免燒淤泥磚的設(shè)計(jì)制備優(yōu)化及抗凍性能研究

李啟華，丁天庭，陳樹東

(浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系，杭州 311231)

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免燒淤泥磚的設(shè)計(jì)制備優(yōu)化及抗凍性能研究

李啟華，丁天庭，陳樹東

(浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系，杭州 311231)

系統(tǒng)研究了石灰摻量、水泥摻量、養(yǎng)護(hù)溫度和時(shí)間對(duì)淤泥免燒磚力學(xué)性能的影響，優(yōu)化了淤泥免燒磚的設(shè)計(jì)制備。在此基礎(chǔ)上，探討了淤泥免燒磚的抗凍性能。結(jié)果表明：30%～40%的石灰摻量可使淤泥-石灰免燒磚有較高的強(qiáng)度；而增強(qiáng)相水泥的摻量越高，淤泥-石灰-水泥系統(tǒng)免燒磚力學(xué)性能和抗凍性能越佳；綜合考慮生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)因素，養(yǎng)護(hù)溫度在80 ℃為佳。

淤泥； 免燒磚； 石灰； 水泥； 養(yǎng)護(hù)； 抗凍性

1 引 言

近十幾年來，我國(guó)眾多的湖泊河流由于自然侵蝕作用和人為的不當(dāng)開發(fā)等因素，湖泊淤塞、河道淤積、河床抬高等弊端日益突出，其調(diào)蓄、航運(yùn)等作用也受到很大損害。而針對(duì)上述事實(shí)開展的周期性大規(guī)模清淤疏通工作也逐漸增多，藉此我國(guó)每年約產(chǎn)生8000萬～1億噸污泥、淤泥[1]。

淤泥的資源化再利用對(duì)于社會(huì)發(fā)展和綠色循環(huán)經(jīng)濟(jì)均有重大意義。生產(chǎn)淤泥免燒磚既變廢為寶的利用消化淤泥，又可滿足磚瓦企業(yè)對(duì)原材料的需求，切實(shí)有效的保護(hù)耕地資源，降低能耗[2-4]。本文系統(tǒng)研究了石灰和水泥摻量、養(yǎng)護(hù)溫度和時(shí)間對(duì)淤泥免燒磚力學(xué)性能、抗凍性能的影響，以期為淤泥免燒磚的設(shè)計(jì)制備與大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用提供一定的基礎(chǔ)支撐。

2 試 驗(yàn)

2.1 原材料

試驗(yàn)所用淤泥取自市郊河道，經(jīng)曬干、烘干、磨細(xì)后備用，松散堆積密度為1.03 g/cm3；生石灰中CaO含量87%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，細(xì)度為320 m2/kg；水泥為P·I 52.5硅酸鹽水泥；河砂，細(xì)度模數(shù)2.6。

2.2 燒磚配合比

本文研究了石灰摻量對(duì)于淤泥-石灰系統(tǒng)免燒磚強(qiáng)度的影響[5]，如表1中L10～50?？紤]淤泥利用率最大化及強(qiáng)度因素影響，固定了30%的石灰摻量，探討了水泥摻量對(duì)于淤泥-石灰-水泥系統(tǒng)免燒磚的強(qiáng)度和抗凍性能影響規(guī)律，配比如表1中C5～20。以上9組試驗(yàn)中養(yǎng)護(hù)時(shí)間均為2 d。養(yǎng)護(hù)溫度與時(shí)間對(duì)免燒磚力學(xué)性能影響試驗(yàn)配比如表中T60～110。試驗(yàn)中免燒磚成型壓力10 MPa[6]，水膠比0.18，固定膠砂比1∶1。免燒磚壓力成型模具與試件成品如圖1所示。

表1 淤泥免燒磚試驗(yàn)配合比Tab.1 Mix design of silt baking-free bricks

2.3 抗凍性能試驗(yàn)

免燒磚凍融循環(huán)試驗(yàn)步驟如下：(1)將試樣放入鼓風(fēng)干燥箱中在90 ℃下干燥至恒重G0，并將缺棱掉角和裂紋處進(jìn)行標(biāo)記；(2)室溫下，將試樣浸泡于水中24 h后取出，拭去表面水分，放入預(yù)先降溫至-15 ℃以下的冷凍箱中，保持5 h，計(jì)為一次凍融循環(huán)；(3)經(jīng)15次凍融循環(huán)后的試樣，放入鼓風(fēng)箱中，干燥至恒重后，稱其質(zhì)量G1，并進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試。

質(zhì)量損失率(Gm)按式(1)計(jì)算，精確至0.1%。

(1)

式中：

Gm-質(zhì)量損失率，%；

G0-試樣凍融前干質(zhì)量，g；

G1-試樣凍融后干質(zhì)量，g。

2.4 石灰爆裂試驗(yàn)

由于免燒磚內(nèi)部可能殘存的石灰顆粒遇水后反應(yīng)生成氫氧化鈣，導(dǎo)致體積膨脹而造成的掉缺棱、掉角、開裂等現(xiàn)象，因此選取了L30、C10、C15和C20四組配比免燒磚進(jìn)行了石灰爆裂試驗(yàn)。試驗(yàn)步驟：(1)試驗(yàn)前檢查試樣，將初始外觀缺陷作標(biāo)記。(2)將試樣側(cè)立于蒸煮箱內(nèi)篦板上，試樣間隔不小于50 mm，加蓋蒸6 h后取出。(3)檢查試樣上因石灰爆裂而造成的外觀缺陷，記錄下尺寸。以石灰爆裂區(qū)域的尺寸最大者表示。

3 結(jié)果與討論

3.1 石灰對(duì)淤泥-石灰免燒磚影響

首先探討了不同摻量石灰對(duì)于淤泥-石灰免燒磚強(qiáng)度影響規(guī)律，結(jié)果如圖2所示?？梢钥闯?，石灰摻量的不斷增大，淤泥磚抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)為先增加后降低的規(guī)律。石灰摻量40%時(shí)達(dá)到8.5 MPa。免燒磚抗折強(qiáng)度變化規(guī)律與抗壓強(qiáng)度規(guī)律類似，且強(qiáng)度普遍較低。僅靠淤泥與石灰作用，難以形成較高的力學(xué)強(qiáng)度，未能達(dá)到免燒磚性能指標(biāo)要求。

圖2 石灰對(duì)淤泥-石灰免燒磚影響(a)抗壓強(qiáng)度；(b)抗折強(qiáng)度Fig.2 Effect of lime content on mechanical properties of bricks(a)compressive strength;(b)flexural strength

首先，淤泥-石灰免燒磚中氫氧化鈣作為強(qiáng)電解質(zhì)，解離生成Ca2+與淤泥礦物中鉀、鈉等離子產(chǎn)生交換，削減了土體顆粒吸附水膜厚度，使得土的分散性、粘塑性降低，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性有所提高[7]。其次，氫氧化鈣與淤泥中的活性氧化硅、氧化鋁發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等膠凝產(chǎn)物，使顆粒間產(chǎn)生膠結(jié)產(chǎn)生強(qiáng)度。而蒸養(yǎng)處理加速火山灰反應(yīng)的速度和程度，這是免燒磚獲得強(qiáng)度的重要原因[8]。

3.2 水泥摻量對(duì)淤泥-石灰-水泥免燒磚影響

水泥作為一種膠凝材料，與水拌合會(huì)發(fā)生劇烈的水化反應(yīng)，生成大量C-S-H凝膠從而形成較高膠凝強(qiáng)度。顯然，淤泥免燒磚中水泥的摻入主要發(fā)揮了水化活性，在淤泥免燒磚內(nèi)部形成一定量的C-S-H凝膠從而提高免燒磚的力學(xué)性能。

圖3 水泥摻量對(duì)免燒磚強(qiáng)度的影響(a)抗壓強(qiáng)度；(b)抗折強(qiáng)度Fig.3 Effect of cement content on mechanical properties of bricks(a)compressive strength;(b)flexural strength

圖3 為水泥摻量對(duì)免燒磚強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。從圖3(a)可以看出增強(qiáng)相水泥的摻入顯著提高了免燒磚力學(xué)性能，隨著水泥摻量的不斷增加，免燒磚抗壓、抗折強(qiáng)度逐漸提高，且增幅放緩。當(dāng)水泥摻量為20%時(shí)，免燒磚的強(qiáng)度可高達(dá)16 MPa，這主要是水泥水化生成大量的C-S-H凝膠，將淤泥顆粒緊緊的膠結(jié)在一起，使結(jié)構(gòu)更加致密。圖3(b)為抗折強(qiáng)度，其變化規(guī)律與抗壓強(qiáng)度一致。作為淤泥免燒磚增強(qiáng)相，水泥的摻入大幅提高了系統(tǒng)力學(xué)性能，使其滿足了免燒磚性能指標(biāo)要求。

3.3 養(yǎng)護(hù)溫度與時(shí)間對(duì)免燒磚強(qiáng)度影響

免燒磚在壓力成型之后，經(jīng)過適當(dāng)條件養(yǎng)護(hù)，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并逐步硬化，獲取一定物理力學(xué)性能及耐久性。免燒磚60%左右的強(qiáng)度在養(yǎng)護(hù)程序中產(chǎn)生。養(yǎng)護(hù)的核心是控制溫濕度。在養(yǎng)護(hù)初期，養(yǎng)護(hù)溫度不宜過高，劇烈的升溫會(huì)因坯體內(nèi)外溫差過大而使坯體炸裂；而在養(yǎng)護(hù)中期，則需要較高的適當(dāng)溫度，一般地講，磚坯的強(qiáng)度增長(zhǎng)與溫度成正比。圖4反應(yīng)了在不同蒸汽養(yǎng)護(hù)溫度、養(yǎng)護(hù)時(shí)間條件下，免燒磚強(qiáng)度變化規(guī)律。

圖4 養(yǎng)護(hù)時(shí)間與溫度對(duì)于免燒磚強(qiáng)度的影響(a)60 ℃和80 ℃;(b)110 ℃Fig.4 Effect of curing time and temperature on mechanical properties of bricks

由圖可以看出，蒸汽養(yǎng)護(hù)溫度為60 ℃時(shí)，免燒磚強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的推移而逐漸增加，但增長(zhǎng)較為緩慢，不適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)所要求的高效、快速周轉(zhuǎn)要求。當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度為110 ℃時(shí)，免燒磚強(qiáng)度增長(zhǎng)迅速，在36 h后強(qiáng)度可增加到13 MPa，隨著時(shí)間進(jìn)一步增加，強(qiáng)度出現(xiàn)略微的下降。而在80 ℃下，坯體能在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到合適的強(qiáng)度，生產(chǎn)效率較高，符合工業(yè)化生產(chǎn)要求[9,10]。

3.4 免燒磚抗凍性能研究

選擇L30、C10、C15和C20四組配比的免燒磚進(jìn)行了凍融循環(huán)試驗(yàn)，結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 凍融前后強(qiáng)度對(duì)比曲線Fig.5 Compressive strength evolution with and without freeze-thaw tests

圖6 質(zhì)量損失率曲線Fig.6 Weight evolution with freeze-thaw tests

圖5為試樣凍融前后強(qiáng)度對(duì)比曲線，可以明顯發(fā)現(xiàn)，其曲線走勢(shì)規(guī)律基本一致，免燒磚經(jīng)凍融后強(qiáng)度有所下降，淤泥-石灰免燒磚凍后強(qiáng)度損失較大，強(qiáng)度僅有2 MPa，可見單純的淤泥-石灰基體在實(shí)際應(yīng)用中很難滿足使用要求。當(dāng)摻入10%及以上的水泥后，免燒磚凍后強(qiáng)度達(dá)到10 MPa以上，滿足最低強(qiáng)度要求。圖6為四組配比免燒磚15次凍融循環(huán)后質(zhì)量損失率情況，可以看出淤泥-石灰免燒磚凍后質(zhì)量損失較大，而摻加水泥增強(qiáng)相的免燒磚質(zhì)量損失明顯降低。凍融破壞主要由于坯體內(nèi)毛細(xì)孔內(nèi)的水結(jié)冰形成膨脹壓力而破壞基體的結(jié)構(gòu)，而當(dāng)摻入摻入水泥后，免燒磚坯體更加致密緊實(shí)，孔隙率大幅降低，從而降低了基體內(nèi)部的膨脹壓力，降低了破壞程度，故凍后強(qiáng)度也相應(yīng)降低較少。

3.5 石灰爆裂試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過蒸煮箱中6 h試驗(yàn)后，選取的L30、C10、C15和C20四組免燒磚均未出現(xiàn)開裂、剝落，無石灰爆裂現(xiàn)象。高溫蒸壓過程中，水分在磚體中充分傳輸，原料中石灰反應(yīng)充分，故在后期使用過程中不會(huì)出現(xiàn)石灰爆裂現(xiàn)象。

4 結(jié) 論

(1)隨著石灰摻量的增加，淤泥-石灰系統(tǒng)免燒磚強(qiáng)度呈先增后減得規(guī)律，綜合考慮淤泥磚強(qiáng)度因素和經(jīng)濟(jì)因素，石灰摻量宜為30%左右;

(2)淤泥-石灰免燒磚力學(xué)性能及抗凍性能較差，而增強(qiáng)相水泥的加入可大幅提高免燒磚力學(xué)及抗凍性能，水泥摻量 10%時(shí)，免燒磚抗壓強(qiáng)度可達(dá)到12 MPa，15次凍融循環(huán)后強(qiáng)度10 MPa以上，滿足生產(chǎn)要求和使用要求;

(3)免燒磚隨養(yǎng)護(hù)溫度的提高，強(qiáng)度增長(zhǎng)加快，最終強(qiáng)度較高。但考慮最大限度地利用淤泥材料及能耗、經(jīng)濟(jì)等因素，結(jié)合工業(yè)化生產(chǎn)所要求的高效、高周轉(zhuǎn)率等因素，養(yǎng)護(hù)溫度宜在80 ℃左右。

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Preparation Optimization and Frost Resistance of Silt Baking-free Bricks

LIQi-hua,DINGTian-ting,CHENShu-dong

(Department of Construction Engineering,Zhejiang College of Construction，Hangzhou 311231，China)

The influence of lime, cement, curing temperature and time on the mechanical property of silt baking-free bricks was systematically investigated. Subsequently, the frost resistance of silt baking-free bricks was studied. The results show that 30%-40% of lime leads to the higher compressive strength. The increasing content of cement contributes to better mechanical performance and frost resistance. Curing temperature is set at 80 ℃ for economic considerations.

silt;baking-free brick;lime;cement;curing;frost resistance

浙江省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳建設(shè)科研和推廣項(xiàng)目(2014Z020)

李啟華(1960-)，男，副教授.主要從事建筑材料和施工方面的研究.

TU522

A

1001-1625(2016)09-3036-05