造紙白泥摻量對燒結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 土木建筑工程學院，廣西 柳州 545006；2.柳州工學院 土木工程系，廣西 柳州 545006）

0 引言

隨著我國造紙業的繁榮發展，造紙白泥成為一種排放量極大的固體廢棄物，其主要產生于造紙廠的堿回收過程中，造紙白泥大量堆積不僅浪費土地，而且會對大氣、農田和水體造成污染。研究并利用造紙白泥生產燒結磚不僅實現了資源再利用和保護環境的目的，同時也減少了普通頁巖燒結磚對頁巖等原材料的消耗，節約資源，符合生態文明和綠色發展理念。

目前，國內對造紙白泥應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，利用未經預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頁巖磚，通過正交試驗，確定了造紙白泥摻量、恒溫溫度和保溫時間的最佳組合，并制得抗壓強度和吸水率均符合GB 50003—2011《砌體結構設計規范》要求的造紙白泥燒結頁巖磚。作為一種新型墻材，造紙白泥燒結頁巖磚有輕質、吸水率低、保溫性好、強度適中等優勢。劉灝等[3]進行了造紙白泥燒結頁巖磚的泛霜及石灰爆裂試驗，試驗表明，當造紙白泥摻量為20%時，適當減小造紙白泥顆粒的粒徑和充分攪拌混合料可有效控制其泛霜和石灰爆裂現象。黃榜彪等[4-5]研究了造紙白泥摻量對頁巖磚物理、力學性能的影響，并進行了其砌筑砌體的抗壓性能試驗，研究了造紙白泥燒結頁巖多孔磚砌體的變形性能。研究者針對燒結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頁巖磚的抗凍性能進行了研究。

1 試驗

1.1 試驗材料

造紙白泥：取自柳江造紙廠，白色，主要化學成分為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，其主要化學成分見表1。

表1 頁巖的主要化學成分 %

水：蒸餾水。

造紙白泥燒結頁巖磚的配合比見表2。

表2 造紙白泥燒結頁巖磚的配合比 %

1.2 主要試驗設備

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

1.3 磚材制備

根據GB/T 5101—2017《燒結普通磚》等標準要求確定磚材制備方案。

（1）使用電熱鼓風干燥箱對造紙白泥和頁巖進行2h的恒溫干燥處理。

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

（3）使用震擊式標準振篩機篩分出粒徑為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格為240 mm×115 mm×53 mm（實際偏差為±3mm）的磚坯。

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

圖2 造紙白泥摻量對燒結頁巖磚抗壓強度的影響

由圖2可知，隨著造紙白泥摻量的增加，造紙白泥燒結頁巖磚的單磚抗壓強度平均值先提高后降低。摻入少量造紙白泥對單磚抗壓強度影響不大，且造紙白泥摻量為10%時，抗壓強度還略有提高，達到最大值12.15 MPa；當造紙白泥摻量為30%時，抗壓強度明顯下降，為10.68 MPa。這是因為造紙白泥含鈣量高，其中的鈣碳酸鹽或氧化物、水合物在焙燒過程中和硅、鋁成分的物質進行化學反應，最終產物CaSiO3是具有極高強度的針狀晶體；當造紙白泥摻量大于10%時是由于造紙白泥中的有機化合物在高溫焙燒過程中會充分燃燒，在磚體內部形成大量微小孔隙，且孔隙數量隨造紙白泥摻量增加而增加，從而降低了單磚抗壓強度。

2 凍融循環試驗

2.1 凍融循環破壞機理

燒結磚是一種工程中常用的墻體材料，由于其內部具有大量的孔隙結構，所以對液態水具有很強的吸附、儲存和傳遞能力，當溫度低于冰點時，燒結磚中的液態水會凝結成冰。水從液相變為固相時，體積會膨脹10%左右，因此，冰必須抵抗毛細管壁約束形成的膨脹壓力，與此同時，磚材則承受張應力，而在冰融化后，磚內部會出現不可逆的膨脹變形，在凍融循環后對磚的內部微觀結構造成損傷，隨著損傷繼續積累和擴展，最終對磚的外觀和宏觀力學性能產生非常不利的影響，甚至會使磚體產生疲勞破壞。因為這種損傷是由內而外的，不易察覺，因此研究磚的抗凍性顯得尤為重要。GB 50574—2010《墻體材料應用統一技術規范》規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 試驗步驟

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

（2）把試件放入事先準備好的水槽里，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℃的凍融循環試驗機內，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3 h。以上步驟為1次凍融循環。

（4）每5個凍融循環完成后，檢查凍融循環內試件的外觀，記錄試件的破損情況。

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

（6）在凍融循環后，將試件置于電熱鼓風干燥箱中，并干燥至試件的質量保持不變，記錄質量。

（7）采用GB/T2542—2012《砌墻磚試驗方法》進行抗壓強度測試，比較干燥后的試件和未經凍融循環試件的抗壓強度。

3 試驗結果與分析

3.1 凍融循環次數對不同造紙白泥摻量燒結頁巖磚外觀的影響

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

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

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

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

圖3 不同次數凍融循環后的造紙白泥燒結頁巖磚

3.2 凍融循環次數對不同造紙白泥摻量燒結

頁巖磚質量、強度損失率的影響（見圖4、圖5）

圖4 凍融循環次數對不同造紙白泥摻量燒結頁巖磚質量損失率的影響

由圖4可見，摻入造紙白泥對25次凍融循環以內燒結頁巖磚的質量損失影響不大；但當造紙白泥摻量大于20%且凍融循環大于25次時，燒結頁巖磚的質量損失率明顯增大。

圖5 凍融循環次數對不同造紙白泥摻量燒結頁巖磚強度損失率的影響

由圖5可見，造紙白泥摻量為10%且凍融循環小于35次時，摻入造紙白泥對燒結頁巖磚的抗壓強度損失影響不大；當凍融循環大于35次時，造紙白泥燒結頁巖磚的強度損失速度會突然加快。這是由于在凍融循環過程中磚體內部的水結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，隨著凍融循環次數的增加，微裂縫不斷拓展和聯通，最終在冰的膨脹應力和溫度應力共同作用下，形成較大的宏觀裂縫，嚴重影響磚材的抗壓強度。

由圖4和圖5可知，造紙白泥摻量對燒結頁巖磚的抗凍性能影響很大。當造紙白泥摻量為10%時，凍融循環進行到35次時，燒結頁巖磚質量損失率與強度損失率均符合GB 50574—2010規范要求，表明造紙白泥摻量為10%時磚體有較好的抗凍能力。而造紙白泥摻量為30%的造紙白泥燒結頁巖磚抗凍性能則較差，經過25次凍融循壞后外觀嚴重損壞，質量損失率為6.36%，強度損失率高達38.12%，達不到GB 50574—2010規范對夏熱冬冷地區磚材的抗凍性要求。當造紙白泥摻量為20%、凍融循環次數為35次時，質量損失率為7.7%，強度損失率高達45%，不符合GB 50574—2010規范對寒冷地區磚材的抗凍性要求。

4 結論

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

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

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