無機(jī)型人造石主要是以水泥作粘結(jié)劑,再輔以石粉及助劑,經(jīng)攪拌、成型、養(yǎng)護(hù)、切割、拋光而制成的石材制品。無機(jī)型人造石的耐候性好、不燃,大多價格較低,機(jī)械性能也較好,在很多場合可以代替天然石材使用。目前,已有的無機(jī)型人造石主要有硅酸鹽水泥類、氯氧鎂水泥類及鋁酸鹽水泥類。
1、硅酸鹽水泥類無機(jī)人造石
硅酸鹽水泥類人造石出現(xiàn)的較早,最早也曾被稱為水磨石,常以普通硅酸鹽水泥為粘結(jié)劑,不同粒度的石粉為填料。為保證制作的人造石易于根據(jù)不同工程需要而調(diào)節(jié)顏色,擴(kuò)大人造石的應(yīng)用范圍,也有選用白色硅酸鹽水泥作為粘結(jié)劑的。
硅酸鹽水泥類人造石原料來源廣泛、價格低廉,有與天然石相當(dāng)?shù)臋C(jī)械性能；而且后期強(qiáng)度穩(wěn)定,耐久性好。然而硅酸鹽水泥類人造石存在生產(chǎn)周期長、抗折強(qiáng)度低、不耐酸堿,表面光澤度差等缺點,嚴(yán)重制約了其應(yīng)用。很多研究工作者對硅酸鹽水泥類人造石進(jìn)行了大量研究。有人選用425白色硅酸鹽水泥生產(chǎn)人造石,其配方中除了碎石及塊石外,還有白色大理石粉和減水劑等。這種產(chǎn)品具有較好的抗壓強(qiáng)度,但其抗折強(qiáng)度、表面光澤度及耐磨性較不理想。
M.Galetakis等采用全因素設(shè)計實驗方法對硅酸鹽水泥類人造石的機(jī)械性能進(jìn)行研究,結(jié)果表明水泥與石粉的比是影響人造石抗壓強(qiáng)度的主要因素,隨著水泥石粉比的增大,人造石的抗壓強(qiáng)度也隨之增加。
此外,在園林工程中得到應(yīng)用的玻纖增強(qiáng)混凝土仿真石主要由水泥、砂石、抗堿玻纖及減水劑、緩凝劑、顏料等組成。這種人造石的優(yōu)點是可塑性較好,密實性高,抗凍能力強(qiáng)。但這種人造石的強(qiáng)度只有12KPa,主要用于園林裝飾,不能直接用于結(jié)構(gòu)構(gòu)件。
專利名稱為“外掛水泥基人造模制石材”的專利中,提出了采用425白色硅酸鹽水泥、石灰?guī)r碎料、沸石、憎水性有機(jī)硅樹脂粉末、高效減水劑、消泡劑、顏料等制造外掛水泥基人造模制石材的方法。專利中給出的三個實例均表明,隨著水泥用量的增加,人造石的干燥抗壓強(qiáng)度及體積密度也隨之增加,空隙率隨之下降。但水泥用量、減水劑及樹脂粉末的加入量等應(yīng)有一個最佳配比,使抗壓強(qiáng)度、體積密度達(dá)到最大,空隙率最小,專利中并沒有涉及。
事實上,對于硅酸鹽水泥類人造石,其抗折強(qiáng)度低、表面光澤度差是其致命的缺點,可以通過纖維增強(qiáng)、表面涂膜等方法來提高其綜合性能。但改善性能后的人造石抗折強(qiáng)度并沒有得到顯著提高,反而顯著增加了其生產(chǎn)成本,因此很難得到推廣應(yīng)用?，F(xiàn)在市場中的硅酸鹽水泥類人造石較少,對于這種無機(jī)型人造石的研究還有很長的路要走。
2、氯氧鎂水泥類人造石
氯氧鎂水泥類人造石是以氯氧鎂水泥為粘結(jié)劑而制成的。氯氧鎂水泥硬化快,可初步硬化,最終強(qiáng)度可達(dá)；但其耐水性較差,易產(chǎn)生翹曲、變形。鑒于氯氧鎂水泥硬化快、強(qiáng)度高等特點,很多研究人員對氯氧鎂水泥類人造石進(jìn)行了大量的研究。等利用城市廢物與氯氧鎂水泥復(fù)合制備出人造地板磚,產(chǎn)品的各項性能均達(dá)到混凝土地板磚的標(biāo)準(zhǔn),而且通過控制氯化鎂濃度及氯氧鎂水泥粒度可以有效提高產(chǎn)品的強(qiáng)度和表面質(zhì)量。
氯氧鎂水泥耐水性差是其致命的缺點,直接影響著氯氧鎂水泥類人造石的推廣應(yīng)用。丁海潮等通過內(nèi)摻憎水劑、外涂憎水劑的方法降低了相遇水或水蒸氣時的相變程度,極大地改善了氯氧鎂水泥的耐水性,也提高了由尾礦和氯氧鎂水泥制成的人造石的耐水性和表面質(zhì)量。
此外,還可以通過在MgO粉末中摻入銅粉或氧化亞銅粉,或者摻入氣相二氧化硅改善氯氧鎂水泥的耐水性。用第一種方法生產(chǎn)的人造石會有較高強(qiáng)度,而且有自然地藍(lán)綠色外觀；用MgO與20%氣相二氧化硅混合生產(chǎn)的氯氧鎂水泥耐水性有翻倍的提高,如果用其生產(chǎn)人造石,耐水性及質(zhì)量也將有極大地提高。
總之,對于氯氧鎂水泥類人造石,通過一定的方法可以使其耐水性得到改善,但還沒有找到根本的解決辦法,而且改善成本也往往偏高,嚴(yán)重制約著這類人造石的推廣應(yīng)用。
3、鋁酸鹽水泥類人造石
鋁酸鹽水泥類人造石是目前研究和應(yīng)用較廣的一類。鋁酸鹽水泥水化快、強(qiáng)度高；其主要礦物鋁酸鈣的水化能夠產(chǎn)生氫氧化鋁凝膠層,進(jìn)而在硬化過程中不斷填塞人造石的毛細(xì)孔隙,形成致密結(jié)構(gòu),使人造石表面光滑,具有光澤,呈半透明狀；且其耐火性及防潮性優(yōu)于一般的無機(jī)型人造石。
由于鋁酸鹽水泥類人造石優(yōu)異的性能,近年來人們對它展開了大量的研究與開發(fā),一些價格低廉、質(zhì)量較好的人造石不斷出現(xiàn)。如:李健學(xué)等采用鋁酸鹽水泥作為粘結(jié)劑研制出一種表面光潔度為95°的人造石鏡面板。
岑紹輝等選用鋁酸鹽水泥、導(dǎo)電石墨粉及專用添加劑通過制作中間層,研制成具有電暖功能的人造大理石。
另一方面,隨著人們環(huán)保意識的增強(qiáng),利用工業(yè)廢渣制作鋁酸鹽水泥類人造大理石也取得了一些成果。如:有人利用粉煤灰、廢玻璃在常溫下制成了物理力學(xué)性能優(yōu)良、表面光亮、紋理清晰的高強(qiáng)度鋁酸鹽粉煤灰無機(jī)型人造大理石,其中的廢玻璃與粉煤灰還起到了抑制表面返堿的作用。
然而,鋁酸鹽水泥類人造石在生產(chǎn)與應(yīng)用中也暴露出一些不足,后期強(qiáng)度倒縮便是其中較嚴(yán)重的一個。很多科研工作者對鋁酸鹽水泥倒縮的問題進(jìn)行了大量的研究與實驗,取得了一定的成果。
李悅等研究了碳酸鈣與鋁酸鹽水泥的水化反應(yīng)及過程特征,實驗結(jié)果表明當(dāng)摻量小于15%時,摻石灰石的鋁酸鹽水泥強(qiáng)度均高于純鋁酸鹽水泥的3d強(qiáng)度；其中石灰石摻量5%在左右時,鋁酸鹽水泥的3d強(qiáng)度達(dá)到最大值,其強(qiáng)度比純鋁酸鹽水泥的強(qiáng)度增加了16.7%。
通過XRD分析其原因為:反應(yīng)形成的水化碳鋁酸鈣與其他水化產(chǎn)物相互搭接,構(gòu)成漿體結(jié)構(gòu)骨架；而反應(yīng)產(chǎn)生的氫氧化鋁凝膠填充于骨架內(nèi)部,使水泥石結(jié)構(gòu)趨于密實。作者只從水化產(chǎn)物角度分析了水泥水化機(jī)理,顯然略顯單薄,缺乏說服力。
胡曙光等分析了石灰石作為混合材對鋁酸鹽水泥不同齡期強(qiáng)度的影響及水化作用機(jī)理。實驗研究表明,隨著齡期的延長,不同石灰石摻量的鋁酸鹽水泥抗壓、抗折強(qiáng)度均隨之增加；28d時鋁酸鹽水泥的強(qiáng)度均達(dá)到最大值。對于不同齡期,鋁酸鹽水泥的強(qiáng)度主要是隨著石灰石摻量的增加而出現(xiàn)一個最大值,然后下降；出現(xiàn)強(qiáng)度最大值的石灰石摻量為5%?？梢?在鋁酸鹽水泥中摻加適量的石灰石混合材不但可以穩(wěn)定鋁酸鹽而目還能抑制鋁酸鹽水泥后期強(qiáng)度倒縮。
綜上所述,對于鋁酸鹽水泥類人造石,一方面可采用低水灰比,降低孔隙率,提高其強(qiáng)度；另一方面可以摻入適量的石灰石,通過改變水泥的水化歷程,提高其長期強(qiáng)度；此外,還可以使底層采用普通硅酸鹽水泥解決強(qiáng)度倒縮的問題。
除了上述三類主要的無機(jī)型人造石外,還有一些無機(jī)型人造石也得到了一定程度的發(fā)展與應(yīng)用。
4、無機(jī)有機(jī)復(fù)合型人造大理石
無機(jī)有機(jī)復(fù)合型人造大理石兼有無機(jī)型人造石與樹脂型人造石的優(yōu)點,彌補(bǔ)了兩者的不足,而且價格適中、性能優(yōu)良,在國內(nèi)也有一定市場的裝飾裝修材料。
一般而言,復(fù)合型人造石的飾面層是樹脂,結(jié)構(gòu)層與無機(jī)型人造石相同。這種人造石往往強(qiáng)度低、密度大、不易加工,且在長期的使用過程中容易分層。李玉壽等選用改性樹脂為面層材料,鋁酸鹽水泥作為底層材料,研制出復(fù)合型人造大理石。其制造方法為,在模具上先涂一層表面膠衣,再倒入新拌的聚酯砂漿,振動成型后再將預(yù)制的達(dá)一定強(qiáng)度的水泥混凝土制品與之復(fù)合。該方法界面粘結(jié)牢固,產(chǎn)品表面光潔度高,生產(chǎn)工藝簡單,生產(chǎn)效率高；但抗壓強(qiáng)度較低,僅為42.7MPa,而樹脂型人造大理石的抗壓強(qiáng)度一般都大于80MPa。黃海濤等采用粘結(jié)硬化快的氯氧鎂水泥作為結(jié)構(gòu)層,賦予了復(fù)合型人造石高強(qiáng)度、耐磨的性能；又通過添加有機(jī)填料聚苯顆粒與花生殼粉提高結(jié)構(gòu)層的熱膨脹系數(shù),添加無機(jī)填料碳酸鈣、氫氧化鋁等降低飾面層的熱膨脹系數(shù),使兩層的熱膨脹系數(shù)相互匹配,避免了人造石在環(huán)境中出現(xiàn)分層及翹曲的現(xiàn)象。
此外,在結(jié)構(gòu)層中添加適量的聚合物也可以改善復(fù)合型人造石的韌性、耐磨性及某些機(jī)械性能,與聚合物改性混凝土中聚合物的作用有類似之處。例如,甲基丙烯酸甲酯、丁苯膠乳、聚醋酸乙烯酯乳液(也稱白乳膠)、苯丙乳液、廢棄的橡膠輪胎等的加入均能顯著改善了混凝土的韌性；提高其抗壓強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度及耐磨性。
總之,對于無機(jī)有機(jī)復(fù)合型人造大理石,結(jié)構(gòu)層的強(qiáng)度大小及與面層的粘結(jié)程度是影響其性能的主要因素,但改善效果還不是很顯著,在一定程度上限制了其應(yīng)用與推廣。
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