夏 勇，陳嘉健，李子宏，馬岸民

（佛山科學技術學院 交通與土木建筑學院, 廣東 佛山 528000）

在土建行業(yè)中，河砂短缺及河砂價格持續(xù)上漲，導致建筑砂漿和商品混凝土單價大幅上漲[1]，采用合適的材料代替河砂是目前建筑行業(yè)亟需解決的問題。而在石材制品行業(yè)，石材加工廠對石材制品進行切割、打磨、拋光等一系列工藝步驟時會產(chǎn)生大量石材污泥廢料，通常將其簡單掩埋處理，但對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生嚴重破壞[2]，因而，如何有效處置石材污泥是石材行業(yè)亟需解決的難題。

為妥善解決上述行業(yè)中存在的難題，將石材污泥加工成石材廢渣粉摻入砂漿或混凝土中置換砂石材料為一舉兩得的低耗減廢的可行辦法。李古等[3-4]實驗表明用石粉代替水泥漿體可以改善砂漿的流動性及強度，有部分學者認為用廢石粉部分取代砂可以改善砂漿的和易性，提高力學性能并有助于施工[5-7]。郭育霞等[8]實驗表明在混凝土中外摻15%～20%廢石粉時，混凝土的力學性能及耐久性最好，代替20%砂時，混凝土的粘聚性和保水性較好[9]，研究發(fā)現(xiàn)復摻石粉時，自密實混凝土表現(xiàn)出更優(yōu)異的性能[10]。究其原因，孫虎等[11-12]認為用廢石粉作為混凝土摻和料時，優(yōu)化了混凝土中細集料顆粒級配，提高了混凝土的各項性能。也有研究表明石粉的顆粒形貌是主要因素[13]，石粉在砂漿和混凝土中發(fā)揮晶核、填充、化學和稀釋作用，從而提高水泥基材料的工作性能[14]。

聚丙烯纖維作為一種常見、廉價的纖維制品，摻入到砂漿或混凝土中對其性能有顯著影響。有研究表明聚丙烯纖維的摻量及纖維長度對砂漿的流動性和粘附性有負面作用，對粘聚性有正面作用[15-17]，而往再生混凝土中摻入聚丙烯纖維能夠有效提升其力學性能及耐久性[18-19]。

閱讀文獻發(fā)現(xiàn)，研究人員已開展礦物摻和料和纖維在砂漿中應用的探索，但用石材廢渣粉置換標準砂對纖維砂漿流變性能的影響的相關研究尚未展開。有研究表明砂漿的流變性主要受到固體材料比表面積、表面積、固體材料之間空隙率以及水含量等諸多因素的影響[20]。為探索摻入石材廢渣粉置換標準砂的纖維砂漿流變性能的控制因素，測量了纖維砂漿的填充密度，并綜合考慮固體材料比表面積、表面積、固體材料之間空隙率和液體體積，計算出砂漿的平均液層厚度和平均泥漿層厚度，探索平均液層厚度與平均泥漿層厚度與纖維砂漿流變性能的關系。

1 實驗方案

1.1 原材料

水泥采用42.5普通硅酸鹽水泥，密度為3 127 kg/m3，比表面積為0.364 m2/g；細集料采用標準砂，細度模數(shù)為2.48，密度為2 476 kg/m3，比表面積為5.52×10-3m2/g；石材廢渣粉(簡稱廢渣粉)由廣東省佛山市利銘蜂窩復合材料有限公司提供的石材污泥在實驗室干燥箱100 ℃條件下干燥至恒重，用粉碎機將泥渣塊體粉碎，最后經(jīng)篩分實驗得到粒徑小于1.25 mm的廢渣粉，如圖1所示，經(jīng)測試密度為2 400 kg/m3，比表面積為0.364 m2/g；纖維采用長度為6 mm，直徑為31 μm，密度為910 kg/m3的聚丙烯纖維；減水劑采用聚羧酸高效減水劑。從掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope，SEM)圖像觀察到水泥、廢渣粉和標準砂的幾何形狀極不規(guī)則，形貌復雜，如圖2所示。經(jīng)激光粒度分析儀測試，固體顆粒粒徑分布見圖3，其中廢渣粉的粒徑最小，遠遠小于標準砂的粒徑。

圖1 石材廢渣粉圖Fig.1 Images of waste stone powder

圖2 原材料SEM圖Fig.2 SEM images of raw material

圖3 水泥、標準砂和廢渣粉的顆粒分布Fig.3 Particle size distributions of cement, standard sand and waste stone powder

1.2 配合比

配制20組不同水灰比、不同廢渣粉置換量的纖維砂漿進行測試。纖維摻量為水泥質(zhì)量的0.2%，減水劑摻量根據(jù)水泥和廢渣粉顆粒表面積計算，水泥和廢渣粉顆粒單位面積上減水劑的質(zhì)量為2.6×10-5kg；水泥漿體積比(水泥、水、減水劑的總體積占砂漿總體積比例)為50%，纖維砂漿的水灰比(水與水泥的體積比)從1.0到1.6，以0.2為級差遞增，骨料體積比(標準砂和廢渣粉的總體積占砂漿總體積的比例)為50%，廢渣粉置換標準砂的體積分數(shù)為0%～20%，以5%為級差遞增。由于在砂漿流變性能中起決定作用的是體積而非質(zhì)量，水灰比和廢渣粉置換量均按體積計算。試塊用“X-Y”編號表示，X表示廢渣粉置換量(廢渣粉置換標準砂的體積分數(shù))，Y表示水灰比，具體配比見表1。

表1 砂漿試樣配合比Table 1 Mix design of mortar samples

1.3 測量方法

1.3.1 流動性測量

砂漿動態(tài)流動性采用V型漏斗作流速測試，靜態(tài)流動性采用小型塌落度筒作擴展度測試。流速為漏斗裝滿砂漿的體積與砂漿流出時間(流出時間為測量開始至漏斗下端出口初次看見光的時間)的比值；擴展度為裝滿砂漿的塌落度筒慢慢提起后漿體在兩個垂直方向的直徑平均值減去筒底的直徑。流動性測量在砂漿攪拌完成后5 min內(nèi)進行。

1.3.2 粘聚性測量

砂漿粘聚性采用過篩率的大小來表示。將約300 g砂漿試樣倒入型號為1.25 mm的孔篩中，靜置2 min后測量孔篩下方托盤中收集的試樣質(zhì)量，則過篩率用托盤中收集的試樣質(zhì)量與倒入孔篩中試樣質(zhì)量的比值來表示。粘聚性測量在砂漿攪拌完成后5 min內(nèi)進行。

1.3.3 粘附性測量

粘附性是指試樣粘附在石棒表面的能力，將石棒浸入裝有砂漿試樣的容器中，然后提起靜置2 min后測量石棒的質(zhì)量，則粘附性為石棒增加的質(zhì)量與石棒浸入容器中表面積的比值。粘附性測量在砂漿攪拌完成后5 min內(nèi)進行。

2 測量結果及分析

纖維砂漿的流速、擴展度、過篩率和粘附性的測量結果見表2，并在圖4中分別繪制了流速、擴展度、過篩率、粘附性與水灰比的變化關系。從圖4中可觀察到，無論廢渣粉置換量如何變化，當水灰比由1.0上升到1.6時，纖維砂漿的流速、擴展度和過篩率均明顯提高，而粘附性則一直減小，因此，纖維砂漿的流速、擴展度、過篩率和粘附性均受到水灰比的影響。主要原因是當水灰比較大時，纖維砂漿中液體體積增加，擴大了固體材料間空隙導致纖維砂漿的密實度下降；而多余的液體在纖維砂漿中發(fā)揮潤滑作用，有助于改善纖維砂漿的性能。

表2 砂漿試樣的測量結果Table 2 Test results of mortar samples

觀察圖4還發(fā)現(xiàn)，當水灰比保持不變時，隨著廢渣粉置換量的提高，纖維砂漿的流速、擴展度、過篩率和粘附性均發(fā)生顯著變化。當廢渣粉置換量由0%提高到20%時，纖維砂漿的流速逐漸變小，而擴展度和粘附性逐漸增大，過篩率則先上升后下降，在15%時達到最大。這主要是因為廢渣粉粒徑小于水泥和標準砂粒徑，隨著廢渣粉置換量的提高，纖維砂漿中的泥漿體積(水泥和廢渣粉漿體的體積)大幅增加，泥漿在纖維砂漿中能夠充當潤滑劑，改善纖維砂漿的性能。

圖4 纖維砂漿性能隨水灰比變化情況Fig.4 Variation of properties with water/cement ratio

3 平均液層厚度與平均泥漿層厚度計算方法及結果分析

3.1 填充密度測量

固體材料的填充密度采用水測緊密值法[21-23]。首先將固體材料裝入攪拌鍋中攪拌2 min，然后加入適量水和減水劑再次攪拌2 min，將攪拌完成的纖維砂漿填滿體積固定的容器中，則有

式(1)中，m、V分別為纖維砂漿的質(zhì)量和體積，P為填充率，mc、mp、ms、mf、mw分別為水泥、廢渣粉、標準砂、纖維和水的質(zhì)量，Rc、Rp、Rf、Rs分別為水泥、廢渣粉、纖維和標準砂體積與固體材料總體積的比值，Uw為水灰比，ρc、ρp、ρs、ρf、ρw分別為水泥、廢渣粉、標準砂、纖維和水的密度。則由式(1)可推導出填充率P的表達式為

逐漸增加水量，重復操作，直至測出最大填充率Pmax，則Pmax即為固體材料的填充密度。水測緊密值法能有效模擬出固體材料在纖維砂漿中的緊密懸浮狀態(tài)，綜合考慮了空氣、水、減水劑等影響因素。

3.2 填充密度測量結果

填充密度測量結果見表3第2列并在圖5中繪制了與廢渣粉置換量的變化關系，結果顯示在不同水灰比的情況下，隨著廢渣粉置換量的增加，固體材料的填充密度的變化先增加后減少，當廢渣粉置換10%的標準砂時，能夠有效改善固體顆粒間級配，提升了砂漿的密實度，固體材料之間空隙體積最小，填充密度達到最大值，進一步增加廢渣粉的置換量對填充密度產(chǎn)生負面影響，造成填充密度下降。

圖5 填充密度隨廢渣粉置換量變化情況Fig.5 Variation of packing density with waste stone powder content

表3 砂漿試樣填充密度、平均液層厚度及平均泥漿層厚度計算結果Table 3 Test results of packing density, average liquid thickness and average paste thickness of mortar samples

3.3 平均液層厚度計算方法

測得各組纖維砂漿的填充密度后，結合固體材料的比表面積、剩余液體體積和固體材料間空隙體積可推導出平均液層厚度和平均泥漿層厚度的表達式

其中h為平均液層(泥漿層)厚度，Ve為剩余液體(泥漿)體積，Ag為固體顆粒的比表面積，Vn為實際使用液體(泥漿)體積，Vk為固體材料間空隙體積，μ為空隙比率，mc、mp、ms、mf分別為水泥、廢渣粉、標準砂和纖維的質(zhì)量，ρc、ρp、ρs、ρf分別為水泥、廢渣粉、標準砂和纖維的密度，Pmax為填充密度，Ac、Ap、As、Af分別為水泥、廢渣粉、標準砂和纖維的比表面積。

3.4 平均液層厚度與平均泥漿層厚度計算結果

平均液層厚度和平均泥漿層厚度的計算結果見表3第3、4列并在圖6中分別繪制了平均液層厚度、平均泥漿層厚度與水灰比的變化關系。觀察圖6(a)可發(fā)現(xiàn)，當水灰比保持不變時，隨著廢渣粉置換量的增加，平均液層厚度呈減小趨勢。這是由于廢渣粉的比表面積遠遠大于標準砂的比表面積，采用廢渣粉置換標準砂之后，固體材料的總比表面積增大，固體材料單位表面積上附著的液體厚度減小，即平均液層厚度減小。

平均泥漿層厚度隨水灰比變化情況見圖6(b)，當水灰比由1.0提高到1.6時，平均泥漿層厚度沒有明顯變化，然而，隨著廢渣粉置換量由0%上升到20%，纖維砂漿的平均泥漿層厚度明顯增加。這是因為用廢渣粉置換標準砂增大了砂漿中的泥漿體積(水泥和廢渣粉漿體的體積)，同時標準砂體積減小，導致包裹標準砂和聚丙烯纖維的漿體厚度大幅增加，即平均泥漿層厚度增大。

圖6 平均液層厚度與平均泥漿層厚度隨水灰比變化情況Fig.6 Variation of average liquid thickness and average paste thickness with water/cement ratio

4 平均液層厚度以及平均泥漿層厚度對纖維砂漿性能的控制作用

4.1 對流速的作用

纖維砂漿的流速測量結果隨平均液層厚度(Average Liquid Thickness，ALT)變化情況見圖7。從圖中的數(shù)據(jù)點可觀察到，平均液層厚度越大纖維砂漿的流速隨之越大，而當平均泥漿層厚度(Average Paste Thickness，APT)提高時，纖維砂漿的流速并沒有明顯變化。由此可見，纖維砂漿的流速僅受平均液層厚度的影響。

為了定量分析平均液層厚度與平均泥漿層厚度對纖維砂漿流速的控制作用，通過回歸分析，擬合曲線及公式見圖7。結果顯示纖維砂漿的流速隨著平均液層厚度的增加而增加，并且增速不斷增大，這是因為固體材料表面附著的液層厚度增大，減少了固體材料之間的摩擦力，提高了砂漿的流速。平均液層厚度單一參量與流速的相關系數(shù)R2值達到0.940，在擬合公式中加入平均泥漿層厚度參量，結果發(fā)現(xiàn)相關系數(shù)R2值并沒有進一步提高。因此，平均液層厚度是纖維砂漿流速的控制因素，而平均泥漿層厚度沒有明顯的控制作用。

圖7 流速隨平均液層厚度、平均泥漿層厚度的變化情況Fig.7 Variation of flow rate with ALT and APT

4.2 對擴展度的作用

纖維砂漿的擴展度隨平均液層厚度變化情況見圖8。從圖8中的數(shù)據(jù)點可以發(fā)現(xiàn)，隨著平均液層厚度的提高，纖維砂漿的擴展度逐漸變大，因此，與流速結果相似，纖維砂漿的擴展度也受到平均液層厚度的影響。但是，當纖維砂漿的平均液層厚度保持不變時，隨著平均泥漿層厚度的提高，纖維砂漿的擴展度則會進一步增大，所以，纖維砂漿的擴展度也受到平均泥漿層厚度的影響。

圖8 擴展度隨平均液層厚度、平均泥漿層厚度的變化情況Fig.8 Variation of flow spread with ALT and APT

為了定量研究平均液層厚度與平均泥漿層厚度對纖維砂漿擴展度的共同控制作用，采用回歸分析，最佳擬合曲線及公式見圖8。結果顯示纖維砂漿的擴展度與平均液層厚度呈正比關系，當平均泥漿層厚度由40 μm增加到90 μm時，擬合曲線向上平移產(chǎn)生更大的擴展度。究其原因，采用廢渣粉置換等體積的標準砂會顯著增加泥漿體積，提高了標準砂和纖維表面的泥漿層厚度，同時，標準砂體積減小使其骨架作用減弱，較厚的平均泥漿層厚度更加有利于減小固體材料之間相互作用力，提高纖維砂漿的擴展度。平均液層厚度和平均泥漿層厚度與擴展度的相關系數(shù)R2值達到0.929，因此，纖維砂漿的擴展度受平均液層厚度和平均泥漿層厚度的共同控制。

4.3 對粘聚性的作用

過篩率隨平均液層厚度變化情況見圖9。從圖9中數(shù)據(jù)點發(fā)現(xiàn)，纖維砂漿的平均液層厚度越大往往會有更高的過篩率，所以，粘聚性受到平均液層厚度的影響。同時，圖9中的數(shù)據(jù)點還顯示，在平均液層厚度保持不變時，平均泥漿層厚度越大，纖維砂漿的過篩率則越高，因此，粘聚性也會受到平均泥漿層厚度的影響。

為了定量研究平均液層厚度與平均泥漿層厚度對纖維砂漿過篩率的共同控制作用，采用回歸分析，最佳擬合曲線及擬合公式見圖9。結果顯示纖維砂漿的粘聚性與平均液層厚度呈正比關系，當平均泥漿層厚度由40 μm提高到90 μm時，擬合曲線向上平移產(chǎn)生了更大的過篩率，因此，平均液層厚度和平均泥漿層厚度對纖維砂漿的粘聚性產(chǎn)生不利的影響。這是因為采用廢渣粉置換等體積的標準砂提高了標準砂和纖維表面的泥漿層厚度，泥漿能夠更好地發(fā)揮潤滑作用，加速固體材料穿過孔篩，提高過篩率，降低了砂漿的粘聚性。平均液層厚度和平均泥漿層厚度與過篩率的相關系數(shù)R2值達到0.929，因此，纖維砂漿的粘聚性受平均液層厚度和平均泥漿層厚度的共同控制。

圖9 過篩率隨平均液層厚度、平均泥漿層厚度的變化情況Fig.9 Variation of sieve segregation index with ALT and APT

4.4 對粘附性的作用

石棒粘附性隨平均液層厚度變化情況見圖10。圖10中數(shù)據(jù)點顯示，隨著纖維砂漿平均液層厚度變大，粘附性逐漸降低，但是，無論平均泥漿層厚度如何變化，纖維砂漿的粘附性并沒有顯著的變化。所以，纖維砂漿粘附性僅受平均液層厚度的影響。

為了定量分析平均液層厚度與平均泥漿層厚度對纖維砂漿粘附性的共同控制作用，通過曲線擬合分析，最佳擬合曲線及擬合公式見圖10。結果表明隨著平均液層厚度提高，纖維砂漿的粘附性呈逐漸減小的趨勢，主要原因是隨著固體材料表面附著的液層厚度提高，有利于減小固體材料與石棒表面的摩擦力。平均液層厚度單一參量與粘附性相關系數(shù)R2值已經(jīng)達到0.921。在擬合公式中加入平均泥漿層厚度參量，相關系數(shù)R2值并未有明顯提高，因此，纖維砂漿的粘附性主要受到平均液層厚度的控制作用，而平均泥漿層厚度并沒有明顯的控制作用。

圖10 粘附性隨平均液層厚度、平均泥漿層厚度的變化情況Fig.10 Variation of adhesion with ALT and APT

5 結論

通過測量20組不同水灰比、不同置換量的廢渣粉對纖維砂漿流動性、粘聚性、粘附性和填充密度的影響，以及計算各組砂漿的平均液層厚度和平均泥漿層厚度，得到以下的主要結論。

(1) 隨著廢渣粉置換量的增加，纖維砂漿的擴展度和粘附性的測量結果呈上升趨勢，而流速呈下降趨勢，過篩率則先增加后減少，當廢渣粉置換量在15%的時候過篩率最大，即粘聚性最差。

(2) 用廢渣粉置換等體積的標準砂可以有效提高固體材料的填充密度，10%是最佳置換體積。

(3) 纖維砂漿的流速和粘附性根本控制因素是平均液層厚度，流速和粘附性與平均液層厚度的相關系數(shù)R2值分別達到0.940、0.921；而擴展度和粘聚性的根本控制因素是平均液層厚度和平均泥漿層厚度，擴展度和粘聚性與平均液層厚度和平均泥漿層厚度的相關系數(shù)R2值均為0.929。