黄榜彪，李 治，黄秉章，祁伟伟，潘佳玉，廖天权，张 贝

(1.广西科技大学土木建筑工程学院， 广西柳州545006；2.中设泛华工程咨询有限公司， 广西柳州545006)

污泥烧结页岩多孔砖耐水性能试验研究

黄榜彪1，李 治1，黄秉章2，祁伟伟1，潘佳玉1，廖天权1，张 贝1

(1.广西科技大学土木建筑工程学院， 广西柳州545006；2.中设泛华工程咨询有限公司， 广西柳州545006)

为了研究污泥掺量对污泥烧结页岩多孔砖耐水性能的影响，以便找到最佳污泥掺量的同时找出一种非破损检测砖体耐水性能的方法，首先测定不同污泥掺量下污泥烧结页岩多孔砖在饱水状态下砖体导热系数，再测定其抗压软化系数。结果表明：污泥烧结页岩多孔砖软化系数随着污泥掺量的增加而增大，砖体饱水状态下的导热系数也随着污泥掺量增加而增大。当污泥烧结页岩多孔砖软化系数Kp≥0.85时，污泥烧结页岩多孔砖污泥掺量不得大于20%。建议将饱水状态下砖体导热系数作为评价砖体耐水性能指标，以达到非破损检测砖体耐水性能的目的。

污泥烧结页岩砖；耐水性能；非破损检测；导热系数

0 引 言

污泥烧结页岩多孔砖是由页岩、城市污泥以及一些其他辅料均匀混合焙烧而成，具有自保温功能，其密度为900 kg/m3左右,单砖强度高于MU5.0[1]，适用于框架结构中建筑物的填充墙与隔墙[2]。前人已经针对污泥烧结页岩多孔砖材料的相关力学性能[3]、抗冻性能等方面进行了深入研究[4]，但是对污泥烧结页岩多孔砖耐水性能研究不足。

耐水性能好坏反映了砖体在水中浸泡过后能否保持其原有状态。砖体在水中浸泡过后，在水分子的作用下其固体分子之间的引力减小，使得砖体内部变得酥松强度降低，而且砖体浸泡在水中其砖体内部一些可溶性物质也溶解在水中，进一步降低砖体的强度。因此，一般使用抗压软化系数来评定砖体的耐水性能，但做软化试验需要破坏大量的砖体，而且同一批砖体强度也存在相当的差距，使得试验结果不够准确。为此,笔者引入了新的检测砖体耐水性能的方法，即引入饱水状态下的导热系数与干燥状态下的导热系数的比值作为判断其耐水性能的评价指标。本工作主要研究污泥掺量对污泥烧结页岩砖耐水性能影响，并探究一种非破损检测材料耐水性的新方法。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

本研究所用污泥来自广西柳州白沙污水污泥处理有限公司，污泥呈半固体黑色泥状，有刺鼻恶臭味，含水率约为70%左右，烘干后备用。页岩粉来自柳州市高阳建材有限公司，呈褐色粉末状。

经过高温烧结的污泥烧结页岩多孔砖，砖坯中的水分完全蒸发，有机物燃烧殆尽，而页岩是组成污泥烧结页岩多孔砖的骨架材料，所以合理的页岩级配决定了烧结砖的强度。本研究将页岩粉筛选级配，所筛选的页岩粉末级配见表1。

表1 页岩的粉末级配表
Tab.1 Particle size distribution for shale

粒径/mm15～2010～1505～100125～05<0125占比/%138174517

1.2 试件制作

将筛选好的页岩粉末按一定比例与干燥好的污泥和水充分混合均匀，搅拌时间不得小于30 min。搅拌均匀后挤压成型再使用切割机切割。本次研究采用4种不同的污泥配合比，见表2。

表2 污泥烧结页岩多孔砖配合比
Tab.2 Mix proportion of raw materials for sludge sintered shale porous brick

污泥烧结页岩砖代号页岩占比/%污泥占比/%其他材料/%A85510B751510C702010D652510

1.3 成品微观结构分析

本研究采用日产JFC-1600离子溅射仪和ZEISS环境扫描电镜观察形貌，对烧制成功的污泥烧结页岩多孔砖进行分析。

1.4 污泥烧结页岩多孔砖软化试验方法

软化试验依照《砌墙砖试验方法》GB/T 2542-2012进行。首先，每种类型的污泥烧结页岩砖各选10块，其中5块用于软化试验，另外5块用于作为强度对比。将试验所用砖体放入常温下的水箱中浸泡4 d至饱水状态，然后用抹布擦干砖体表面的水并进行饱和面干状态下的单砖抗压试验。将对比所用砖体在密闭实验室内放置72 h后至气干状态下再对砖体进行单砖抗压试验。软化系数Kf计算公式为：

(1)

式中，Kf为砖体软化系数;Rf为饱水状态下的单砖抗压强度平均值(MPa)；Ro为气干状态下的单砖抗压强度平均值(MPa),本次试验对比取气干状态下5块污泥烧结页岩砖抗压强度平均值。

1.5 污泥烧结页岩多孔砖导热系数的测定方法

本研究采用热线法测导热系数。在前期试验中发现，砖体耐水性能和砖体的吸水率有很大关联。由于砖体吸水率对砖体在饱水状态下的导热系数影响很大，所以尝试采用测量材料饱水状态下的导热系数这一非破损检测方法来代替规范使用的破损检测方法[6]。

(2)

P=IV，

(3)

式中，V为热线段的升温电压(V)；I为热线升温电流(A)；P为热线段的升温功率(W)。

(4)

按式(5)计算材料导热系数，即：

(5)

式中,λ为材料导热系数[W/(m·K)]。

2 试验结果与分析

2.1 污泥烧结页岩多孔砖形貌分析

图1为污泥烧结页岩多孔砖形貌图。由图1中放大1 000倍的形貌图可知，污泥烧结页岩多孔砖表面遍布直径在2～10 μm的孔洞。直径较大的孔洞主要是由于污泥中的有机物燃烧殆尽留下的空隙，而较小的孔洞则是由于砖坯内部水分的蒸发留下的细微空隙。从放大10 000倍的形貌图中可以看出砖体表面在未受外力作用的情况下就已经存在微裂缝。这些微裂缝大多产生于降温阶段，由于温度下降过快，砖体里外温度不均匀而产生温度拉应力，使得砖体在还没有正常使用就已经存在裂缝。

(a) 放大1 000倍

(b) 放大10 000倍

图1 污泥烧结页岩多孔砖形貌图
Fig.1 Sludge sintered shale porous brick topography

2.2 污泥烧结页岩多孔砖软化试验结果与分析

污泥烧结页岩砖软化试验结果数据如表3所示。

由表3可知，污泥烧结页岩多孔砖强度随着污泥掺量的增加而降低[5]。这是因为在污泥中存在大量的有机物质，而有机物质在高温下达到燃点而燃烧殆尽，使得污泥烧结页岩多孔砖中产生大量孔隙，从而降低了污泥烧结页岩多孔砖的强度[6]。

表3 污泥烧结页岩多孔砖软化系数
Tab.3 Softening coefficient of sludge sintered shale porous brick

污泥掺量/%Rf/MPaRo/MPaKfKf513211457168212951532154508609410909009909615962103812811106121112370780841040890980912092470281176779290210207809008508808725521306418330308677077045062049045056

2.3 污泥烧结页岩多孔砖导热系数的测定结果与分析

本研究通过热线法测导热系数，结果见表4与图2。

由图2中可以看出，随污泥掺量的增多，在饱水状态下污泥烧结页岩多孔砖的导热系数也随之上升[7]。这是因为污泥掺量越多，烧制而成的污泥烧结页岩多孔砖内部微小孔隙也越多，从而导致砖体吸水率越高[8]。而影响材料导热系数的重要影响因素就是材料的吸水率，所以材料的导热系数也随着吸水率的升高而增大[9]。

表4 饱水状态下污泥烧结页岩砖污泥掺量与导热系数试验结果数据
Tab.4 Sludge content of sludge sintered shale porous brick in saturated state and coefficient of thermal conductivity data

污泥掺量/%5152025导热系数/[W·(m·K)-1]052925075490091001111364

图2 饱水状态下污泥烧结页岩砖污泥掺量与导热系数的关系
Fig.2 Relationship between sludge content of sludge sintered shale porous brick in saturated state and coefficient of thermal conductivity

2.4 污泥烧结页岩多孔砖耐水性试验结果与分析

污泥烧结页岩多孔砖污泥掺量与软化系数关系如图3所示。

由表3和图3可知，随着污泥掺量的增加，软化系数在不断地降低[10]，即污泥掺量越高，软化系数越小，砖体的耐水性能越差[11]。当污泥掺量高于20%时，砖体的耐水性能急剧下降，因此，建议污泥烧结页岩多孔砖污泥掺量不得大于20%，以保证其耐水性能[12]。以污泥掺量小于20%时其软化系数Kp≥0.85作为耐水材料的标准[13]。

图3 污泥烧结页岩多孔砖污泥掺量与软化系数的关系Fig.3 Relationship between sludge content of sludge sintered shale porous brick and softening coefficient

污泥烧结页岩多孔砖软化系数与导热系数如表5所示，两者关系如图4所示。

由图4可以看出，软化系数与导热系数呈反比关系，对软化系数与导热系数采用最小二乘法进行线性回归，可以得出其关系式为y=-1.213 4x+1.828，以判断砖体是否大于耐水材料标准值Kp=0.85。把Kp=0.85代入y=-1.213 4x+1.828中，得出其饱水状态下砖体的导热系数不得大于0.796 W/(m·K)[14]。

表5 污泥烧结页岩多孔砖软化系数与导热系数数据
Tab.5 Softening coefficient of sludge sintered shale porous brick and coefficient of thermal conductivity data

软化系数096091087056导热系数/[W(m·K)-1]052925075490091001111364

图4 污泥烧结页岩多孔砖软化系数与导热系数关系
Fig.4 Relationship between softening coefficient of sludge sintered shale porous brick and coefficient of thermal conductivity

3 结 论

通过对污泥烧结页岩多孔砖耐水性能试验研究得到以下4点结论：

①污泥烧结页岩多孔砖在烧制完成后表面有大量微小孔隙，并且表面存在大量微小裂缝。

②随着污泥掺量的增多，污泥烧结页岩多孔砖强度下降，软化系数也随之下降。

③为了满足污泥烧结页岩多孔砖作为耐水材料的要求，污泥烧结页岩多孔砖中的污泥掺量不得高于20%。

④砖体的耐水性能和热工性能的影响因素大部分相同，笔者建议以饱和面干状态下砖体的导热系数值的大小作为评定砖体耐水性能指标之一，饱和面干状态下砖体的导热系数可作为检测砖体耐水性能的一种非破损检测方法。

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(责任编辑 唐汉民 裴润梅)

Experimental study on water resistance of sludge sintered shale porous brick

HUANG Bang-biao1, LI Zhi1, HUANG Bing-zhang2, QI Wei-wei1, PAN Jia-yu1, LIAO Tian-quan1, ZHANG Bei1

(1.College of Civil and Architectural Engineering,Guangxi University of Science and Technology, Liuzhou 545006, China; 2.Beijing Pan-China Guojin Engineering Consultancy Co., Ltd, Liuzhou 545006,China)

In order to study the effect of sludge content on the water resistance of sludge sintered shale porous brick, and to find the optimum mix amount of sludge and a non-destructive method to assess the water resistance of the brick body, the thermal conductivity of the brick body under saturation condition with different mix amounts of sludge is firstly determined, and the compressive strength and softening coefficient of the brick body are then determined to conduct the study on the effect of sludge content on the water resistance of the brick body. The results show that the softening coefficient of the sludge sintered shale porous brick increases with the increase of sludge content, and that the thermal conductivity of the brick body in saturation condition also increases with the increase of sludge content. When the softening coefficient of sludge sintered shale porous brickKp≥0.85, the sludge content in the brick should not be larger than 20%. It is suggested that the thermal conductivity of brick body under saturation condition could be taken as a performance index to evaluate the water resistance of the brick body so that the non-destructive test for the water resistance of the brick body could be realized.

sludge sintered shale porous brick; water resistance; non-destructive method; thermal conductivity

2016-04-13；

2016-10-09

广西千亿元产业重大科技攻关项目(桂科攻11107021-3-5，桂科攻1099058);广西科技攻关项目(桂科攻12100007,桂科攻 14126001-4);柳州市科技攻关项目(2013J010404)；广西科技大学硕士研究生创新项目(GKYC201630)

黄榜彪(1964—)，男,广西桂平人，广西科技大学教授，教授级高工；E-mail:75239768@qq.com 。

黄榜彪，李治，黄秉章,等.污泥烧结页岩多孔砖耐水性能试验研究[J].广西大学学报(自然科学版)，2016，41(6)：1733-1739.

10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.1733

TU522

A

1001-7445(2016)06-1733-07