徐 楊，閻長虹

(1.金陵科技學院建筑工程學院，南京 211169；2.南京大學地球科學與工程學院，南京 210023)

0 引 言

燒結磚是一種古老的建筑材料，因其良好的物理力學性質和使用靈活性等方面的優(yōu)點而被廣泛應用于各類建筑中。然而，與混凝土相比，燒結磚密度大，保溫性能差，限制了其在高層建筑中的使用，在建材市場中的份額逐步縮減。因此，為了滿足建筑節(jié)能對建筑材料的要求，燒結磚應當向輕質保溫的方向發(fā)展，如何有效降低燒結磚的導熱系數(shù)成為學界廣泛關注的問題。

增加磚體的孔隙率是降低燒結磚導熱系數(shù)的有效方法之一。為此，常在磚坯中加入一定量的有機成孔劑，有機物在燒成過程中燃燒后變成氣體，形成孔隙，同時產(chǎn)生一定的燃燒熱，可減少燒結過程的能耗。在工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，麥稈、紙漿殘渣等有機廢棄物隨之產(chǎn)生，傳統(tǒng)的填埋或焚燒等處理方法容易引發(fā)一系列的環(huán)境問題[1]。近年來，隨著環(huán)保意識的不斷提高，許多學者將這些有機廢棄物作為成孔劑制備多孔保溫燒結磚[2]，研究成果豐碩。涉及的有機成孔劑種類較多，包括小麥稈、玉米穗、枯草、稻殼等農(nóng)業(yè)有機廢棄物[3-7]，還涉及煙草、釀酒、造紙等工業(yè)生產(chǎn)所產(chǎn)生的有機廢棄物[8-9]。研究結果表明這些有機廢棄物均能按一定配比與粘土制備出滿足規(guī)范要求的多孔保溫燒結磚，具有重要的環(huán)境意義。

城市河道淤泥是城市疏浚工程產(chǎn)生的廢棄泥，據(jù)統(tǒng)計，廣州、南京等城市河道淤泥年均清出量超過100萬立方米。常規(guī)的填埋處理方法占用大量土地，且可能引發(fā)環(huán)境污染，不能適應城市可持續(xù)發(fā)展的需求。近年來，一些學者研究利用淤泥制備燒結磚的可行性，包括湖泊水庫淤泥[10-11]和河道淤泥[12-13]等，研究結果表明淤泥部分替代粘土制備燒結磚是可行的，但淤泥替代率一般小于50%。城市河道淤泥有機質含量高，土顆粒成分與粘土比較接近，提高淤泥摻量，利用原料中的有機質充當成孔劑，制備輕質保溫燒結磚具有重要的環(huán)境意義。

本文以城市河道淤泥為主要原料，替代部分粘土，燒結制備了輕質保溫粘土燒結磚，重點研究了環(huán)境溫度、燒成溫度、淤泥摻量對燒結磚導熱系數(shù)的影響。從燒結磚礦物成分、孔隙率和孔隙結構特征三方面對導熱系數(shù)變化機理進行了初步解釋，并與其它有機質成孔劑進行對比，探討了城市河道淤泥的成孔效果。

1 實 驗

1.1 原 料

燒結磚的制備原料為粘土和淤泥，粘土為寧鎮(zhèn)地區(qū)廣泛分布的下蜀土，淤泥取自城市河道，富含有機質，含量達8.6%。原料化學成分見表1。粘土礦物成分主要包括石英(SiO2)、鈉長石(NaAlSi3O8)、赤鐵礦(Fe2O3)和鉀長石(KAlSi3O8)；淤泥以石英為主要礦物，還包括少量的鈉長石、硅鋁酸二鈣(2CaO·Al2O3·SiO2)、白云母(KAl2Si3AlO10(OH)2)、高嶺石(Al4(Si4O10)·(OH)8)、赤鐵礦和鉀長石。原料的熱重差熱分析采用STA449C型綜合熱分析儀，升溫速率為10 ℃·min-1，加熱環(huán)境為空氣，TG-DSC曲線如圖1所示。

表1 原料的主要化學成分Table 1 Main chemical composition of raw materials /wt%

圖1 原料熱重分析曲線Fig.1 Thermogravimetric analysis curves of raw materials

1.2 樣品制備

為研究城市河道淤泥的成孔效果，分別設置三種不同比例淤泥添加量，50%淤泥+50%粘土(0.5D+0.5C)，60%淤泥+40%粘土(0.6D+0.4C)，70%淤泥+30%粘土(0.7D+0.3C)。原料粉碎過2 mm篩，按上述比例混合，加水混合使混合料含水率達20%，陳化24 h。采用液壓千斤頂以20 MPa壓力將混合料壓制在7 cm×7 cm×7 cm的模具內(nèi)。在室溫條件下，磚坯風干24 h，去除模具后，繼續(xù)在105 ℃的烘箱烘干24 h。完成干燥后，將試樣在馬弗爐內(nèi)進行高溫燒結，燒成溫度分別為1 000 ℃、1 050 ℃、1 100 ℃，即粘土磚比較常用的燒成溫度[14]，試樣燒結升溫曲線如圖2所示。樣品編號為xD+yC+z，x代表淤泥比例，y代表粘土比例，z代表燒成溫度。

圖2 燒結磚升溫曲線Fig.2 Heating curve of fired brick

圖3 EKO導熱系數(shù)測試系統(tǒng)Fig.3 EKO thermal conductivity test system

1.3 樣品表征

依據(jù)砌墻磚試驗方法(GB/T 2542—2012)[15]，對燒成品的燒失率、線收縮率、體積密度、吸水率和抗壓強度等指標進行測試，采用三個平行試樣，試驗結果取平均值。樣品的礦物成分采用X射線衍射儀(XRD,Philips X′Pert Pro)進行分析。采用掃描電子顯微鏡(SEM,Hitachi S-3400N Ⅱ)對樣品微觀孔隙結構特征進行表征。

采用美國EKO公司HC-110型導熱系數(shù)測試儀對樣品的導熱系數(shù)進行測試，測試儀結構如圖3所示，包括測試主機、空氣壓縮機、電腦和恒溫水浴箱。該儀器基于穩(wěn)態(tài)保護熱板法原理，導熱系數(shù)測量范圍0.1～10 W·m-1·℃-1，測試溫度范圍0～110 ℃，測試精度±5%。為評價不同環(huán)境溫度對樣品導熱系數(shù)的影響，分別控制上板溫度和下板溫度為10 ℃和0 ℃、20 ℃和10 ℃、30 ℃和20 ℃、40 ℃和30 ℃，以得到樣品平均測試溫度為5 ℃、15 ℃、25 ℃、35 ℃時的導熱系數(shù)。

2 結果與討論

2.1 燒成品物理力學性能

燒成品物理力學性質如表2所示，其中純粘土燒結磚C+1050為參照樣。由于淤泥化學成分中含有更多的K2O、Na2O和CaO等熔融氧化物，淤泥的摻入可能降低磚坯的燒結溫度，致使試樣在燒成溫度1 100 ℃時均出現(xiàn)不同程度的過燒現(xiàn)象，樣品發(fā)黑，孔隙結構遭到破壞?？傮w來看，摻入淤泥后燒成品的物理力學性質均發(fā)生了較大變化，燒成溫度和淤泥摻量對燒成品性質的影響及作用機理詳見Xu等[16]的研究，本文重點探討環(huán)境溫度、燒成溫度與淤泥摻量對燒成品導熱系數(shù)的影響。

表2 燒結磚性能參數(shù)Table 2 Technological characteristics of fired bricks

2.2 環(huán)境溫度對導熱系數(shù)的影響

圖4 燒結磚導熱系數(shù)與溫度的關系Fig.4 Relationship between thermal conductivity and temperature of fired bricks

圖4為燒結磚導熱系數(shù)與環(huán)境溫度的關系。整體來看，燒結磚導熱系數(shù)隨環(huán)境溫度升高而增大。為評價導熱系數(shù)在不同溫度區(qū)間的變化規(guī)律，引入導熱系數(shù)變化速率η的概念，η為T-λ曲線的斜率。

(1)

式中：η為導熱系數(shù)變化速率;T為環(huán)境溫度;λ1為試樣T1溫度時導熱系數(shù);λ2為試樣T2溫度時導熱系數(shù)。

表3為不同溫度區(qū)間導熱系數(shù)變化速率。燒結磚導熱系數(shù)變化速率隨溫度上升而逐漸增大，如0.5D+0.5C+1050試樣，從5～15 ℃的2.661×10-3℃-1增加到25～35 ℃的4.583×10-3℃-1。然而，在同一溫度區(qū)間，試樣的結構差異對導熱系數(shù)變化率的影響較小，如15～25 ℃區(qū)間范圍內(nèi)，導熱系數(shù)變化率分布在(3.129～3.824)×10-3℃-1，變化幅度較小。據(jù)多孔介質傳熱理論[17]，顆粒直徑小于4～6 mm的多孔介質，氣體對流傳熱貢獻可忽略，以固體顆粒熱傳導為主。因此，隨著溫度上升，微觀粒子熱運動活躍度增加，燒結磚導熱系數(shù)增加。在測試溫度區(qū)間內(nèi)，導熱系數(shù)變化速率僅在10-3數(shù)量級，由于溫度對導熱系數(shù)的影響較小，以25 ℃的測試結果為例進行分析。

表3 T-λ曲線不同溫度段斜率Table 3 Slopes of various temperature ranges of T-λ

2.3 燒成溫度對導熱系數(shù)的影響

圖5為導熱系數(shù)隨燒成溫度的變化規(guī)律。由圖5可知，隨燒成溫度升高，粘土磚導熱系數(shù)逐漸增大，而淤泥粘土磚的導熱系數(shù)則先增加后減小，這是由原料化學成分的差異所致，淤泥中K2O等助熔氧化物含量更高，摻入淤泥將降低淤泥粘土磚的燒結溫度。當在1 100 ℃燒成溫度時淤泥粘土磚均發(fā)生過燒現(xiàn)象，孔隙結構破壞，導熱系數(shù)減小。而粘土磚隨著燒成溫度升高，磚坯發(fā)生收縮致密化，致使粘土磚的導熱系數(shù)繼續(xù)增大。

為進一步探討燒成溫度對燒結磚導熱系數(shù)的影響機理，主要從燒結磚的礦物成分、孔隙率和微觀結構隨燒成溫度的變化進行分析。

對于多孔介質，固相顆粒導熱系數(shù)越大，材料導熱系數(shù)也隨之增加。圖6為不同燒成溫度下燒結磚的XRD譜，可見石英、鈣長石、赤鐵礦和斜長石等礦物衍射波峰，且衍射強度基本一致，說明燒結磚礦物成分在1 000～1 100 ℃范圍內(nèi)沒有明顯變化，對燒結磚的導熱系數(shù)影響較小。但必須指出，燒成溫度是礦物熔融再結晶的重要驅動力，在不同溫度區(qū)間對礦物成分影響的差異較大，如方解石在低于800 ℃時不會大量分解，當溫度超過800 ℃時，開始大量分解，形成熔融液相，冷卻時可生成鈣長石等礦物。

圖5 燒成溫度對燒結磚導熱系數(shù)的影響Fig.5 Effect of firing temperature on thermal conductivity of fired bricks

圖6 不同燒成溫度下燒結磚的礦物成分Fig.6 Mineral composition of fired bricks at different firing temperatures

孔隙率是多孔介質導熱系數(shù)的重要影響因素。在正常燒結溫度范圍內(nèi)(1 000～1 050 ℃)，隨著燒成溫度的升高，試樣產(chǎn)生的熔融液相增加，填充孔隙，發(fā)生收縮致密化，顆粒間距縮小，致使燒結磚的吸水率從19.93%～25.97%降低到16.68%～21.53%，體積密度從1.42～1.35 g·cm-3增加到1.45～1.40 g·cm-3。這說明隨著燒結溫度的升高，燒結磚的總孔隙率和開口孔隙率均有所減小。一方面，總孔隙率減小必然增大導熱系數(shù)；另一方面，在部分開口孔隙轉變?yōu)榉忾]孔隙的過程中，發(fā)生收縮致密化，會提升顆粒間接觸緊密程度，減小接觸熱阻，促使導熱系數(shù)增大。因此，在溫度升高的初期淤泥粘土磚導熱系數(shù)隨燒成溫度的升高先增大。然而，當燒成溫度進一步升高時，燒結磚發(fā)生過燒，孔隙結構遭到破壞，孔隙率顯著增大，使得導熱系數(shù)迅速減小。

通過掃描電子顯微鏡試驗(SEM)獲取燒結磚微觀結構特征，圖7(a)～(f)為淤泥摻量50%的燒結磚在不同燒成溫度下的SEM照片。由圖(a)和(b)可知，由于淤泥含有的有機質在燒結過程中產(chǎn)生了大量的孔隙，燒結磚內(nèi)部存在分布不均的大孔隙，部分粒間膠結不夠緊密，試樣均一性較差，說明在1 000 ℃的燒成溫度下，顆粒的熔融再結晶作用對粒間空隙的填充和顆粒間的膠結連接還不夠充分，這可能降低燒結磚的強度。當燒成溫度增加到1 050 ℃時，燒結磚孔隙結構特征明顯改善，粒間連接更加緊密，平均孔徑減小，均一性提高，燒結磚強度等性能指標提升，但同時絕熱性能降低。從圖(e)和(f)中可以發(fā)現(xiàn)大量的坑洞，說明燒成溫度進一步升高時，燒結磚出現(xiàn)過燒現(xiàn)象。從SEM照片中得到的微觀結構特征與吸水率和體積密度等宏觀性能指標所反映的結論是一致的。

2.4 淤泥摻量對導熱系數(shù)的影響

圖8為淤泥摻量對燒結磚導熱系數(shù)的影響。在不同燒成溫度下，隨淤泥摻量增加燒結磚導熱系數(shù)顯著降低，1 100 ℃曲線的下降速率大于1 000 ℃和1 050 ℃曲線，摻入50%淤泥時導熱系數(shù)下降38.4%～52.7%。城市河道淤泥中含有大量有機質，隨著淤泥摻量的增加，原料中有機質含量逐漸增加，在燒結過程中具有成孔作用，致使燒結磚孔隙率增加。圖9為導熱系數(shù)、抗壓強度與體積密度的關系，體積密度是反映燒結磚總孔隙率的重要指標，隨著體積密度減小，磚體孔隙率降低，導熱系數(shù)呈線性下降，同時抗壓強度呈非線性下降，Eliche等[9]認為這是微孔磚在強度和保溫性能之間不可避免的矛盾。因此，制備輕質保溫磚需協(xié)調(diào)導熱系數(shù)和抗壓強度之間的關系。

不同淤泥摻量燒結磚的SEM照片如圖7(c)、(d)和(g)、(h)所示。當淤泥摻量從50%增加到70%時，燒結磚微觀結構均一性下降，平均孔徑增加，且大孔洞明顯增多，部分顆粒間膠結緊密程度下降。顯然，這對燒結磚強度等性能指標產(chǎn)生不利影響，0.7D+0.3C+1050的抗壓強度僅為8.31 MPa，不能滿足我國規(guī)范對MU10優(yōu)質燒結磚的強度要求。從表2可知，淤泥摻量50%，燒成溫度1 050 ℃，燒結磚的各項性能參數(shù)均能夠滿足我國規(guī)范對優(yōu)質燒結普通磚的要求[18]，且導熱系數(shù)下降約41.5%。

圖8 淤泥摻量對燒結磚導熱系數(shù)的影響Fig.8 Effect of sediments content on thermal conductivity of fired bricks

圖9 導熱系數(shù)、抗壓強度與體積密度的關系Fig.9 Relationship between thermal conductivity, compressive strength and bulk density

2.5 輕質保溫磚對比分析

一些學者研究了摻入不同種類有機廢棄物制備的輕質保溫磚，試驗結果如表4所示。有機質廢棄物摻量是影響燒結磚性能的重要參數(shù)，表中選取的摻量為燒結磚各項參數(shù)滿足規(guī)范要求時的最大摻量。有機廢棄物涉及麥稈、稻殼、造紙殘渣等，種類多樣。摻入有機廢棄物后，燒結磚的密度、抗壓強度和導熱系數(shù)均降低。為平衡保溫性能和其他性能的關系，有機廢棄物摻量一般都低于20%，而本文采用的城市河道淤泥摻量達到50%，導熱系數(shù)從0.820 W·m-1·℃-1降低到0.480 W·m-1·℃-1，下降41.46%，與一般有機成孔劑相比，具有較好的成孔效果。

表4 不同有機廢棄物-粘土燒結磚性質對比[3-9]Table 4 Comparison of properties of different organic waste fired clay bricks[3-9]

3 結 論

(1)由于固體顆粒導熱系數(shù)隨環(huán)境溫度的升高而增大，燒結磚導熱系數(shù)也隨環(huán)境溫度升高而增大，但變化較小，其變化速率在10-3數(shù)量級。

(2)在1 000～1 100 ℃范圍內(nèi)，燒成溫度主要影響燒結磚孔隙率和孔隙結構特征，隨著燒成溫度的升高，淤泥粘土磚導熱系數(shù)先增加后減小。

(3)隨著淤泥摻量逐漸增加，原料有機質含量增大，成孔作用逐漸增強，燒結磚密度、導熱系數(shù)和抗壓強度均有所降低，制備輕質保溫磚需協(xié)調(diào)燒結磚的保溫性能與強度性能。

(4)城市河道淤泥有機質含量高，與一般有機成孔劑相比，摻入50%淤泥具有較好的成孔效果，燒結磚的導熱系數(shù)從0.820 W·m-1·℃-1降低到0.480 W·m-1·℃-1，降低約41.5%，且其他指標均能滿足我國規(guī)范對優(yōu)質燒結普通磚的要求，表明以城市河道淤泥為主要原料制備輕質保溫磚是可行的。