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)磚不僅實現(xiàn)了資源再利用和保護環(huán)境的目的，同時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，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(jié)構(gòu)設(shè)計規(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、強度適中等優(yōu)勢。劉灝等[3]進行了造紙白泥燒結(jié)頁巖磚的泛霜及石灰爆裂試驗，試驗表明，當(dāng)造紙白泥摻量為20%時，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，并進行了其砌筑砌體的抗壓性能試驗，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(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 主要試驗設(shè)備

（1）電熱鼓風(fēng)干燥箱：101-1型，上海東星建材試驗有限公司；（2）凍融循環(huán)試驗機：JCD-40，北京數(shù)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(shè)備成套公司；（4）粉碎機：9FZ-20型，四川簡陽富強制粉設(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：ZBSX 92A型，浙江省上虞勝飛試驗機械廠。

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(biāo)準(zhǔn)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(guī)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(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(jié)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(jié)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(dāng)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(zhì)進行化學(xué)反應(yīng)，最終產(chǎn)物CaSiO3是具有極高強度的針狀晶體；當(dāng)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(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度。

2 凍融循環(huán)試驗

2.1 凍融循環(huán)破壞機理

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)水具有很強的吸附、儲存和傳遞能力，當(dāng)溫度低于冰點時，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，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(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。因為這種損傷是由內(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)試驗機內(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，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《砌墻磚試驗方法》進行抗壓強度測試，比較干燥后的試件和未經(jīng)凍融循環(huán)試件的抗壓強度。

3 試驗結(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，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，摻入造紙白泥對燒結(jié)頁巖磚的抗壓強度損失影響不大；當(dāng)凍融循環(huán)大于35次時，造紙白泥燒結(jié)頁巖磚的強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，凍融循環(huán)進行到35次時，燒結(jié)頁巖磚質(zhì)量損失率與強度損失率均符合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%，強度損失率高達38.12%，達不到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，質(zhì)量損失率為7.7%，強度損失率高達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(dāng)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(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。