废弃钙质蛋白石岩对薄层抹灰流变、物理及耐久性能的影响：面向外墙外保温复合系统的研究

《Materials》：Effect of Waste Calcareous Opoka Rock on the Rheological, Physical, and Durability Properties of Thin-Layer Renders for External Thermal Insulation Composite Systems

　　

废弃钙质蛋白石岩（WCOR）作为质量替代材料，用于替代薄层硅酸盐和矿物抹灰中0.5–1.5 mm粒级白云石骨料，该抹灰体系面向外墙外保温复合系统（ETICS）应用。研究评估了替代水平从0%至100%的八种配方，考察了新拌性能、水分传输、粘结强度、冻融及硫酸钠结晶耐久性，并采用SEM/EDS进行了微观结构表征。随着WCOR含量的增加，新拌混合料密度和流动度降低，而手工表面拉毛阻力增大。在硅酸盐抹灰中，毛细吸水系数在75%替代水平下由无WCOR对照组的1.55 kg/(m2·24 h)降至0.25 kg/(m2·24 h)，降幅达84%；相反，矿物抹灰在完全替代时毛细吸水系数由17.2增至26.2 kg/(m2·24 h)，增幅为52%。在100%替代水平下，硅酸盐抹灰的冻融循环次数由150次增至308次，矿物抹灰由105次增至251次；盐结晶循环次数分别由25次增至52次和由16次增至52次。硅酸盐抹灰的粘结强度由0.27 N/mm2增至0.30 N/mm2，而矿物抹灰则由0.31 N/mm2降至0.19 N/mm2。SEM/EDS分析显示，局部形貌及骨料–胶凝材料界面接触存在基体依赖性差异。多准则评估确定75%替代为硅酸盐抹灰的最均衡方案，而25–50%替代为矿物抹灰的优选折中区间。总体而言，WCOR的影响及其优选掺量强烈依赖于基体类型。

废弃钙质蛋白石岩在薄层抹灰中的应用：性能影响与优化路径

一、研究背景与问题提出

碳酸盐岩的开采与加工过程会产生大量矿物废弃物，包括细颗粒、石粉、泥浆及岩石碎块等。由于直接再利用途径有限，加之运输和储存方面的困难，这些材料常被填埋处置。将其用作水泥基材料中的骨料或矿物掺合料，可同时降低天然资源消耗和废弃物处置量。已有研究探索了石灰岩切割废料、石粉及碳酸盐浆料作为混凝土和砂浆中天然砂及细骨料的部分替代材料，其影响取决于废弃物的孔隙率、吸水率、颗粒几何形态及矿物组成。

钙质蛋白石（calcareous opoka）是一种多孔碳酸盐–硅质岩石，由碳酸盐基质与硅质、黏土质及碎屑组分构成，广泛分布于波兰及欧洲其他地区的上白垩统地层中。本研究所用材料来源于波兰东部卢布林省维斯特拉河中游河谷的卡齐米日多尔尼镇，该地区自中世纪起便将蛋白石用作地方建筑材料。该区域蛋白石的堆积密度约为1.4–1.6 g/cm³，孔隙率约达40%，抗压强度约10–30 MPa。其多孔非均质结构影响吸水性能、强度及湿暴露行为。黏土矿物（尤其是含蒙脱石层的相）可能吸附水分并发生膨胀，削弱岩石内部结合力。

薄层抹灰作为外墙外保温复合系统（ETICS）的外层保护和装饰层，直接暴露于降雨、温度变化、紫外线辐射、冻融及大气污染物等环境因素。对378栋建筑的现场观测表明，ETICS平均使用寿命约为21年，凸显了外层抹灰性能和耐久性的重要性。然而，将废弃钙质蛋白石岩（WCOR）用作薄层抹灰中传统骨料替代材料的研究仍十分有限，尤其是缺乏在可比条件下系统比较同一WCOR骨料对硅酸盐和矿物两类抹灰影响的报道。一个替代水平可能在改善某一耐久性参数的同时对另一性能产生不利影响，未必能提供最均衡的综合表现。因此，开展本研究的核心问题在于：WCOR替代白云石骨料所产生的性能变化方向和幅度是否依赖于抹灰基体类型。

二、研究内容与总体结论

研究人员以质量替代方式，将WCOR以0%至100%的比例替代薄层硅酸盐和矿物抹灰中0.5–1.5 mm粒级白云石骨料，共设计八种配方。硅酸盐系列包括S1（100%白云石）、S2（50%替代）、S3（75%替代）和S4（100%替代）；矿物系列包括M1（100%白云石）、M2（25%替代）、M3（50%替代）和M4（100%替代）。试验在刚性混凝土基材上进行，系统评估了新拌性能、毛细吸水、水蒸气渗透、粘结强度、冻融和硫酸钠结晶耐久性、加速老化及微观结构。

研究得出以下总体结论：WCOR对抹灰性能的影响方向和幅度强烈依赖于基体类型。在两类抹灰中，增加WCOR含量均提高了冻融和盐结晶耐久性，但水分传输和粘结性能的变化并不一致。多准则评估表明，硅酸盐抹灰中75%替代为最均衡方案，而矿物抹灰中25–50%替代提供了较优折中；100%替代虽最大化循环耐久性，但伴随施工性能和部分服役性能的劣化。

三、关键技术方法

研究采用的主要技术方法包括：X射线衍射（XRD）分析WCOR矿物相组成；新拌混合料堆积密度测定（依据PN-EN 1015-6）和跳桌法稠度测试（依据PN-EN 1015-3）；毛细吸水系数测定（依据PN-EN 1015-18）；湿杯法水蒸气渗透测试（依据PN-EN ISO 12572）；冻融循环试验（改良直接法，基于PN-88/B-06250）；硫酸钠结晶耐久性试验（改良方法，基于PN-EN 12370）；拉拔法粘结强度测试（依据PN-EN 1015-12）；落球法抗冲击试验（改良方法，基于PN-EN 13497）；氙灯加速紫外老化试验；以及扫描电子显微镜结合能谱分析（SEM/EDS）微观表征。此外，采用多准则分析和Pareto分析作为综合评价工具。

四、主要研究结果

4.1 新拌混合料性能

增加WCOR替代水平系统性地降低了两类抹灰的新拌堆积密度。硅酸盐抹灰由S1的2082.4 kg/m³降至S4的1891.2 kg/m³（降幅9.2%）；矿物抹灰由M1的1838.0 kg/m³降至M4的1595.5 kg/m³（降幅13.2%）。流动度亦随WCOR含量增加而降低：硅酸盐系列由25 cm降至20 cm，矿物系列由11 cm降至9 cm。手工拉毛阻力由参考配方的1级增至完全替代配方的3级。矿物抹灰对额外加水极为敏感，添加2.5%水后流动度增幅约100–120%，而硅酸盐抹灰仅增加约4–10%，这归因于硅酸盐体系中聚合物分散体、纤维素醚和聚氨酯增稠剂的保水和稳定作用。

4.2 毛细吸水系数

硅酸盐抹灰的毛细吸水系数由S1的1.55 kg/(m²·24 h)降至S3的0.25 kg/(m²·24 h)（降幅84%），S4略回升至0.30 kg/(m²·24 h)。矿物抹灰中M1、M2、M3的吸水系数相近（17.2–17.9 kg/(m²·24 h)），而M4显著增至26.2 kg/(m²·24 h)（增幅52%）。结果表明WCOR对毛细水传输的影响具有强基体依赖性。

4.3 水蒸气渗透性

硅酸盐抹灰的水蒸气扩散阻力系数μ值较高（17.4–19.7），其中S3达到最大值；矿物抹灰μ值较低（9.3–11.8），且随WCOR含量增加逐渐降低，表明水蒸气渗透性改善。水蒸气扩散等效空气层厚度S_d与μ成正比变化。

4.4 冻融耐久性

增加WCOR含量一致性地改善了两类抹灰的冻融耐久性。硅酸盐系列循环次数由S1的150次增至S4的308次（增幅约105%），质量损失由7.5%降至1.3%；矿物系列由M1的105次增至M4的251次（增幅约139%），质量损失由3.4%降至1.1%。完全替代在两组中均获得最高循环次数和最低质量损失。

4.5 盐结晶耐久性

WCOR含量增加提高了两类抹灰对硫酸钠结晶的抵抗能力。硅酸盐系列循环次数由25次增至52次，但S3的质量损失最低（1.0%），S4虽经受更多循环但质量损失增至4.5%；矿物系列由16次增至52次，质量损失保持相对稳定。硅酸盐抹灰中毛细吸水系数与冻融和盐结晶循环次数呈负相关，而矿物抹灰中呈正相关，表明矿物抹灰的耐久性提升不能仅以吸水性能解释。

4.6 粘结强度与抗冲击性能

硅酸盐抹灰的平均粘结强度变化较小，由0.27 N/mm²（S1）增至0.30 N/mm²（S4），且所有硅酸盐配方在冲击试验中保持完整。矿物抹灰的粘结强度由0.31 N/mm²（M1）降至0.19 N/mm²（M4），伴随冲击后局部损伤和脱粘。硅酸盐抹灰的有利表现归因于苯乙烯–丙烯酸分散体对界面区和抗裂性能的改善。

4.7 紫外老化性能

硅酸盐抹灰在老化后水分传输和粘结性能的劣化相对有限，S3表现最稳定，兼具最低初始毛细吸水（0.25 kg/(m²·24 h)）和较高粘结强度（0.29 N/mm²）。矿物抹灰初始毛细吸水显著较高，粘结强度随WCOR含量增加持续下降，M4组合最不利。

4.8 微观结构

SEM/EDS分析显示，WCOR掺入使抹灰断面呈现更多可见孔隙、不规则粒间空间和更非均质的断裂形貌。矿物抹灰中检测到与C–S–H（水化硅酸钙，水泥基胶凝材料的主要水化产物）一致的相，其形貌符合Diamond分类中的III型和IV型。WCOR颗粒与胶凝材料之间观察到局部紧密接触，而部分白云石颗粒界面存在局部不连续，可能与白云石较光滑的断裂面有关。

五、综合评估与讨论

多参数性能图清晰区分了两类抹灰体系：硅酸盐抹灰以极低毛细吸水和较高S_d值为特征，矿物抹灰则表现出更大的液态水吸收和较低的水蒸气扩散阻力。在两组中，增加WCOR含量均增大冻融循环次数（图中标记尺寸增大），但矿物抹灰的改善并未伴随毛细吸水降低或粘结强度提高。

多准则性能指数（PI）计算表明，两类抹灰中100%替代配方（S4和M4）均获得最高PI值，但这不意味着它们无条件最适合实际应用，因为两者均呈现最高等级的施工阻力（AR=3）。硅酸盐系列排序为S4 > S3 > S2 > S1，PI由S1的0.224增至S4的0.796。S4作为耐久性驱动型最优方案，经受308次冻融循环和52次盐结晶循环，但盐结晶质量损失增至4.5%且施工阻力达到3级；S3（PI=0.655）作为均衡性能最优方案，兼具最低毛细吸水（0.25 kg/(m²·24 h)）和最低盐结晶质量损失（1.0%），粘结强度接近S4（0.29 N/mm²）且施工阻力较低（AR=2）。矿物系列中M4的PI最高（0.619），但伴随最高毛细吸水（26.2 kg/(m²·24 h)）、最低粘结强度（0.19 N/mm²）和最高施工阻力；M2和M3的PI值相近（0.489和0.483），25–50%替代范围代表实际应用中的折中方案。

六、研究结论

本研究系统评估了废弃钙质蛋白石岩（WCOR）作为薄层硅酸盐和矿物抹灰中白云石骨料替代材料的可行性。研究证实了初始假设：WCOR对抹灰性能的影响方向和幅度依赖于基体类型。增加WCOR含量降低新拌密度和流动度，提高手工拉毛阻力。在硅酸盐抹灰中，WCOR显著降低毛细吸水并维持良好粘结性能，75%替代（S3）为均衡性能最优方案；在矿物抹灰中，WCOR提高冻融和盐结晶耐久性但伴随吸水增加和粘结下降，25–50%替代为实际折中区间。完全替代（S4和M4）虽最大化循环耐久性，但以施工性能和部分服役性能为代价。多准则和Pareto分析有效区分了耐久性驱动型最优与均衡性能最优。研究结果对利用当地建筑废弃物、减少天然白云石骨料消耗具有工程实践意义，同时表明抹灰配方的优化必须基于基体类型进行差异化考量。