造紙白泥摻量對燒結(jié)頁巖磚抗凍性能的影響

楊雷銘，李青，黃秉章，朱基珍，黃榜彪，梁曉前

（1.廣西科技大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，廣西 柳州 545006；2.柳州工學(xué)院 土木工程系，廣西 柳州 545006）

0 引言

隨著我國造紙業(yè)的繁榮發(fā)展，造紙白泥成為一種排放量極大的固體廢棄物，其主要產(chǎn)生于造紙廠的堿回收過程中，造紙白泥大量堆積不僅浪費(fèi)土地，而且會對大氣、農(nóng)田和水體造成污染。研究并利用造紙白泥生產(chǎn)燒結(jié)磚不僅實(shí)現(xiàn)了資源再利用和保護(hù)環(huán)境的目的，同時(shí)也減少了普通頁巖燒結(jié)磚對頁巖等原材料的消耗，節(jié)約資源，符合生態(tài)文明和綠色發(fā)展理念。

目前，國內(nèi)對造紙白泥應(yīng)用于建筑材料方面的研究已有很多，劉寶來等[1]通過摻入改性劑J，利用未經(jīng)預(yù)烘干處理的造紙白泥制得滿足使用要求的新型墻體材料，并研究了不同摻量造紙白泥對其物理性能的影響。張娜等[2]將造紙白泥和頁巖按不同配比制得造紙白泥燒結(jié)頁巖磚，通過正交試驗(yàn)，確定了造紙白泥摻量、恒溫溫度和保溫時(shí)間的最佳組合，并制得抗壓強(qiáng)度和吸水率均符合GB 50003—2011《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求的造紙白泥燒結(jié)頁巖磚。作為一種新型墻材，造紙白泥燒結(jié)頁巖磚有輕質(zhì)、吸水率低、保溫性好、強(qiáng)度適中等優(yōu)勢。劉灝等[3]進(jìn)行了造紙白泥燒結(jié)頁巖磚的泛霜及石灰爆裂試驗(yàn)，試驗(yàn)表明，當(dāng)造紙白泥摻量為20%時(shí)，適當(dāng)減小造紙白泥顆粒的粒徑和充分?jǐn)嚢杌旌狭峡捎行Э刂破浞核褪冶熏F(xiàn)象。黃榜彪等[4-5]研究了造紙白泥摻量對頁巖磚物理、力學(xué)性能的影響，并進(jìn)行了其砌筑砌體的抗壓性能試驗(yàn)，研究了造紙白泥燒結(jié)頁巖多孔磚砌體的變形性能。研究者針對燒結(jié)頁巖磚的研究大多集中在物理性能方面，對于耐久性方面的研究有限。本課題對不同摻量造紙白泥燒結(jié)頁巖磚的抗凍性能進(jìn)行了研究。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

造紙白泥：取自柳江造紙廠，白色，主要化學(xué)成分為CaCO3，無刺激性氣味，含水率為26.81%，其XRD圖譜見圖1。

圖1 造紙白泥的XRD圖譜

頁巖：取自柳州市周邊的磚瓦廠，呈黑色，其主要化學(xué)成分見表1。

表1 頁巖的主要化學(xué)成分 %

水：蒸餾水。

造紙白泥燒結(jié)頁巖磚的配合比見表2。

表2 造紙白泥燒結(jié)頁巖磚的配合比 %

1.2 主要試驗(yàn)設(shè)備

（1）電熱鼓風(fēng)干燥箱：101-1型，上海東星建材試驗(yàn)有限公司；（2）凍融循環(huán)試驗(yàn)機(jī)：JCD-40，北京數(shù)智意隆儀器有限公司；（3）顎式破碎機(jī)：150×125型，江西南昌科騰化驗(yàn)設(shè)備成套公司；（4）粉碎機(jī)：9FZ-20型，四川簡陽富強(qiáng)制粉設(shè)備有限公司；（5）燒磚爐：SX2-10-24型，上虞爐南電爐烘箱廠；（6）震擊式標(biāo)準(zhǔn)振篩機(jī)：ZBSX 92A型，浙江省上虞勝飛試驗(yàn)機(jī)械廠。

1.3 磚材制備

根據(jù)GB/T 5101—2017《燒結(jié)普通磚》等標(biāo)準(zhǔn)要求確定磚材制備方案。

（1）使用電熱鼓風(fēng)干燥箱對造紙白泥和頁巖進(jìn)行2h的恒溫干燥處理。

（2）依次使用破碎機(jī)和粉碎機(jī)分別對干燥后的造紙白泥和頁巖進(jìn)行破碎及壓碎處理，得到造紙白泥顆粒和頁巖顆粒。

（3）使用震擊式標(biāo)準(zhǔn)振篩機(jī)篩分出粒徑為120目的造紙白泥顆粒和頁巖顆粒。

（4）將造紙白泥按0、10%、20%和30%的摻量和頁巖顆粒混合攪拌，通過手工振搗壓制成型制成規(guī)格為240 mm×115 mm×53 mm（實(shí)際偏差為±3mm）的磚坯。

（5）將磚坯放入燒磚爐中，保持溫度為1050℃，恒溫時(shí)間為7 h，得到平均孔洞率為12.86%的造紙白泥燒結(jié)頁巖磚和孔洞率為13.87%的普通燒結(jié)頁巖磚。制備造紙白泥摻量不同的4組磚材，符合GB/T5101—2017中MU10強(qiáng)度等級。單磚抗壓強(qiáng)度平均值如圖2所示。

圖2 造紙白泥摻量對燒結(jié)頁巖磚抗壓強(qiáng)度的影響

由圖2可知，隨著造紙白泥摻量的增加，造紙白泥燒結(jié)頁巖磚的單磚抗壓強(qiáng)度平均值先提高后降低。摻入少量造紙白泥對單磚抗壓強(qiáng)度影響不大，且造紙白泥摻量為10%時(shí)，抗壓強(qiáng)度還略有提高，達(dá)到最大值12.15 MPa；當(dāng)造紙白泥摻量為30%時(shí)，抗壓強(qiáng)度明顯下降，為10.68 MPa。這是因?yàn)樵旒埌啄嗪}量高，其中的鈣碳酸鹽或氧化物、水合物在焙燒過程中和硅、鋁成分的物質(zhì)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，最終產(chǎn)物CaSiO3是具有極高強(qiáng)度的針狀晶體；當(dāng)造紙白泥摻量大于10%時(shí)是由于造紙白泥中的有機(jī)化合物在高溫焙燒過程中會充分燃燒，在磚體內(nèi)部形成大量微小孔隙，且孔隙數(shù)量隨造紙白泥摻量增加而增加，從而降低了單磚抗壓強(qiáng)度。

2 凍融循環(huán)試驗(yàn)

2.1 凍融循環(huán)破壞機(jī)理

燒結(jié)磚是一種工程中常用的墻體材料，由于其內(nèi)部具有大量的孔隙結(jié)構(gòu)，所以對液態(tài)水具有很強(qiáng)的吸附、儲存和傳遞能力，當(dāng)溫度低于冰點(diǎn)時(shí)，燒結(jié)磚中的液態(tài)水會凝結(jié)成冰。水從液相變?yōu)楣滔鄷r(shí)，體積會膨脹10%左右，因此，冰必須抵抗毛細(xì)管壁約束形成的膨脹壓力，與此同時(shí)，磚材則承受張應(yīng)力，而在冰融化后，磚內(nèi)部會出現(xiàn)不可逆的膨脹變形，在凍融循環(huán)后對磚的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)造成損傷，隨著損傷繼續(xù)積累和擴(kuò)展，最終對磚的外觀和宏觀力學(xué)性能產(chǎn)生非常不利的影響，甚至?xí)勾u體產(chǎn)生疲勞破壞。因?yàn)檫@種損傷是由內(nèi)而外的，不易察覺，因此研究磚的抗凍性顯得尤為重要。GB 50574—2010《墻體材料應(yīng)用統(tǒng)一技術(shù)規(guī)范》規(guī)范對磚材的抗凍性能要求如表3所示[6]。

表3 塊體材料的抗凍性能

2.2 試驗(yàn)步驟

（1）用毛刷將試樣表面清理干凈，放入（105±5）℃的電熱鼓風(fēng)干燥箱中干燥，直至試樣質(zhì)量不變（在干燥過程中，每隔2 h對試件稱量，相鄰2次測試結(jié)果相差不超過0.2%），稱量試件質(zhì)量，檢查試件的外觀，梭角不應(yīng)有破壞和缺失等損壞。

（2）把試件放入事先準(zhǔn)備好的水槽里，用20℃恒溫水浸沒試件，24 h后取出，用濕抹布擦去表面的殘留水分，將試塊立放于-15℃的凍融循環(huán)試驗(yàn)機(jī)內(nèi)，任意2塊磚的間距不小于20 mm。

（3）一旦箱體溫度再次降至-15℃，將試件在-15～-20℃下凍結(jié)3 h。以上步驟為1次凍融循環(huán)。

（4）每5個(gè)凍融循環(huán)完成后，檢查凍融循環(huán)內(nèi)試件的外觀，記錄試件的破損情況。

（5）若試件在凍融循環(huán)過程中發(fā)生明顯破壞，要立刻停止本組試件的試驗(yàn)，記下凍融次數(shù)，判定本組試件不合格，否則要一直做完50次凍融循環(huán)才停止。

（6）在凍融循環(huán)后，將試件置于電熱鼓風(fēng)干燥箱中，并干燥至試件的質(zhì)量保持不變，記錄質(zhì)量。

（7）采用GB/T2542—2012《砌墻磚試驗(yàn)方法》進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試，比較干燥后的試件和未經(jīng)凍融循環(huán)試件的抗壓強(qiáng)度。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 凍融循環(huán)次數(shù)對不同造紙白泥摻量燒結(jié)頁巖磚外觀的影響

（1）凍融循環(huán)15次后，A組普通燒結(jié)頁巖磚與B組造紙白泥燒結(jié)頁巖磚外觀無明顯變化，C組造紙白泥燒結(jié)頁巖磚出現(xiàn)輕微的起皮現(xiàn)象。D組造紙白泥燒結(jié)頁巖磚表面有少量孔洞和掉渣。

（2）凍融循環(huán)25次后，A組普通燒結(jié)頁巖磚與B組造紙白泥燒結(jié)頁巖磚表面均出現(xiàn)了輕微的掉渣與起皮，但外觀質(zhì)量依舊較為完整。C組造紙白泥燒結(jié)頁巖磚表面出現(xiàn)許多孔洞，棱角部位出現(xiàn)剝落現(xiàn)象。D組造紙白泥燒結(jié)頁巖磚表面孔洞有變大、變深的趨勢，呈凹凸不平狀并出現(xiàn)少量裂紋，棱角部位出現(xiàn)剝落現(xiàn)象。

（3）凍融循環(huán)35次后，A組普通燒結(jié)頁巖磚表面出現(xiàn)少量橫向微裂縫，并且起皮和掉渣現(xiàn)象加重，出現(xiàn)輕微的缺棱掉角現(xiàn)象。B組和C組造紙白泥燒結(jié)頁巖磚表面除了起皮和掉渣現(xiàn)象加重以外，棱角有輕微缺損。D組造紙白泥燒結(jié)頁巖磚棱角部位缺損嚴(yán)重，磚體表面嚴(yán)重掉渣，且表面出現(xiàn)大的凹陷。

（4）凍融循環(huán)50次后，A組普通燒結(jié)頁巖磚表面掉渣現(xiàn)象加重，橫向微裂縫變多，棱角部位缺損加重。B組造紙白泥燒結(jié)頁巖磚有起皮、掉渣和缺棱掉角現(xiàn)象，且棱邊出現(xiàn)較大的彎曲。C組和D組造紙白泥燒結(jié)頁巖磚呈現(xiàn)大量掉渣與掉皮現(xiàn)象，棱邊與棱角缺損嚴(yán)重，外觀質(zhì)量破壞嚴(yán)重。凍融循環(huán)后造紙白泥燒結(jié)頁巖磚外觀質(zhì)量情況如圖3所示。

圖3 不同次數(shù)凍融循環(huán)后的造紙白泥燒結(jié)頁巖磚

3.2 凍融循環(huán)次數(shù)對不同造紙白泥摻量燒結(jié)

頁巖磚質(zhì)量、強(qiáng)度損失率的影響（見圖4、圖5）

圖4 凍融循環(huán)次數(shù)對不同造紙白泥摻量燒結(jié)頁巖磚質(zhì)量損失率的影響

由圖4可見，摻入造紙白泥對25次凍融循環(huán)以內(nèi)燒結(jié)頁巖磚的質(zhì)量損失影響不大；但當(dāng)造紙白泥摻量大于20%且凍融循環(huán)大于25次時(shí)，燒結(jié)頁巖磚的質(zhì)量損失率明顯增大。

圖5 凍融循環(huán)次數(shù)對不同造紙白泥摻量燒結(jié)頁巖磚強(qiáng)度損失率的影響

由圖5可見，造紙白泥摻量為10%且凍融循環(huán)小于35次時(shí)，摻入造紙白泥對燒結(jié)頁巖磚的抗壓強(qiáng)度損失影響不大；當(dāng)凍融循環(huán)大于35次時(shí)，造紙白泥燒結(jié)頁巖磚的強(qiáng)度損失速度會突然加快。這是由于在凍融循環(huán)過程中磚體內(nèi)部的水結(jié)冰后體積膨脹形成微小裂縫，由于冰的線性熱膨脹值是磚的10倍左右，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，微裂縫不斷拓展和聯(lián)通，最終在冰的膨脹應(yīng)力和溫度應(yīng)力共同作用下，形成較大的宏觀裂縫，嚴(yán)重影響磚材的抗壓強(qiáng)度。

由圖4和圖5可知，造紙白泥摻量對燒結(jié)頁巖磚的抗凍性能影響很大。當(dāng)造紙白泥摻量為10%時(shí)，凍融循環(huán)進(jìn)行到35次時(shí)，燒結(jié)頁巖磚質(zhì)量損失率與強(qiáng)度損失率均符合GB 50574—2010規(guī)范要求，表明造紙白泥摻量為10%時(shí)磚體有較好的抗凍能力。而造紙白泥摻量為30%的造紙白泥燒結(jié)頁巖磚抗凍性能則較差，經(jīng)過25次凍融循壞后外觀嚴(yán)重?fù)p壞，質(zhì)量損失率為6.36%，強(qiáng)度損失率高達(dá)38.12%，達(dá)不到GB 50574—2010規(guī)范對夏熱冬冷地區(qū)磚材的抗凍性要求。當(dāng)造紙白泥摻量為20%、凍融循環(huán)次數(shù)為35次時(shí)，質(zhì)量損失率為7.7%，強(qiáng)度損失率高達(dá)45%，不符合GB 50574—2010規(guī)范對寒冷地區(qū)磚材的抗凍性要求。

4 結(jié)論

（1）造紙白泥燒結(jié)頁巖磚的凍融破壞開始表現(xiàn)為起皮、掉渣、微裂縫和缺棱掉角，隨著凍融次數(shù)的增加表現(xiàn)為起皮、掉渣加重和微裂縫擴(kuò)展連通，最后磚體破壞，表現(xiàn)為出現(xiàn)嚴(yán)重彎曲變形、斷裂等現(xiàn)象。

（2）隨著造紙白泥摻量的增加，造紙白泥燒結(jié)頁巖磚的單磚抗壓強(qiáng)度先提高后降低，且在造紙白泥摻量為10%時(shí)，其單磚抗壓強(qiáng)度最高，抗凍能力較好。因此，可以通過適當(dāng)減少造紙白泥摻量來提高磚體的抗壓強(qiáng)度和抗凍性能。

（3）由于不同摻量造紙白泥燒結(jié)頁巖磚的抗凍性能差異很大，建議在夏熱冬暖地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)及寒冷地區(qū)造紙白泥摻量分別不宜大于30%、20%、10%，嚴(yán)寒地區(qū)不宜使用造紙白泥燒結(jié)頁巖磚。