壓汞曲線見圖6、圖7。由圖6、圖7可見：（1）廢舊閘瓦摩擦回收料取代20%、30%砂子的砂漿孔隙總體積低于基準(zhǔn)砂漿；（2）廢舊閘瓦摩擦回收料取代20%、30%砂子的砂漿有害孔體積明顯低于基準(zhǔn)砂漿；（3）出汞后，廢舊閘瓦摩擦回收料取代砂子20%、30%的砂漿砂漿試件，其孔隙中剩余汞量低于基準(zhǔn)砂漿。由以上可以看出，廢舊閘瓦摩擦回收料取代砂子20%、30%的砂漿試件，總孔隙率比基準(zhǔn)砂漿低，有害孔也明顯比基準(zhǔn)砂漿的少。這也說明，隨著廢舊閘瓦回收料取代砂子含量的增多，降低了砂漿碳化深度，能夠有效地增強(qiáng)砂漿的抗碳化性能，與試驗(yàn)結(jié)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。

圖5 廢舊閘瓦摩擦回收料取代10%砂子壓汞曲線

圖6 廢舊閘瓦摩擦回收料取代砂子20%試件的壓汞曲線

圖7 廢舊閘瓦摩擦回收料取代砂子30%試件的壓汞曲線

綜合分析發(fā)現(xiàn)，雖然廢舊閘瓦摩擦回收料替代砂子降低了砂漿的單位體積中水泥的用量，影響了水泥水化產(chǎn)物CH的量，砂漿中隨著廢舊閘瓦摩擦回收料的增加，相對水灰比減小了。一般試件的水灰比減小后，試件的密實(shí)度提高，孔隙率降低，但從壓汞的結(jié)果來看，各個試件的孔隙率，變化不大，但加入廢舊閘瓦摩擦回收料后，試件的中的大孔體積減少，小孔體積相對增加，導(dǎo)致了砂漿抗碳化性能的改善。

3.5 SEM分析

圖9 廢舊閘瓦摩擦回收料取代砂子20%試件B3的SEM圖

圖10 廢舊閘瓦摩擦回收料取代砂子30%試件B4的SEM圖

同樣條件下，當(dāng)細(xì)集料表面水泥包裹量較少時，試件內(nèi)部的黏結(jié)力相對較差。廢舊閘瓦的平均粒徑要小于細(xì)集料，以等質(zhì)量的形式取代細(xì)集料，隨著廢舊閘瓦含量的增加，集料表面的水泥包裹量越來越少，最直接的影響是對試件中界面過渡區(qū)的影響，這對混凝土的力學(xué)及耐久性不利，但廢舊閘瓦摩擦回收料粗糙的表面結(jié)構(gòu)，有利于提高顆粒間的咬合力；另一方面優(yōu)化了廢舊閘瓦摩擦回收料試件的孔結(jié)構(gòu)，有利于試件基本性能的改善。當(dāng)利弊兩種影響出現(xiàn)差距時，將使試件的性能呈現(xiàn)差異。由圖8、圖9可見，廢舊閘瓦摩擦回收料含量為20%時，砂漿內(nèi)部微裂紋相對較少，砂漿試件界面處較基準(zhǔn)密實(shí)，在一定程度上得到優(yōu)化，這也是砂漿強(qiáng)度增大的一個原因。當(dāng)閘瓦含量達(dá)到一定值（30%）時，砂漿內(nèi)部微裂紋的數(shù)量（靠近界面處）有所增加，但不明顯，集料和漿體的界面過渡區(qū)呈現(xiàn)一定的缺陷，但強(qiáng)度并未降低。廉慧珍等［25］的研究顯示，水泥基材缺陷增加，其強(qiáng)度會降低。在本研究中，砂漿的強(qiáng)度相對于基準(zhǔn)強(qiáng)度略有增加，這一方面，與廢舊閘瓦在一定程度上能夠優(yōu)化砂漿的孔結(jié)構(gòu)有關(guān)（圖7），當(dāng)

選取同一個系列水灰比為0.54的試塊，進(jìn)行SEM分析。所選試塊分別為基準(zhǔn)試塊B0、閘瓦取代20%砂子的試塊B3、閘瓦取代30%砂子的試塊B4。每個樣品分別放大200、1 000、2 000倍對其界面特征進(jìn)行對比和分析，見圖8～圖10所示。廢舊閘瓦摩擦回收料摻量在30%時，砂漿中50 nm以下的孔有所增加，50～1 000 nm以上的孔有所減少，總孔隙率變化不大；另一方面，廢舊閘瓦摩擦回收料表面較粗糙，與水化產(chǎn)物及其他砂漿組分的摩擦角較大，最終使其強(qiáng)度較基準(zhǔn)試件沒有降低。

本文只研究了單一因素廢舊閘瓦摩擦回收料對砂漿抗碳化性能的影響，而關(guān)于復(fù)合因素對混凝土抗碳化及其微結(jié)構(gòu)的影響是目前研究的熱點(diǎn)問題［26-29］，下一步將展開復(fù)合因素對廢舊閘瓦摩擦回收料混凝土抗碳化及微結(jié)構(gòu)影響的研究。

4 結(jié)論

通過對廢舊閘瓦摩擦回收料的微觀分析及其對混凝土抗碳化性能影響的研究，得到以下結(jié)論：

（1）廢舊閘瓦摩擦回收料表面粗糙，可增加顆粒之間的摩擦作用力；粒徑介于水泥和細(xì)集料之間，可作為超細(xì)集料加入水泥基材中。

（2）將廢舊閘瓦摩擦回收料加入砂漿中，可提高砂漿的抗壓、抗折強(qiáng)度。

（3）廢舊閘瓦砂漿的抗碳化結(jié)果表明，當(dāng)廢舊閘瓦摩擦回收料在砂漿中的摻量為5%時，與基準(zhǔn)砂漿相比，抗碳化性能較差，當(dāng)摻量在10%～30%時，砂漿的抗碳化性能較基準(zhǔn)砂漿逐漸提高。

（4）根據(jù)目前的研究，考慮抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度及碳化程度，建議廢舊閘瓦摩擦回收料的摻量為20%為宜。

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