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不同方法制备的人造彩砂性能对比研究
赵忠忠，廖洪强，高宏宇，程芳琴
（山西大学资源与环境工程研究所，国家环境保护煤炭废弃物资源化高效利用技术重点实验室，煤电污染控制及废弃物资源化利用山西省重点实验室，山西太原030006）
彩砂作为建筑和道路立体装饰的新型材料，以色彩鲜艳、环保无污染、性能稳定、质感丰富等优点，成为建筑和道路装饰材料中不可或缺的重要原材料。近年来，由于环保压力加大，天然彩砂的开采和加工受到制约，人造彩砂日益受到重视，逐渐成为满足市场需求的主要产品。
传统的人工彩砂主要采用3 种方法制成：第1 种是有机颜料染色法，由于性能差，已被市场淘汰；第2 种是粘结剂固化法，用粘结剂如树脂、有机硅类等混合无机色料涂布在砂粒表层，然后在200～300 ℃下烘烤固化着色；第3 种是高温陶化法，用无机色料粘附在砂粒表层，再在1200～1350 ℃下高温烧结着色。这3 种方法制备彩砂，成本相对较高，有机染色法的耐候性较差，高温陶化法能耗较高，急需开发新技术来解决。笔者在前期研究基础上，成功制备一种新型人造彩砂，该彩砂以钢渣颗粒为骨料，以钢渣微粉、粉煤灰以及水泥等作为无机胶凝剂，胶骨比为31.3%，以氧化铁红、氧化铁黄、氧化铁黑等无机颜料为色料，通过常温包裹胶凝养护等工艺加工制备而成。该产品以固废为主要原料，常温加工而成，具有节能环保及固废资源综合利用等特点，且生产成本较低，易于市场推广应用。
本文系统研究了不同制备方法制得的人造彩砂的耐磨性、耐沸水性、耐酸碱性，并进行微观结构分析，将新型无机胶凝法彩砂与典型市售的有机染色法彩砂和高温陶化法彩砂性能进行对比研究，以期为固废基无机胶凝法人造彩砂的市场应用选择提供基础数据。
1 试验
1.1 彩砂磨损率测试
称取彩砂200 g，烘干至恒重，放入500 ml 塑料烧杯中。
在单相串激电动机下搅拌，搅拌速率300 r/min，搅拌时间为10 min，磨损介质为空气介质，彩砂磨损率β 按式（1）计算：
式中：m 前、m 后———彩砂磨损前后的质量，g。
1.2 彩砂压碎值测试
称取彩砂200 g，装入套筒模具内，把装有试样的模具置于压力试验机中，开启压力试验机，按0.5 kN/s 速度均匀加荷至25 kN 并稳荷5 s，然后卸荷。取下加压头，倒出试样，用10目（孔径2.00 mm）方孔筛筛除被压碎的细粒，称量留在筛上的试样质量，精确至0.1 g。计算压碎值为通过筛子的细粒质量与彩砂初始质量（200 g）的比值百分数。
1.3 耐沸水性测试
称取试样50 g，放入250 mL 烧瓶中，用水清洗彩砂，将水倒掉，再重复一次。加入200 mL 的蒸馏水，然后将烧瓶放置在加热器上煮沸20 min，冷却至室温，观察烧瓶中的水是否有明显浑浊变色现象，以及砂粒是否有结团现象。
1.4 彩砂耐酸碱测试
耐酸试验：称取彩砂试样100 g，放入500 ml 的烧杯中，用水清洗彩砂，将水倒掉，然后加入400 ml，pH 值为4 的H2SO4溶液，浸泡24 h 后，用玻璃棒搅拌试样约1 min，静置30 s 后，观察溶液是否有浑浊变色现象，观察酸浸干燥后彩砂是否有团聚结块现象。
耐碱试验：称取彩砂试样100 g，放入500 ml 的烧杯中，用水清洗彩砂后，将水倒掉，然后加入400 ml，质量分数为5%的NaOH 溶液，浸泡24 h 后，用玻璃棒搅拌试样约1 min，静置30 s 后，观察溶液是否有浑浊变色现象，观察碱浸干燥后彩砂是否有团聚结块现象。
1.5 微观形貌测试
采用扫描电镜（SEM）对磨损和压碎试验前后彩砂颗粒进行微观形貌测试。
2 结果与讨论
2.1 耐磨性比较
按照前述的试验条件和试验过程，分别对无机胶凝法彩砂、有机染色法彩砂、高温陶化法彩砂进行耐磨性测试，结果如表1 所示。
由表1 可知，在相同磨损条件下，磨损率从大到小依次是：高温陶化法彩砂＞有机染色法彩砂＞无机胶凝法彩砂，无机胶凝法的磨损率较高温陶化法和有机染色法的磨损率降分别低了41.0%和32.6%，无机胶凝法彩砂的耐磨性优于目前市售的高温烧结陶化法彩砂和有机染色法彩砂。
2.2 压碎值比较
为了衡量彩砂在逐渐增加的荷载下抵抗压碎的能力，分别对3 种彩砂进行了压碎值测试，结果如表2 所示。
由表2 可以看出，有机染色彩砂、高温陶化彩砂和无机胶凝彩砂的压碎值分别为31.70%、29.56%和3.70%，无机胶凝法的压碎值较有机染色法和高温陶化法的压碎值分别降低了88.3%和87.5%。这说明无机胶凝彩砂较有机染色彩砂和高温陶化彩砂具有更加优异的抗压性能。其原因可能与制备彩砂的骨料抗压性能有关，无机胶凝法彩砂的骨料是抗压性能优良的钢渣颗粒，而另外2 种彩砂的骨料是天然石英砂。
2.3 耐沸水性比较
耐沸水性是人造彩砂的重要指标，为了测试人造彩砂颜色的稳定性以及颜料胶凝层对基层材料的附着能力，开展了彩砂的耐沸水性能测试，试验前后彩砂的颜色对比及试验后水的颜色变化分别如图1、图2 所示。
由图1、图2 可以看出，3 种彩砂在进行耐沸水性测试前后，颜色基本不发生变化，符合JC/T 2328—2015《建筑饰面材料用彩砂》耐沸水性能的要求；耐沸水性试验后烧瓶中水没有明显变色且彩砂没有结团现象。试验表明，3 种彩砂均具有良好的耐沸水性。
2.4 耐酸碱性比较
为了测试彩砂在实际应用中是否耐酸雨，以及在碱性环境下彩砂是否有褪色现象，试验配制pH 值为4 的硫酸溶液模拟酸雨环境，配制质量分数为5%的氢氧化钠溶液模拟碱性环境，分别对蓝色无机胶凝法彩砂、红色有机染色彩砂和黄色高温陶化彩砂进行耐酸碱试验，耐酸碱性试验前后彩砂颜色及形状如图3 所示，耐酸碱试验前后水颜色如图4 所示。
由图3、图4 可以看出，对于蓝色无机胶凝彩砂，经过酸浸和碱浸试验后，彩砂的颜色没有明显变化，且干燥后彩砂没有结团现象，颗粒之间分散良好；酸浸和碱浸前后，酸液和碱液的颜色没有明显变化，这说明无机胶凝彩砂的耐酸碱性能优异。
对于有机染色彩砂和高温陶化彩砂而言，经过碱浸和酸浸试验后，彩砂颗粒颜色出现明显变化，出现许多褪色后的白色石英砂颗粒，特别是碱浸后的高温陶化彩砂，干燥后出现明显结团现象；对应碱浸液和酸浸液的颜色也出现了明显变化，液体颜色呈现出彩砂的颜色，说明该市售的有机染色彩砂和高温陶化彩砂抗酸碱性较差。
2.5 微观形貌比较
采用SEM 分别测试了3 种彩砂原样及其经过磨损、压碎、酸浸、碱浸后微观结构特征，结果如图5 所示。
由图5 可以看出，就彩砂外观形貌而言，无机胶凝法彩砂整体呈球形和椭球形，表面结构致密，无明显棱角和缺陷，球形度较高；而高温陶化彩砂和有机染色彩砂的外形与骨料石英砂的形貌相似，呈不规则颗粒形状，且表面出现明显的棱角和缺陷，球形度较低。表面致密无缺陷的球形结构，可以有效提高彩砂的抗压性能和耐磨性，这可能是无机胶凝彩砂压碎值和磨损率均明显低于高温陶化彩砂和有机染色彩砂的内在原因。耐磨试验前后，3 种彩砂的外形结构没有发生明显变化，说明磨损试验仅影响到彩砂的外层，不影响其整体形貌。耐酸耐碱试验后，无机胶凝彩砂表面结构无明显变化，也说明其耐酸耐碱性良好；高温陶化彩砂和有机染色彩砂的耐酸耐碱试验后，表面出现了明显的酸碱腐蚀的痕迹，且表面包裹层遭到破坏，这可能是其耐酸碱试验出现颜色变化的内在原因。从彩砂断面结构来看，无机胶凝彩砂的断面呈现明显的钢渣基层和包裹层，且包裹层较厚，胶凝层和钢渣基层之间无缝粘结；高温陶化彩砂和有机染色彩砂的断面同样出现明显的石英基层和染色层，但染色层非常薄。较厚的彩色包裹层有利于提高彩砂色彩的抗腐蚀性和耐磨性，这说明无机胶凝彩砂较高温陶化彩砂和有机染色彩砂更具有色彩耐久性。
3 结论
（1）由于无机胶凝法制备的人造彩砂整体呈球形和椭球形，且表面包裹层较厚，包裹层与基层无缝粘结，光洁致密，表现出具有良好的耐磨性、抗压性能和抗酸碱侵蚀性。
（2）市售有机染色法彩砂和高温陶化法彩砂的表面染色层较薄，彩砂颗粒整体形貌与石英砂骨料相似，球形度较低，且彩砂表面不光洁，存在明显的缺陷，导致其抗压性能和耐磨性能较差，且耐酸碱腐蚀能力较差。
