溫度對輕質(zhì)燒結(jié)頁巖磚基本性能的影響

黃榜彪，劉　陽，黃秉章，賴　俊，武衛(wèi)峰，盧強(qiáng)，盛琪，張貝

溫度對輕質(zhì)燒結(jié)頁巖磚基本性能的影響

黃榜彪1，2，劉陽1，黃秉章3，賴俊1，武衛(wèi)峰1，盧強(qiáng)1，盛琪1，張貝1

（1.廣西科技大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西柳州545006；2.華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院，湖北武漢430074）3.樸茨茅斯大學(xué)土木工程和測量學(xué)院，英國樸茨茅斯po1 2ah）

輕質(zhì)燒結(jié)頁巖磚是一種新型墻體材料，抗壓強(qiáng)度是其重要指標(biāo)之一，吸水率是影響耐久性的關(guān)鍵因素，燒成收縮率表示頁巖磚干燥后在陪燒過程中體積和長度收縮的物理量。通過控制升溫速率、燒結(jié)溫度高低以及保溫時(shí)間分別測試輕質(zhì)頁巖磚的抗壓強(qiáng)度、吸水率和燒成收縮率，為合理制定輕質(zhì)頁巖磚燒結(jié)工藝提供一定的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

溫度；輕質(zhì)頁巖磚；性能

0　引言

隨著農(nóng)村生活水平的不斷提高和能源結(jié)構(gòu)的改善，越來越大量的農(nóng)業(yè)剩余物如麥草、稻草、山草，樹葉等成為農(nóng)業(yè)肥料，焚燒后被用以肥田，所產(chǎn)生的大量煙霧對空氣產(chǎn)生了嚴(yán)重的污染［1］。我們在研究普通頁巖磚（主要是標(biāo)準(zhǔn)磚及KP1型）的基礎(chǔ)上，添加了一定量的有機(jī)質(zhì)易燃輔料，研發(fā)出一種新型環(huán)保型墻體材料，替代當(dāng)前建筑行業(yè)正在使用的純頁巖磚、黏土磚和加氣混凝土砌塊。按照國家產(chǎn)業(yè)政策，輕質(zhì)頁巖磚屬于新型墻體材料，對輕質(zhì)頁巖磚的研究，既符合經(jīng)濟(jì)循環(huán)發(fā)展的要求，又符合燒結(jié)類墻體材料的可持續(xù)發(fā)展，更符合建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的要求［2］。

本研究將一定量的松木木屑作為有機(jī)易燃輔料摻入頁巖粉末中，采用常壓燒結(jié)法制備輕質(zhì)頁巖磚，再通過改變其燒制溫度和保溫時(shí)間，研究溫度對輕質(zhì)頁巖磚抗壓強(qiáng)度、吸水率以及燒成收縮率等性能的影響，從而為合理制定輕質(zhì)頁巖磚燒結(jié)工藝提供一定的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

1　試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)原料

所謂的有機(jī)易燃輔料是指有機(jī)纖維材料，主要是指在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的大量廢渣，如稻草、秸稈、麥秸、玉米芯等。同時(shí)，根據(jù)材料不同的特性，可以采用部分工業(yè)廢料，如提取木糖醇后的玉米芯、甘蔗渣等。本試驗(yàn)采用松木屑及甘蔗渣按約1∶1的比例充分混合得到的有機(jī)質(zhì)易燃材料作為輔料。這種比例的混合物輔料的級(jí)配使其能充分模擬纖維材料在輕質(zhì)頁巖磚中發(fā)揮的作用。

本試驗(yàn)頁巖磚采用的頁巖為廣西柳州指定的磚瓦用頁巖，為柳州市某頁巖廠生產(chǎn)。將頁巖放入粉碎機(jī)粉碎過0.2 mm篩備用。自然狀態(tài)頁巖和頁巖粉如圖1所示，頁巖的主要化學(xué)成分見表1。

圖1　自然狀態(tài)頁巖和頁巖粉

表1　試驗(yàn)所采用頁巖的化學(xué)成分%

1.2試樣制備

將經(jīng)過干燥的松木屑和甘蔗渣以1∶1的質(zhì)量比混合均勻得到輔料，將輔料、頁巖按7∶2的質(zhì)量比混合均勻，放入水中充分?jǐn)嚢柚疗渚哂幸欢ǖ目伤苄院笾颇＃ǔ叽鐬?40 mm×115 mm×53 mm），并保證很快脫模，成型磚坯在自然條件下風(fēng)干，然后將風(fēng)干后的磚坯放入電爐中燒結(jié)，控制升溫速率，升溫速率過快，會(huì)使磚體的內(nèi)外壓力差變大，造成磚體開裂［3］。

1.3試驗(yàn)方法

采用2000KN液壓的壓力試驗(yàn)機(jī)，按照GB/T 2542—2012《砌墻磚試驗(yàn)方法》測試試件的抗壓強(qiáng)度；根據(jù)GB/T 11970—1997《加氣混凝土體積密度、含水率和吸水率試驗(yàn)方法》測試試件的吸水率［4］；按照GB/T 2542—2012測試試件的尺寸［5］，并以同一磚坯干燥后與焙燒后的尺寸計(jì)算它的燒成收縮率。取每組試件測試結(jié)果的算術(shù)平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

2　結(jié)果與分析

抗壓強(qiáng)度是頁巖磚的重要指標(biāo)之一，抗壓強(qiáng)度的大小受到多種因素的影響，溫度是決定頁巖磚抗壓強(qiáng)度大小的一個(gè)重要因素。

引發(fā)頁巖磚耐久性失效，造成性能劣化的因素有多種，其嚴(yán)重性在很大程度上都取決于磚的吸水率，吸水率越低，證明磚的滲透性越小、磚越密實(shí)，其抵抗自身和外界環(huán)境的化學(xué)腐蝕的能力就越強(qiáng)，耐久性相對就會(huì)越好［6］。所以，吸水率是影響耐久性的關(guān)鍵因素。

燒成收縮率表示頁巖磚干燥后在陪燒過程中體積和長度收縮的物理量，是磚體質(zhì)量的一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)，也是制造磨具的主要參數(shù)之一。

現(xiàn)在通過保持升溫速率不變，運(yùn)用單一變量法分別單獨(dú)控制溫度高低和保溫時(shí)間長短來測試輕質(zhì)頁巖磚的抗壓強(qiáng)度、吸水率和燒成收縮率。

2.1焙燒溫度對輕質(zhì)頁巖磚性能的影響

根據(jù)燒結(jié)過程中溫度的差別，可以將輕質(zhì)頁巖磚的燒結(jié)程序分為4個(gè)階段：干燥階段、預(yù)熱階段、焙燒階段、冷卻階段。

焙燒階段就是利用高溫，讓磚坯內(nèi)部礦物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，達(dá)到預(yù)期的固定外形，并獲得所要求的性能，這是配料和成型等工序之后決定頁巖磚品質(zhì)的又一關(guān)鍵工序。選取外型美觀、表面平整且無明顯裂縫的頁巖磚坯，分為9組，每組10塊，保持每組的升溫速率和保溫時(shí)間相同，分別將各組的目標(biāo)溫度控制在800、850、900、950、1000、1050、1100、1130和1150℃，測試各組輕質(zhì)頁巖磚的性能，結(jié)果見表2。

表2　焙燒溫度對輕質(zhì)頁巖磚性能的影響

由表2可知，當(dāng)控制升溫速率和保溫時(shí)間一致的情況下，輕質(zhì)頁巖磚的單磚抗壓強(qiáng)度隨著焙燒溫度的升高而不斷增加，但是頁巖磚的吸水率卻隨著溫度的升高而不斷減小，這是因?yàn)楫?dāng)焙燒溫度達(dá)到一定程度，內(nèi)部化學(xué)物質(zhì)將不斷發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成比較穩(wěn)定、堅(jiān)硬的化合物。原料開始溶解，磚的顯微結(jié)構(gòu)中會(huì)出現(xiàn)大量的玻璃相，這些熔融玻璃相包裹著膠結(jié)細(xì)小的晶體顆粒，共同填充坯體空隙，使得顆粒相互之間更加靠近，坯體的密度進(jìn)一步增大，這樣磚體的抗壓強(qiáng)度提高，吸水率下降，同時(shí)磚體收縮增大也導(dǎo)致相應(yīng)的體積密度隨之增大［7］。

干燥收縮主要在干燥階段，磚胚的內(nèi)部自由水吸附水逐漸向表層轉(zhuǎn)移，表層的游離水分又發(fā)生氣化，被流動(dòng)的熱空氣帶走，磚坯顆粒間距離縮短而產(chǎn)生收縮。在試樣的厚方向上形成了不均勻的收縮，這種不均勻的收縮易造成磚胚的翹曲、開裂［5］。由表2還可以看出，當(dāng)焙燒溫度不大于1000℃時(shí)，燒成收縮率變化很小，但是當(dāng)溫度超過1000℃后，燒成收縮率就顯著增大，這是因?yàn)楫?dāng)焙燒溫度超過一定值后，磚坯原料開始熔融，液相增多，液相填充坯體空隙和細(xì)小裂縫，顆粒相互靠近，致密度進(jìn)一步增大，收縮隨之增大［8］。

2.2保溫時(shí)間對輕質(zhì)頁巖磚性能的影響

選取外型美觀、表面平整且無明顯裂縫的頁巖磚坯，分為9組，每組10塊，保持每組的焙燒溫度和升溫速率相同，只分別將各組的保溫時(shí)間控制在0、1、2、3、4、5、6、7、8 h，測得各組輕質(zhì)頁巖磚的抗壓強(qiáng)度及吸水率如表3所示。

表3　保溫時(shí)間對輕質(zhì)頁巖磚抗壓強(qiáng)度和吸水率的影響

由表3可以看出，當(dāng)控制升溫速率以及焙燒溫度一致的同時(shí)，改變輕質(zhì)頁巖磚的保溫時(shí)間，隨著保溫時(shí)間的增加，頁巖磚的單磚抗壓強(qiáng)度在開始時(shí)不斷提高后來又緩慢降低；輕質(zhì)頁巖磚的吸水率隨著保溫時(shí)間的延長不斷減小。這是因?yàn)闆]有保溫時(shí)間或者保溫時(shí)間很少的時(shí)候，頁巖磚燒結(jié)不充分，形成的液相較少，顆粒與顆粒之間還有許多不規(guī)則的空隙存在；當(dāng)保溫時(shí)間為2h，頁巖磚磚體燒結(jié)足夠充分，磚坯原料的物理和化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，形成了一定量的熔融物，不斷的填充顆粒間的空隙，結(jié)成一個(gè)整體。坯體原料在未燒制前呈現(xiàn)不均勻多相體性，燒制過程中，試樣內(nèi)部各區(qū)域物質(zhì)反應(yīng)類型不同，所需要的溫度條件不同，速度也不一樣，必須在目標(biāo)溫度下保溫一定的時(shí)間，坯體內(nèi)物質(zhì)物理和化學(xué)反應(yīng)才更加完全。這個(gè)階段，晶體增多長大，并不斷擴(kuò)散，固相和液相分布更為均勻。

坯體液相量也增加了，在液相表面張力作用下，未溶解顆粒不斷相互靠攏，使磚體的體積收縮，氣孔率逐漸下降，密度提高，強(qiáng)度相應(yīng)的提高。所以，最佳的保溫時(shí)間能使磚體性能達(dá)到最優(yōu)。但是保溫時(shí)間延長，磚坯中的晶料熔解，晶料中組成骨架的物質(zhì)也逐漸熔解，降低結(jié)構(gòu)的致密性，磚的力學(xué)性能也逐漸降低，所以，輕質(zhì)頁巖磚的保溫時(shí)間控制在2h最為合適。

將各組的保溫時(shí)間控制在0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 h，測得各組輕質(zhì)頁巖磚的干燥收縮率和燒成收縮率如表4所示。

由表4可知，保溫時(shí)間低于2 h時(shí)，輕質(zhì)頁巖磚的燒成收縮率基本不變，當(dāng)超過2 h時(shí)，其燒成收縮率會(huì)顯著上升。這是因?yàn)楸貢r(shí)間低于2 h磚的燒結(jié)不充分，超過2 h磚坯會(huì)充分燒結(jié)形成一種熔融的玻璃液相，玻璃相填充著磚體內(nèi)空隙和細(xì)小裂縫，形成一個(gè)整體，所以燒成收縮率值會(huì)顯著上升［8］。

表4　保溫時(shí)間對輕質(zhì)頁巖磚的燒成收縮率的影響

3　結(jié)論

（1）當(dāng)焙燒溫度在800～1150℃時(shí)，隨著焙燒溫度升高，抗壓強(qiáng)度不斷提高，吸水率不斷降低。

（2）保溫時(shí)間提高可以使磚坯內(nèi)物理和化學(xué)反應(yīng)更加充分，形成新的結(jié)晶相，顯微結(jié)構(gòu)更加合理，使其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)更加均一，性能也達(dá)到最優(yōu)。但是保溫時(shí)間太長，會(huì)使磚坯內(nèi)部形成骨架的晶料熔解，使其力學(xué)性能降低；因此保溫時(shí)間以2 h最為合適。

（3）焙燒溫度繼續(xù)升高到一定程度后，原料開始溶解，出現(xiàn)液相，液相逐漸增多，并填充坯體顆?？紫杜c細(xì)小裂縫，使胚體顆粒相互靠近，因此，當(dāng)焙燒溫度達(dá)到一定值時(shí)燒成收縮率會(huì)突然升高；所以，在燒制輕質(zhì)頁巖磚的時(shí)候，要控制好焙燒溫度。

［1］馮啟明，崔春龍，周勇輝.利用農(nóng)業(yè)秸桿等廢料制作輕質(zhì)頁巖磚的研究［J］.新型建筑材料，2004（1）：25-26.

［2］于漧.頁巖燒結(jié)磚的優(yōu)勢及發(fā)展方向［J］.磚瓦世界，2008（5）：23-24.

［3］黃榜彪，景嘉驊，黃中，等.溫度對輕質(zhì)燒結(jié)頁巖磚裂縫的影響［J］.新型建筑材料，2011（3）：37-40.

［4］黃榜彪，黎喜強(qiáng)，朱基珍，等.溫度對污泥頁巖磚基本性能的影響［J］.廣西工學(xué)院學(xué)報(bào)，2012（4）：8-12.

［5］余林文，楊長輝，叢鋼，等.焙燒溫度對燒結(jié)加氣頁巖磚性能的影響［J］.非金屬礦，2011（3）：45-47.

［6］過鎮(zhèn)海.鋼筋混凝土原理［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2013.

［7］陳永亮，張一敏，陳鐵軍，等.溫度制度對尾礦燒結(jié)磚性能及結(jié)構(gòu)的影響［J］.硅酸鹽通報(bào)，2010（6）：1343-1347.

［8］李家駒.陶瓷工藝學(xué)（下冊）［M］.北京：中國輕工業(yè)出版社，2001.

Influence of temperature on the basic performance of light shale-sintered brick

HUANG Bangbiao1，2，LIU Yang1，HUANG Bingzhang3，LAI Jun1，WU Weifeng1，LU Qiang1，SHENG Qi1，ZHANG Bei1
（1.College of Civil and Architectural Engineering，Guangxi University of Science and Technology，Liuzhou 545006，Guangxi，China；2.College of Optical and Electronic Information，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，Hubei，China；3.College of Civil Engineering and Surveying，University of Portsmouth，Portsmouth po1 2ah，UK）

Light shale-sintered brick is a new wall material，the compressive strength is one of the important indicators，water absorption is a key factor affecting the durability，firing shrinkage rate represents the physical quantity of volume and length contraction during burning process after drying of shale bricks.By controlling the heating rate，sintering temperature and holding time，compressive strength，water absorption and firing shrinkage of low light shale brick were tested，providing some experimental data and theoretical basis for the rational development of lightweight shale brick sintering process.

temperature，light shale brick，performance

TU522.12

A

1001-702X（2015）12-0005-03

廣西千億元產(chǎn)業(yè)重大科技攻關(guān)項(xiàng)目（桂科攻11107021-3-5，1099058）；廣西科技廳項(xiàng)目（桂科攻14126001-4）；廣西科技攻關(guān)項(xiàng)目（桂科攻12100007）；柳州市科技局項(xiàng)目（2013J010404）

2015-09-23

黃榜彪，男，1964年生，廣西桂平人，教授級(jí)高級(jí)工程師。