造纸白泥掺量对烧结页岩砖抗冻性能的影响

2021-06-03杨雷铭李青黄秉章朱基珍黄榜彪梁晓前

新型建筑材料 2021年5期

杨雷铭，李青，黄秉章，朱基珍，黄榜彪，梁晓前

（1.广西科技大学土木建筑工程学院，广西柳州 545006；2.柳州工学院土木工程系，广西柳州 545006）

0 引言

随着我国造纸业的繁荣发展，造纸白泥成为一种排放量极大的固体废弃物，其主要产生于造纸厂的碱回收过程中，造纸白泥大量堆积不仅浪费土地，而且会对大气、农田和水体造成污染。研究并利用造纸白泥生产烧结砖不仅实现了资源再利用和保护环境的目的，同时也减少了普通页岩烧结砖对页岩等原材料的消耗，节约资源，符合生态文明和绿色发展理念。

目前，国内对造纸白泥应用于建筑材料方面的研究已有很多，刘宝来等[1]通过掺入改性剂J，利用未经预烘干处理的造纸白泥制得满足使用要求的新型墙体材料，并研究了不同掺量造纸白泥对其物理性能的影响。张娜等[2]将造纸白泥和页岩按不同配比制得造纸白泥烧结页岩砖，通过正交试验，确定了造纸白泥掺量、恒温温度和保温时间的最佳组合，并制得抗压强度和吸水率均符合GB 50003—2011《砌体结构设计规范》要求的造纸白泥烧结页岩砖。作为一种新型墙材，造纸白泥烧结页岩砖有轻质、吸水率低、保温性好、强度适中等优势。刘灏等[3]进行了造纸白泥烧结页岩砖的泛霜及石灰爆裂试验，试验表明，当造纸白泥掺量为20%时，适当减小造纸白泥颗粒的粒径和充分搅拌混合料可有效控制其泛霜和石灰爆裂现象。黄榜彪等[4-5]研究了造纸白泥掺量对页岩砖物理、力学性能的影响，并进行了其砌筑砌体的抗压性能试验，研究了造纸白泥烧结页岩多孔砖砌体的变形性能。研究者针对烧结页岩砖的研究大多集中在物理性能方面，对于耐久性方面的研究有限。本课题对不同掺量造纸白泥烧结页岩砖的抗冻性能进行了研究。

1 试验

1.1 试验材料

造纸白泥：取自柳江造纸厂，白色，主要化学成分为CaCO3，无刺激性气味，含水率为26.81%，其XRD图谱见图1。

图1 造纸白泥的XRD图谱

页岩：取自柳州市周边的砖瓦厂，呈黑色，其主要化学成分见表1。

表1 页岩的主要化学成分 %

水：蒸馏水。

造纸白泥烧结页岩砖的配合比见表2。

表2 造纸白泥烧结页岩砖的配合比 %

1.2 主要试验设备

（1）电热鼓风干燥箱：101-1型，上海东星建材试验有限公司；（2）冻融循环试验机：JCD-40，北京数智意隆仪器有限公司；（3）颚式破碎机：150×125型，江西南昌科腾化验设备成套公司；（4）粉碎机：9FZ-20型，四川简阳富强制粉设备有限公司；（5）烧砖炉：SX2-10-24型，上虞炉南电炉烘箱厂；（6）震击式标准振筛机：ZBSX 92A型，浙江省上虞胜飞试验机械厂。

1.3 砖材制备

根据GB/T 5101—2017《烧结普通砖》等标准要求确定砖材制备方案。

（1）使用电热鼓风干燥箱对造纸白泥和页岩进行2h的恒温干燥处理。

（2）依次使用破碎机和粉碎机分别对干燥后的造纸白泥和页岩进行破碎及压碎处理，得到造纸白泥颗粒和页岩颗粒。

（3）使用震击式标准振筛机筛分出粒径为120目的造纸白泥颗粒和页岩颗粒。

（4）将造纸白泥按0、10%、20%和30%的掺量和页岩颗粒混合搅拌，通过手工振捣压制成型制成规格为240 mm×115 mm×53 mm（实际偏差为±3mm）的砖坯。

（5）将砖坯放入烧砖炉中，保持温度为1050℃，恒温时间为7 h，得到平均孔洞率为12.86%的造纸白泥烧结页岩砖和孔洞率为13.87%的普通烧结页岩砖。制备造纸白泥掺量不同的4组砖材，符合GB/T5101—2017中MU10强度等级。单砖抗压强度平均值如图2所示。

图2 造纸白泥掺量对烧结页岩砖抗压强度的影响

由图2可知，随着造纸白泥掺量的增加，造纸白泥烧结页岩砖的单砖抗压强度平均值先提高后降低。掺入少量造纸白泥对单砖抗压强度影响不大，且造纸白泥掺量为10%时，抗压强度还略有提高，达到最大值12.15 MPa；当造纸白泥掺量为30%时，抗压强度明显下降，为10.68 MPa。这是因为造纸白泥含钙量高，其中的钙碳酸盐或氧化物、水合物在焙烧过程中和硅、铝成分的物质进行化学反应，最终产物CaSiO3是具有极高强度的针状晶体；当造纸白泥掺量大于10%时是由于造纸白泥中的有机化合物在高温焙烧过程中会充分燃烧，在砖体内部形成大量微小孔隙，且孔隙数量随造纸白泥掺量增加而增加，从而降低了单砖抗压强度。

2 冻融循环试验

2.1 冻融循环破坏机理

烧结砖是一种工程中常用的墙体材料，由于其内部具有大量的孔隙结构，所以对液态水具有很强的吸附、储存和传递能力，当温度低于冰点时，烧结砖中的液态水会凝结成冰。水从液相变为固相时，体积会膨胀10%左右，因此，冰必须抵抗毛细管壁约束形成的膨胀压力，与此同时，砖材则承受张应力，而在冰融化后，砖内部会出现不可逆的膨胀变形，在冻融循环后对砖的内部微观结构造成损伤，随着损伤继续积累和扩展，最终对砖的外观和宏观力学性能产生非常不利的影响，甚至会使砖体产生疲劳破坏。因为这种损伤是由内而外的，不易察觉，因此研究砖的抗冻性显得尤为重要。GB 50574—2010《墙体材料应用统一技术规范》规范对砖材的抗冻性能要求如表3所示[6]。

表3 块体材料的抗冻性能

2.2 试验步骤

（1）用毛刷将试样表面清理干净，放入（105±5）℃的电热鼓风干燥箱中干燥，直至试样质量不变（在干燥过程中，每隔2 h对试件称量，相邻2次测试结果相差不超过0.2%），称量试件质量，检查试件的外观，梭角不应有破坏和缺失等损坏。

（2）把试件放入事先准备好的水槽里，用20℃恒温水浸没试件，24 h后取出，用湿抹布擦去表面的残留水分，将试块立放于-15℃的冻融循环试验机内，任意2块砖的间距不小于20 mm。

（3）一旦箱体温度再次降至-15℃，将试件在-15～-20℃下冻结3 h。以上步骤为1次冻融循环。

（4）每5个冻融循环完成后，检查冻融循环内试件的外观，记录试件的破损情况。

（5）若试件在冻融循环过程中发生明显破坏，要立刻停止本组试件的试验，记下冻融次数，判定本组试件不合格，否则要一直做完50次冻融循环才停止。

（6）在冻融循环后，将试件置于电热鼓风干燥箱中，并干燥至试件的质量保持不变，记录质量。

（7）采用GB/T2542—2012《砌墙砖试验方法》进行抗压强度测试，比较干燥后的试件和未经冻融循环试件的抗压强度。

3 试验结果与分析

3.1 冻融循环次数对不同造纸白泥掺量烧结页岩砖外观的影响

（1）冻融循环15次后，A组普通烧结页岩砖与B组造纸白泥烧结页岩砖外观无明显变化，C组造纸白泥烧结页岩砖出现轻微的起皮现象。D组造纸白泥烧结页岩砖表面有少量孔洞和掉渣。

（2）冻融循环25次后，A组普通烧结页岩砖与B组造纸白泥烧结页岩砖表面均出现了轻微的掉渣与起皮，但外观质量依旧较为完整。C组造纸白泥烧结页岩砖表面出现许多孔洞，棱角部位出现剥落现象。D组造纸白泥烧结页岩砖表面孔洞有变大、变深的趋势，呈凹凸不平状并出现少量裂纹，棱角部位出现剥落现象。

（3）冻融循环35次后，A组普通烧结页岩砖表面出现少量横向微裂缝，并且起皮和掉渣现象加重，出现轻微的缺棱掉角现象。B组和C组造纸白泥烧结页岩砖表面除了起皮和掉渣现象加重以外，棱角有轻微缺损。D组造纸白泥烧结页岩砖棱角部位缺损严重，砖体表面严重掉渣，且表面出现大的凹陷。

（4）冻融循环50次后，A组普通烧结页岩砖表面掉渣现象加重，横向微裂缝变多，棱角部位缺损加重。B组造纸白泥烧结页岩砖有起皮、掉渣和缺棱掉角现象，且棱边出现较大的弯曲。C组和D组造纸白泥烧结页岩砖呈现大量掉渣与掉皮现象，棱边与棱角缺损严重，外观质量破坏严重。冻融循环后造纸白泥烧结页岩砖外观质量情况如图3所示。

图3 不同次数冻融循环后的造纸白泥烧结页岩砖

3.2 冻融循环次数对不同造纸白泥掺量烧结

页岩砖质量、强度损失率的影响（见图4、图5）

图4 冻融循环次数对不同造纸白泥掺量烧结页岩砖质量损失率的影响

由图4可见，掺入造纸白泥对25次冻融循环以内烧结页岩砖的质量损失影响不大；但当造纸白泥掺量大于20%且冻融循环大于25次时，烧结页岩砖的质量损失率明显增大。

图5 冻融循环次数对不同造纸白泥掺量烧结页岩砖强度损失率的影响

由图5可见，造纸白泥掺量为10%且冻融循环小于35次时，掺入造纸白泥对烧结页岩砖的抗压强度损失影响不大；当冻融循环大于35次时，造纸白泥烧结页岩砖的强度损失速度会突然加快。这是由于在冻融循环过程中砖体内部的水结冰后体积膨胀形成微小裂缝，由于冰的线性热膨胀值是砖的10倍左右，随着冻融循环次数的增加，微裂缝不断拓展和联通，最终在冰的膨胀应力和温度应力共同作用下，形成较大的宏观裂缝，严重影响砖材的抗压强度。

由图4和图5可知，造纸白泥掺量对烧结页岩砖的抗冻性能影响很大。当造纸白泥掺量为10%时，冻融循环进行到35次时，烧结页岩砖质量损失率与强度损失率均符合GB 50574—2010规范要求，表明造纸白泥掺量为10%时砖体有较好的抗冻能力。而造纸白泥掺量为30%的造纸白泥烧结页岩砖抗冻性能则较差，经过25次冻融循坏后外观严重损坏，质量损失率为6.36%，强度损失率高达38.12%，达不到GB 50574—2010规范对夏热冬冷地区砖材的抗冻性要求。当造纸白泥掺量为20%、冻融循环次数为35次时，质量损失率为7.7%，强度损失率高达45%，不符合GB 50574—2010规范对寒冷地区砖材的抗冻性要求。