輕質(zhì)燒結(jié)頁巖磚抗凍性能試驗(yàn)

李 治，黃榜彪，2，羅銀霞，朱基珍，賴 駿，廖天權(quán)，張 貝

(1.廣西科技大學(xué)a.土木建筑工程學(xué)院;b.外國語學(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，武漢 430074)

輕質(zhì)燒結(jié)頁巖磚抗凍性能試驗(yàn)

李 治1a，黃榜彪1a，2，羅銀霞1b，朱基珍1a，賴 駿1a，廖天權(quán)1a，張 貝1a

(1.廣西科技大學(xué)a.土木建筑工程學(xué)院;b.外國語學(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，武漢 430074)

輕質(zhì)燒結(jié)頁巖磚是以頁巖為基本原料、鋸末為輔料研發(fā)的一種新型輕質(zhì)燒結(jié)類墻體材料。分析了輔料鋸末的含量分別為20%、25%、30%、35%情況下對輕質(zhì)燒結(jié)頁巖磚抗凍性能的影響。試驗(yàn)表明:輕質(zhì)燒結(jié)頁巖磚在15、25、35和50凍融循環(huán)次數(shù)下，質(zhì)量損失與強(qiáng)度損失均隨輔料含量的增加而增加;輕質(zhì)燒結(jié)頁巖磚應(yīng)該隨著不同使用地區(qū)而改變鋸末的摻量從而達(dá)到滿足抗凍指標(biāo)的要求。

輕質(zhì)燒結(jié)頁巖磚;鋸末;凍融循環(huán);質(zhì)量損失;強(qiáng)度損失

凍融破壞是我國東北、西北以及華北地區(qū)建筑物在使用過程中的主要危害之一，在華東、華中以及高山寒冷地區(qū)也存在此類危害。磚砌體建筑物廣泛分布在以上地區(qū)，所以對磚的抗凍性能研究有深遠(yuǎn)意義?？箖鲂阅苁呛饬繜Y(jié)頁巖磚耐久性的主要指標(biāo)之一。而磚體的抗凍性能除了與初始強(qiáng)度密切相關(guān)外，還與磚的表觀密度、孔隙率及吸水率有關(guān)。磚的表觀密度越小，孔隙率與吸水率就越大抗凍性能越差［1］。所以，吸水率是影響磚體抗凍指標(biāo)的主要因素之一，同時(shí)也影響其耐久性，如鹽蝕、軟化等［2］。本次試驗(yàn)在測試了單磚抗壓強(qiáng)度后進(jìn)行了吸水率測試，為凍融試驗(yàn)結(jié)果提供理論支持。本文選擇本課題組研發(fā)的輕質(zhì)燒結(jié)頁巖磚［3］為試驗(yàn)對象，為輕質(zhì)燒結(jié)頁巖磚的推廣提供相關(guān)數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)材料以及燒制工藝

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 頁巖 試驗(yàn)所選用的頁巖來自廣西柳州市磚瓦廠，其中SiO251.30%、Al2O324.26%、Fe2O310.42%、CaO 1.19%、MgO 1.47%，燒失量占10.20%。將頁巖研磨、干燥、篩選級配，所篩選的頁巖級配見表1。

表1 頁巖的顆粒級配Table 1 Particle size distribution of shale

因?yàn)榻?jīng)焙燒后磚中有機(jī)物被燃燒殆盡，磚體抗壓強(qiáng)度是由頁巖顆粒所形成的骨架承擔(dān)，為了使磚體強(qiáng)度提高，要保證頁巖有優(yōu)良的顆粒級配。

1.1.2 有機(jī)輔料 輕質(zhì)燒結(jié)頁巖磚所使用的有機(jī)輔料一般為農(nóng)業(yè)廢料以及城市生活中產(chǎn)生的有機(jī)易燃垃圾。本試驗(yàn)選用的有機(jī)輔料為鋸末。將鋸末放入干燥箱中烘干，溫度設(shè)定為75℃，烘干5 h，含水率降低至3%。其級配長度見表2。

長度≥9.5 mm的鋸末在焙燒過程中產(chǎn)生較大孔隙，影響磚體強(qiáng)度，所以舍去;長度≤0.075 mm的鋸末大部分為灰塵，舍去［4］。

1.2 制作工藝

把頁巖粉倒入攪拌機(jī)中一邊加水一邊攪拌，攪拌時(shí)間不得低于30 min;將鋸末和其他輔助材料按一定比例倒入，攪拌時(shí)間不得小于30 min，使其有一定可塑性后，由真空擠壓設(shè)備擠壓，再進(jìn)行切割。試樣規(guī)格為240 mm×115 mm×90 mm。試驗(yàn)采用的4種配比見表3。每種配比隨機(jī)抽取磚坯10塊，一共40塊。為了測定各磚坯的燒失量，燒制前烘干磚坯，使其含水率低于5%，然后放入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行焙燒［5］。

表2 鋸末長度級配Table 2 Length grading of sawdust

表3 輕質(zhì)燒結(jié)頁巖磚配合比Table 3 Mix proportion of raw materials for light sintered shale brick wB/%

2 試驗(yàn)部分

2.1 單磚抗壓強(qiáng)度對比試驗(yàn)

2.1.1 抗壓試件的制作 對在實(shí)驗(yàn)室燒制完成的4種不同類型輕質(zhì)燒結(jié)頁巖磚，每種選取10塊較好的磚體制作成單磚抗壓試塊，再從中選出質(zhì)量較好的20塊(A、B、C、D各5塊)磚體進(jìn)行抗壓強(qiáng)度對比試驗(yàn)。

選用的輕質(zhì)燒結(jié)頁巖磚為KP1型(圖1)，孔洞率為28%。以下試驗(yàn)均按照《砌墻磚試驗(yàn)方法》(GB/T 2542—2012)進(jìn)行，試件采用坐漿法操作。2.1.2 試件抗壓試驗(yàn) 先測量試塊的上下表面尺寸，面積計(jì)算精確至0.1 mm2。參考相關(guān)研究試驗(yàn)數(shù)據(jù)［6］，列于表4。

可知，隨著鋸末比例的增加，燒制出的成品質(zhì)量下降較為明顯，而磚坯質(zhì)量下降則沒那么明顯，主要原因是真空壓磚機(jī)功率小，隨著鋸末摻量的增加，鋸末中的水分能被充分壓出，并且隨著鋸末摻量的增加，磚體燒失量明顯上升，雖然強(qiáng)度降低較為明顯［7］，但是依舊大于5 MPa。

圖1 試驗(yàn)選用的輕質(zhì)燒結(jié)頁巖磚Fig.1 Light sintered shale brick of the test

表4 輕質(zhì)燒結(jié)頁巖磚試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Test results of light sintered shale brick

2.2 吸水率試驗(yàn)

每種類型各取5塊磚，共取20塊磚。首先，清理試件表面，將其置于105℃干燥箱中干燥至恒重，稱其干重量為m0;再將試件放置于20℃左右的水中浸泡24 h，用濕毛巾擦干表面水分再稱其濕重量為m24，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表5。

可見，隨著鋸末摻量的增加，磚體吸水率也隨之升高。吸水率升高可以反映出磚體內(nèi)部孔隙率也隨著鋸末摻量而升高［8］，孔隙率升高表明磚體表觀密度隨著鋸末摻量的增加而降低。吸水率是影響輕質(zhì)燒結(jié)頁巖磚抗凍性能最主要的指標(biāo)之一，因此，在進(jìn)行凍融試驗(yàn)前必須進(jìn)行吸水率試驗(yàn)。

2.3 凍融試驗(yàn)

使用北京數(shù)智意隆儀器有限公司生產(chǎn)的立式磚凍融試驗(yàn)箱(JCD－40)進(jìn)行凍融試驗(yàn)。用經(jīng)過吸水率試驗(yàn)中測試結(jié)束的飽水狀態(tài)下的磚體(共20塊磚)。將20塊磚放入預(yù)先降溫至－15℃的凍融箱內(nèi)，冷凍3 h后，再融化2 h，凍融試驗(yàn)裝置見圖2。

表5 輕質(zhì)燒結(jié)頁巖磚吸水率Table 5 Water absorption of light sintered shale brick

《墻體材料應(yīng)用統(tǒng)一技術(shù)規(guī)范》(GB 50574—2010)中對塊體材料抗凍性能的規(guī)定見表6。

本次輕質(zhì)燒結(jié)頁巖磚凍融循環(huán)的步驟次數(shù)為15、25、35與50次。每個(gè)步驟結(jié)束后檢查一次破壞情況，并且每種類型的磚塊隨機(jī)抽取1塊進(jìn)行質(zhì)量與強(qiáng)度的檢測。圖3～圖6為凍融循環(huán)后輕質(zhì)燒結(jié)頁巖磚破壞情況。

經(jīng)過15次凍融循環(huán)是為測試夏熱冬暖地區(qū)輕質(zhì)燒結(jié)頁巖磚的抗凍性能，4種不同類型的輕質(zhì)燒結(jié)頁巖磚都沒有出現(xiàn)裂縫或者剝落的情況，外觀完整。試驗(yàn)表明，15次的凍融循環(huán)對這4類輕質(zhì)燒結(jié)頁巖磚沒有明顯的影響，可以在夏熱冬暖地區(qū)使用這4類輕質(zhì)燒結(jié)頁巖磚。

經(jīng)過25次凍融循環(huán)是為測試夏熱冬冷地區(qū)輕質(zhì)燒結(jié)頁巖磚的抗凍性能，A、B、C三類輕質(zhì)燒結(jié)頁巖磚磚體保持完好，沒有出現(xiàn)裂縫或者剝落的情況。但是D類輕質(zhì)燒結(jié)頁巖磚的磚肋與磚體外表面都出現(xiàn)了小部分的剝落，整個(gè)磚體的外觀還是較為完整的。

經(jīng)過35次凍融循環(huán)是為測試寒冷地區(qū)輕質(zhì)燒結(jié)頁巖磚的抗凍性能，A和B類輕質(zhì)燒結(jié)頁巖磚表面完整，無裂紋瑕疵剝落等現(xiàn)象;但是C類磚側(cè)被凍裂出現(xiàn)剝落現(xiàn)象且磚的四邊上剝落較為嚴(yán)重，表面出現(xiàn)裂縫;D類磚四周表面嚴(yán)重凍裂且出現(xiàn)了缺棱掉角的情況，磚肋部破壞嚴(yán)重，甚至出現(xiàn)整個(gè)磚肋剝落的現(xiàn)象。

圖2 凍融試驗(yàn)裝置Fig.2 Freezing and thawing test apparatus

表6 塊體材料抗凍性能Table 6 Frost resistance of block material

圖3 經(jīng)過15次凍融循環(huán)后的輕質(zhì)燒結(jié)頁巖磚Fig.3 Light sintered shale brick freeze-thaw cycled 15 times

圖4 經(jīng)過25次凍融循環(huán)后的輕質(zhì)燒結(jié)頁巖磚Fig.4 Light sintered shale brick freeze-thaw cycled 25 times

圖5 經(jīng)過35次凍融循環(huán)后的輕質(zhì)燒結(jié)頁巖磚Fig.5 Light sintered shale brick freeze-thaw cycled 35 times

圖6 經(jīng)過50次凍融循環(huán)后的輕質(zhì)燒結(jié)頁巖磚Fig.6 Light sintered shale brick freeze-thaw cycled 50 times

經(jīng)過50次凍融循環(huán)目的是測試嚴(yán)寒地區(qū)輕質(zhì)燒結(jié)頁巖磚的抗凍性能，A類輕質(zhì)燒結(jié)頁巖磚表面完整，沒有裂痕或者缺棱掉角等現(xiàn)象;B類輕質(zhì)燒結(jié)頁巖磚豎棱的中部被凍裂，并伴隨著大量裂縫，磚體表面也有小部分脫落;C類輕質(zhì)燒結(jié)頁巖磚的孔洞處由于受凍融的影響大量剝落而變疏松，由矩形孔變成了橢圓形孔，磚體側(cè)表面遍布豎向裂紋，磚體出現(xiàn)缺棱掉角現(xiàn)象;D類輕質(zhì)燒結(jié)頁巖磚經(jīng)過50次凍融循環(huán)表面變的疏松，磚肋處已經(jīng)嚴(yán)重變形。

由表7與表8磚體質(zhì)量損失、強(qiáng)度損失試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，A1與B1型輕質(zhì)燒結(jié)頁巖磚滿足規(guī)范對嚴(yán)寒地區(qū)的抗凍指標(biāo)要求，C1型輕質(zhì)燒結(jié)頁巖磚滿足規(guī)范對寒冷地區(qū)的抗凍指標(biāo)要求但不滿足嚴(yán)寒地區(qū)的抗凍指標(biāo)要求，D1型輕質(zhì)燒結(jié)頁巖磚僅滿足規(guī)范對夏熱冬冷地區(qū)的抗凍指標(biāo)要求。所以，筆者建議輕質(zhì)燒結(jié)頁巖磚應(yīng)該隨著不同使用地區(qū)而改變鋸末的摻量從而達(dá)到滿足抗凍指標(biāo)的要求。

表7 輕質(zhì)燒結(jié)頁巖磚凍融循環(huán)后質(zhì)量損失Table 7 Weight loss of light sintered shale brick after freezing and thawing cycles

表8 輕質(zhì)燒結(jié)頁巖磚凍融循環(huán)后強(qiáng)度損失Table 8 Strength loss of light sintered shale brick afterfreezing and thawing cycles

由圖7可知，隨著凍融次數(shù)的增加，輕質(zhì)燒結(jié)頁巖磚的強(qiáng)度損失與質(zhì)量損失呈線性增長。這是由于在飽水轉(zhuǎn)態(tài)下的磚體在冰凍條件下孔隙中的水結(jié)成冰，體積膨脹11%，孔壁受壓力，發(fā)生受壓破壞，而在周圍溫度升高的環(huán)境下，內(nèi)部冰融化而發(fā)生體積收縮，使輕質(zhì)燒結(jié)頁巖磚發(fā)生疏松破壞，隨著凍融次數(shù)不斷的增加輕質(zhì)燒結(jié)頁巖磚磚體在受壓破壞與疏松破壞之間反復(fù)循環(huán)發(fā)生疲勞破壞，使得質(zhì)量損失與強(qiáng)度損失呈線性增長。

圖8表明，初始強(qiáng)度越高，質(zhì)量損失與強(qiáng)度損失越小，抗凍性能也越好。這是因?yàn)楫?dāng)輕質(zhì)燒結(jié)頁巖磚所處的環(huán)境降到0℃以下時(shí)，首先影響的是輕質(zhì)燒結(jié)頁巖磚的表面結(jié)構(gòu)，使輕質(zhì)燒結(jié)頁巖磚構(gòu)件從表面開始逐漸發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象。這種低溫環(huán)境會(huì)逐漸由輕質(zhì)燒結(jié)頁巖磚的表面向其內(nèi)部進(jìn)行滲透，輕質(zhì)燒結(jié)頁巖磚表面的結(jié)冰現(xiàn)象逐漸擴(kuò)大，并且由于相同質(zhì)量的冰的體積大于水的體積，導(dǎo)致輕質(zhì)燒結(jié)頁巖磚在發(fā)生結(jié)冰時(shí)，其內(nèi)部的水由于凍結(jié)成冰而發(fā)生體積不斷擴(kuò)張的現(xiàn)象，致使輕質(zhì)燒結(jié)頁巖磚內(nèi)部未結(jié)冰的水被壓入飽和度較小的內(nèi)部毛細(xì)孔道中。當(dāng)輕質(zhì)燒結(jié)頁巖磚周圍環(huán)境的溫度進(jìn)一步降低時(shí)，輕質(zhì)燒結(jié)頁巖磚內(nèi)部的冰體積也進(jìn)一步增大，進(jìn)而輕質(zhì)燒結(jié)頁巖磚內(nèi)部所存在的未結(jié)冰的水繼續(xù)承受壓應(yīng)力，當(dāng)這些未結(jié)冰的水無處再流動(dòng)時(shí)，就會(huì)使輕質(zhì)燒結(jié)頁巖磚內(nèi)部的毛細(xì)孔道承受越來越大的壓應(yīng)力，而當(dāng)這種壓應(yīng)力增大到一定時(shí)，輕質(zhì)燒結(jié)頁巖磚內(nèi)部的毛細(xì)孔就會(huì)由于無法承受這種壓應(yīng)力而產(chǎn)生破壞現(xiàn)象，而這將致使輕質(zhì)燒結(jié)頁巖磚內(nèi)部產(chǎn)生大量的微裂縫，從而使整個(gè)輕質(zhì)燒結(jié)頁巖磚產(chǎn)生破壞現(xiàn)象。由于初始強(qiáng)度越高，輕質(zhì)燒結(jié)頁巖磚抵抗這種水壓力的能力也越強(qiáng)，其初始強(qiáng)度越高抗凍性能越好。

圖7 凍融次數(shù)與質(zhì)量損失率和強(qiáng)度損失率的關(guān)系Fig.7 Relationship among the rates ofweight loss，strength loss and the times of freezing and thawing

圖8 凍融前初始強(qiáng)度與質(zhì)量損失率和強(qiáng)度損失率關(guān)系Fig.8 Relationship among the rate ofweight loss，strength loss and the times of the initial strength before freezing and thawing

由圖9可知，由于輕質(zhì)燒結(jié)頁巖磚在制作過程中加入木屑，燒制過程中木屑燃燒，磚體內(nèi)部產(chǎn)生大量微小孔隙使得磚體表觀密度下降，同時(shí)木屑摻量越多，表觀密度下降的越大，吸水率隨之提高［9］。輕質(zhì)燒結(jié)頁巖磚吸水率越高，抗凍性能越差。這主要是因?yàn)檩p質(zhì)燒結(jié)頁巖磚內(nèi)部的毛細(xì)孔中的水分子能夠在外界環(huán)境發(fā)生凍融循環(huán)時(shí)，對輕質(zhì)燒結(jié)頁巖磚產(chǎn)生一定的破壞作用，輕質(zhì)燒結(jié)頁巖磚內(nèi)部的孔隙率越大，其磚體內(nèi)部的含水量也就越高，所以發(fā)生凍融循環(huán)時(shí)，產(chǎn)生的結(jié)冰量也就越多，導(dǎo)致輕質(zhì)燒結(jié)頁巖磚的抗凍性降低得也就越快。

圖9 吸水率與質(zhì)量損失率和強(qiáng)度損失率的關(guān)系Fig.9 Relationship among the rate ofweight loss，strength loss and bibulous rate

3 結(jié)論

(1)輕質(zhì)燒結(jié)頁巖磚凍融破壞過程中，外觀質(zhì)量呈逐漸下降趨勢，主要反映為強(qiáng)度損失與質(zhì)量損失。在第35次凍融循環(huán)結(jié)束后D類型磚的強(qiáng)度損失達(dá)到27.934 1%，質(zhì)量損失達(dá)到5.734 2%均大于規(guī)范要求，所以在寒冷地區(qū)與嚴(yán)寒地區(qū)不得使用D類型磚。在第50次凍融循環(huán)結(jié)束后C類型磚的強(qiáng)度損失達(dá)到25.734 2%，質(zhì)量損失達(dá)到5.660 4%也均超過嚴(yán)寒地區(qū)抗凍指標(biāo)要求，所以不得在嚴(yán)寒地區(qū)使用C類磚。A、B類磚滿足抗凍指標(biāo)，可以在嚴(yán)寒地區(qū)使用。建議輕質(zhì)燒結(jié)頁巖磚應(yīng)隨不同使用地區(qū)而改變鋸末摻量從而達(dá)到滿足抗凍指標(biāo)的要求。

(2)吸水率隨著鋸末摻量的增加而升高，單磚抗壓強(qiáng)度隨著鋸末摻量的升高而降低，而輕質(zhì)燒結(jié)頁巖磚的抗凍性能隨之下降。

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Experiment on the frost resistance of lightweight sintered shale brick

LIZhi1a，HUANG Bang-biao1a，2，LUO Yin-xia1b，ZHU Ji-zhen1a，LAIJun1a，LIAO Tian-quan1a，ZHANG Bei1a
(1.a.College of Civil and Architectural Engineering;b.College of Foreign Studies，Guangxi University of Science and Technology，Liuzhou 545006，China;2.College of Optical and Electronic Information，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China)

Lightweight sintered shale brick is a new kind of lightweight sintered wallmaterial，which is prepared by shale as the basic raw material，and sawdust as auxiliarymaterial．The contentof sawdust on frost resistance of the lightweight sintered shale brick was analyzed．Weight loss and strength loss of obtained light sintered shale brick increased with increasing content of auxiliary materials under the condition of different freeze-thaw cycles．The amount of sawdust in light sintered shale brick should be changed so as tomeet antifreeze performance requirements in different regions．

lightweight sintered shale brick;sawdust;freeze-thaw cycles;weight loss;strength loss

TU522.12

:A

2015－06－10

廣西科技廳重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目 (桂科AB16380341);柳州市科技局項(xiàng)目 (科技攻關(guān)2015J020201);柳州市柳北區(qū)科技局項(xiàng)目 (公共安全技術(shù)研究與應(yīng)用20160102)

李 治 (1991—)，男，碩士研究生，研究方向:新型墻體材料，262408582@qq.com。

黃榜彪，教授級高級工程師，752309768@qq.com。

李治，黃榜彪，羅銀霞，等．輕質(zhì)燒結(jié)頁巖磚抗凍性能試驗(yàn)［J］．桂林理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，36(4):748－753．

1674－9057(2016)04－0748－06

10.3969/j．issn.1674－9057.2016.04.017