烧结污泥页岩砖（共7篇）
烧结污泥页岩砖 篇1
当今世界,由于科学经济技术和人均的快速增长,建筑对能源的消耗日益增长,与资源、环境有着密切的关系,在我国每年的废弃的资源约为15 ×108t因此废弃的资源的利用越来越受到人们的关注和认可,特别是城市污泥的利用。城市污泥是污水处理厂在净化水处理过程中产生的固体沉淀废弃物,一种含有丰富的碳氢能源有机质,城市污泥中存在大量的病原菌和重金属等有害物质、有机污染物,不合理利用和没有安全可靠的出路导致城市污泥成为一种污染源,很容易对环境造成二次污染,因此对城市污泥废弃物的处置是一个当务之急[1]。其中以城市污泥与页岩混合制备烧结页岩砖,是一种节约能源、保护生态环境十分有利的方法。本课题组已经对城市污泥烧结矩形多孔页岩砖开研究有一定的基础和成果,然而,对城市污泥的螺栓锚固尚不足[2—6]。
根据研究,当城市污泥掺量在5% ~ 6% 时,城市污泥烧结页岩砖可以满足承重墙砖体的要求,膨胀螺栓作为砌体结构后锚固配置中重要的构件,已经广泛应用于建筑材料行业,膨胀螺栓的连接安全性显得很重要,因此通过拉拔试验可以研究城市污泥烧结页岩砖在锚固性能,为推广新型墙体材料提供可靠科学依据和基础。
1 材料和试件装备
1. 1 试验材料
1. 1. 1 页岩
选用页岩来自广西柳州市砖厂用,取自于柳州市平和村附近,经干燥后置于球磨机破碎磨细成粉末状,其成分包括Si O2、Al2O3、Fe2O3、Ca O 、Mg O,经筛分后的标准颗粒页岩颗粒级配见表1。
1. 1. 2 污泥
实验用的污泥选自广西柳州市污水处理厂,为呈现灰褐色流体状,其中化学成分为Si O283% 、KCl12% 、[KAl2( Al Si3) O10]( OH)21. 7% 、Ca NH1. 9% 、Mg( OH)20. 6% 、Li2Cr F60. 4% 、Mn1. 7Fe1. 30. 3% ,经鼓风干燥箱中进行烘干粉碎,用0. 5 mm筛分。
1. 2 烧结过程
将城市污泥( 5% ) 和页岩粉( 75% ) 均匀搅拌,密封置于温度( 20 ± 1) ℃,相对湿度100% 的养护室陈化24 h后压制成型,通过干燥、预热、焙烧、冷却,烧结污泥页岩多孔砖KP1( 240 mm × 115 mm ×90 mm) 。具体过程为将湿坯自然晾晒后经105 ℃烘箱中干燥1. 5 h,在第二步烧结中再置于实验室程控高温炉中( SX2-10-13 型高温炉) 进行焙烧,按所设定程序升温至烧成温度900 ~ 1 000 ℃,结束后冷却试件。按照砌墙砖试验方法国家行业标准,测得砌体的平均抗压强度为9 MPa; 取同一批次试件,要求一名中等水平的工人用M5、M10、M15 砂浆砌筑试件为240 mm × 1 000 mm × 1 000 mm墙片,共3件,见表2。
1.3试件设计
该膨胀锚栓为符合国家标准的Q235一级钢,其分别由膨胀刚套片和金属螺钉组成,各取直径分别为M8 mm×50mm(直径×深度)、M10mm×60 mm、M12 mm×75 mm、M16 mm × 100 mm,符合建筑装饰工程和安装工程要求进行试验,随机安装同一深度、同一型号的螺栓3 根,要求每块砖只安装一根膨胀螺栓。在试件不同部位( 块体和灰缝,安装的位置见图1、图2和表3) 用电钻在垂直于墙体上打一略大于螺栓直径的小孔( 边距100mm、120mm、150mm) ,其要求孔壁整齐,孔径准确,其孔的深度为50 mm、60 mm、75mm、100 mm,用锤子将膨胀螺栓拧入孔中,拧紧螺帽,试验装置( 图3) 是由千斤顶、荷载传感器等组成,将其置于膨胀螺栓的顶部,使用拉杆对中连接螺栓,通过千斤顶以1 ~ 1. 2 k N/min施加荷载,直至锚固失效并且观察荷载指针的走势,试验现象和记录最大极限破坏值。
2 结果与讨论
2. 1 试验现象
在荷载加载过程中,在破坏荷载的65% 时,螺钉有较小的位移,当达到极限荷载时螺栓开始拔出,位移增大,同时拉拔力下降即测力表读数回退,丧失锚固能力,金属膨胀螺栓发生较小的弹性变形。破坏形态: ①墙体和膨胀螺栓界面破坏,出现裂缝,膨胀螺栓全部拔出,如图4( a) ; ②只有螺钉直接拔出如图4( b) ; ③观察试件周围,发现界面处部分被剥离,随着荷载的增加形成以螺栓为轴的到锥形破坏如图4( c) 和图4( d) ; 在块体和砂浆灰缝试验中,拉拔试验导致其产生较大的裂缝,随着荷载的增加,最后呈现倒锥体现象,锥体高度为锚固深度,其具体见图4。
2. 2 试验数据
锚固试验中的抗拉拔极限荷载( 单位k N) 、破坏状态、螺栓直径( 单位mm) 见表4。
由表4 可知,当用扳手将螺帽拧紧时,产生膨胀套管阻止锚栓滑移起了一定作用,膨胀套管就对试件周围施加一种膨胀力,其锚固性能是销栓塞与和孔壁之间的摩阻力组成,当受到拉拔作用时,膨胀螺栓在轴力的作用下拉伸,在锚固区沿着锚栓的方向产生纵向裂缝,其破坏都是砖体或砂浆破坏而丧失承载力。随着砂浆强度等级为M5、M7. 5、M10( 直径为8 mm) ,但其锚固力变化值为2% 、7% 、5% 变化率不大,因此可以忽略砂浆等级的影响; 砂浆强度一定,其锚固力与膨胀螺栓安装的位置有关,不同部位锚固力的标准差比较大,安装在孔洞或孔壁处比砂浆灰缝的极限拉拔力小,但是砂浆等级为M10时,直径为12 mm螺栓,安装在c位置的平均力9. 61 k N < b位置平均力10. 54 k N,其原因可能在砌筑过程中,砂浆不够饱满; 随着膨胀螺栓的直径增大,极限承载力的影响大,但是在直径为12 ~ 16 mm其抗拉拔极限值的变化不是很大[7,8]。
2. 3 抗拉拔承载力的计算公式
根据混凝土单根锚栓受拉公式,在本试验膨胀螺栓大部分破坏状态为呈倒锥形,通过表4,以锚固深度和螺栓直径为变量进行数值分析,以砂浆强度等级为M5( 民用建筑中常用) ,对不同位置抗拉拔极限值不同,处于b位置承载力比a位置高,出于安全考虑,其一律按a位置计算公式,的在a、b、c三个位置得到 φ 值,利用得建议公式:
πh( h + d) 为砌体倒锥形的有效面积,其中h为锚固深度,d为膨胀螺栓直径,R为抗拔极限承载值( 表4) f为砌体抗压强度。在块体位置时d = 8 mm时,时,φ = 0. 08,d = 12 时,φ = 0. 06,d =16 mm,φ = 0. 04; 在灰缝处位置时,d = 8 mm时,φ = 0. 32,d = 10 mm,φ = 0. 25,d = 12 时,φ =0. 16,d = 10 mm时,d = 16 mm时,φ = 0. 13。
3 结语
( 1) 对于砌体的锚固试验,采用拉拔法测试,操作简单,损失较小。
( 2) 膨胀螺栓在多孔砖砌体灰缝砂浆中的锚固力,主要是由膨胀套管和砂浆间的摩阻力组成。当砂浆等级越高,特别是螺栓直径为12 mm、16 mm时,其破坏状态部分呈现套管与金属螺钉脱离,说明砂浆和直径在灰缝中充分发挥作用,其抗拉拔极限承载力提高值不是很大。
( 3) 当砂浆强度等级为M5、M7. 5、M10( 直径为8mm) ,但其锚固力变化值为2% 、7% 、5% 变化率不大,因此可以忽略砂浆等级的影响抗拉拔承载力的计算公中,块体位置时d = 8 mm时,φ = 0. 10,d = 10 mm,φ = 0. 08,d = 12 mm时,φ =0. 06,d = 16 mm,φ = 0. 04。当灰缝处位置时,d = 8mm时,φ = 0. 32,d = 10 mm,φ = 0. 25,d = 12 时,φ = 0. 16,d = 16 mm时,φ = 0. 13,为城市污泥多孔砖锚固性提供依据。
参考文献
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烧结污泥页岩砖 篇2
通过在页岩中掺入一定比例的城市污泥等材料制成城市污泥烧结页岩多孔砖。该砖发挥了页岩砖的强度优势,是一种应用于高层结构建筑物的隔墙、填充墙的新型墙体材料。城市污泥烧结页岩多孔砖不但具有非烧结类墙材的强度适中、密度小、环保、轻质等诸多优点[1],还具有烧结类墙材热胀冷缩率低、稳定性好、隔声效果好等优点[2,3]。城市污泥烧结页岩多孔砖的热工参数能反映出墙体材料建筑节能的性能。因而,探究城市污泥烧结页岩多孔砖的热工性能对建筑节能具有现实意义。
墙体材料的热工参数[4]通常是在稳态传热条件下进行测量,而在非稳态传热条件下测量较为困难。该方法虽方便,但耗时较长,费用较高。城市污泥烧结页岩多孔砖内部虽分布一系列孔洞,但孔洞尺寸规则,孔型为矩形。数值计算在建筑力学中已得到广泛应用,具有较强的适应性,可采用数值计算方法对其热工参数进行理论模拟及计算,测试其热工性能是否符合GB 50176—93《民用建筑热工设计规范》要求。
1 材料导热原理
1.1 导热微分方程
由于材料内部温度分布不均匀必然产生导热现象。材料的导热微分方程是建立在傅里叶定律基础之上,借助于能量守恒定律,把材料内各点温度联系起来的一种微分方程。基于理论分析的便利,假设材料为各向同性的连续介质,且材料自身能够产生热量,其导热系数为λ,密度为ρ,比热容为c,将材料进行微元体划分,对其中某个微元体进行热平衡理论分析可知,在单位时间内导入微元体的所有能量为Ei,材料自身产生的能量为Eg,导出微元体所有能量为E0,以及微元体储存的能量为Es。由能量守恒可得:
式中:Ei=Qx+Qy+Qz
而且还应注意:
,将这些等式代入式(1)中,并消去等号两边的dxdydz可得:
城市污泥烧结页岩多孔砖作为新型墙体材料,无内热源,则式(2)可写为:
1.2 导热边界条件
从导热微分方程的推导过程中并没有涉及到热量的传导特征,对于具体的导热过程需要单值性条件加以说明。单值性条件包含有几何条件、物理条件、时间条件和边界条件,前3个条件主要是材料的几何特征、物理特性及导热过程与时间的关系,边界条件为导热过程与材料边界环境相互作用的关系[5]。通常情况下,边界条件可分为3类:第1类边界条件,已知材料边界面上任意时刻的温度值;第2类边界条件,已知材料边界面上任意时刻的热流密度值;第3类边界条件,已知材料边界面与周围环境间的换热系数及温度值。当材料的单值性条件确定时,根据导热微分方程即可求出导热系数值。
2 ANSYS模型建立与求解
2.1 模型简化
由于多孔砖种类较多,其主要类型为KP1型和DM型。对于KP1型多孔砖,其传热方向可分为2种,一是从条面传递,二是从顶面传递,这是由于砌筑墙体的方法不同所致。对于DM型多孔砖,其条面和顶面尺寸一致,传热途径相同。王晓璐和黄大宇[6]对于节能多孔砖墙体热工性能的数值计算研究中,对KP1型多孔砖只考虑1个方向的传热途径。其它文献[7,8]中所研究的是DM型多孔砖、空心砖或砌块等。本文将采用ANSYS热分析模块对污泥烧结页岩多孔砖2个方向的热工参数进行模拟。
污泥烧结页岩多孔砖墙体传热可近似看成稳态传热,其边界面与周围环境温度间的换热系数及温度值已知,属于第3类边界条件。采用ANSYS有限元模型时应做简化处理:一是污泥烧结页岩多孔砖砌体传热阻计算单元模型取为一块砖及砂浆一半厚度;二是砖块与相同厚度砂浆的热阻是相同的。同时假设各层砖块之间连接紧密,可忽略各层之间的传热;污泥烧结页岩多孔砖砖体材料各向导热系数相同。最后,在ANSYS模拟过程中其边界做绝热处理。
2.2 模型的建立与求解
根据GB 13544—2011《烧结多孔砖和多孔砌块》的规定,选用的污泥烧结页岩多孔砖为KP1型多孔砖,其尺寸为240mm×115 mm×90 mm(长×宽×高),孔洞率为28.4%,干密度为980 kg/m3,如图1所示。根据污泥掺量不同其实心砖的导热系数亦不同,根据文献[9-10]污泥烧结页岩实心砖的导热系数为0.47 W/(m·K),多孔砖的实体部分与实心砖的导热系数近似相等。温度荷载为热面施加35℃,冷面施加5℃。空气间层导热系数由空气间层厚度除以其热阻值得到,空气间层的热阻及当量导热系数见表1。
图1 KP1型多孔砖模拟砖型
表1 空气间层的热阻及导热系数
通过上述分析及简化,采用ANSYS中SOLID70三维8节点单元对污泥烧结页岩多孔砖建立如图2(a)所示模型。温度荷载施加前对砖体几何模型采用非结构化六面体网格进行划分,如图2(b)所示。建立三维计算模型,对砖体的条面和顶面分别进行试验条件下热工模拟计算,得出其温度场分布、热流密度等热工参数,结果如图3所示。
图2 砖体模型及网格划分
图3 砖体的温度分布与热流密度分布
2.3 计算结果与分析
由图3(a)、(c)中砖体的温度分布可知,在不同方向施加温度荷载,其产生的热流将沿着该方向传递,并沿着孔壁、孔洞中的空气和孔肋途径传递。由图3(b)、(d)中砖体的热流密度分布可知,在孔洞周围且垂直热流方向会产生热流密度集中现象。沿着热流传递途径方向,砖体孔壁的热流密度分布较均匀,而砖体孔洞周围的热流密度分布不均,说明由于孔洞交错排列能够使热流传递途径变得复杂,能有效地阻碍多孔砖的传热。从图3(b)、(d)可知,沿着热流传递途径方向,尺寸较小的孔洞热流密度较低,而尺寸较大的孔洞热流密度较高,说明孔洞尺寸影响砖体的导热性能,砖体中存在较多的大尺寸孔洞时不利于自身的热工性能。
基于ANSYS有限元分析与求解,依据污泥烧结页岩多孔砖的材料属性及温度荷载条件,可知其热流密度为:
由热流密度公式q=-λgradt推导出:
式中:q———热流密度,W/m2;
δ———材料厚度,m;
t1、t2———分别为内、外表面温度,℃;
λ———导热系数,W/(m·K);
R———热阻,m2·K/W。
在计算时,δ取墙体厚度为240 mm。则条面方向导热系数λ=0.394 W/(m·K),热阻R砖=0.609 m2·K/W;顶面方向导热系数λ=0.305 W/(m·K),热阻R砖=0.787 m2·K/W。
条面砖体传热阻R0=0.609+0.11+0.04=0.759 m2·K/W,则传热系数为K=1.317 W/(m2·K);顶面砖体传热阻R0=0.787+0.11+0.04=0.937 m2·K/W,则传热系数为K=1.067 W/(m2·K)。
由上述计算结果可知,2种导热途径的污泥烧结页岩多孔砖传热系数均符合JGJ 75—2012《夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》的规定[<1.5 W/(m2·K)],满足建筑节能50%的要求。顶面导热系数比条面导热系数要小,其相差比率为22.59%,反映出顶面传热比条面传热的节能效果优越。
3 组合材料平均热阻计算公式
上述基于ANSYS有限元模拟分析从而推导出污泥烧结页岩多孔砖的热工参数,而污泥烧结页岩多孔砖含有矩形孔洞,其导热过程可看作组合材料导热,即由空气层和材料层组合而成[11,12,13]。这种构造材料属于两相非匀质材料。因此,该材料可先通过计算其平均热阻,后计算其导热系数,根据热力学原理,在平行热流方向将组合材料的界面分成若干部分,其平均热阻计算公式如下:
式中:———平均热阻,m2·K/W;
F0———与热流方向垂直的总传热面积,m2;
F1、F2、...、Fn———平行于热流方向划分的各个传热面积,m2;
R0.1、R0.2、...、R0.n———各个传热部位的总传热阻,m2·K/W;
Ri———内表面换热阻,取0.11 m2·K/W;
Re———外表面换热阻,取0.04 m2·K/W;
φ———修正系数,按照GB 50176—93要求取值,如表2所示。
表2 修正系数φ的取值
注:λ为材料的导热系数,当围护结构由2种材料组成时,λ2应取较小值,2λ1应取较大值。
从条面和顶面分别进行导热系数的数值计算,条面热流方向和顶面热流方向如图4所示。
图4 热流方向
依据条面的热流方向及导热系数,空气间层热阻由表1可得,分别计算各部分的传热阻:
由,查表2可知修正系数为0.93,通过式(6)求得平均热阻:
则污泥烧结页岩多孔砖条面传热的导热系数:
同理,顶面热流方向各部分的传热阻为:
R0.1=0.661 m2·K/W,R0.2=1.747 m2·K/W,R0.3=1.134 m2·K/W,R0.4=1.747 m2·K/W,R0.5=1.252 m2·K/W;由λ2/λ1,查表2可知修正系数为0.93,通过式(6)求得平均热阻:。
则污泥烧结页岩多孔砖顶面传热的导热系数为:
通过上述求解组合材料平均热阻的方法计算出污泥烧结页岩多孔砖条面传热和顶面传热的导热系数分别为0.36W/(m·K)和0.27 W/(m·K),其两者相差比率为25%。可知污泥烧结页岩多孔砖的顶面热量传递途径比条面热量传递途径产生的隔热效果优越,即墙体砌筑时,一丁砌筑比一顺砌筑的热工性能要好。
4 结语
(1)将数值计算应用到城市污泥烧结页岩多孔砖墙体的热工性能,具有一定的适应性与优越性,根据计算得出的热工参数,可方便地得出该砖的热工性能能否满足要求。
(2)从ANSYS有限元热分析结果可知,砖体热流传递方向为沿着孔壁、孔洞中的空气和孔肋依次传热,由于孔洞交错排列分布,使得热流密度在砖体中间部位分布不均,表现出多孔砖具有一定的隔热效果。
(3)从计算结果可知,城市污泥烧结页岩多孔砖墙体条面传热途径与顶面传热途径的传热系数分别为1.317 W/(m2·K)和1.067 W/(m2·K),符合JGJ 75—2012中小于1.5 W/(m2·K)的规定,满足建筑节能50%的要求。
含碳粉煤灰制烧结页岩砖试验研究 篇3
含碳粉煤灰含碳量较高, 发热值与煤矸石接近, 可以替代煤矸石作为页岩砖的内燃剂使用, 含碳粉煤灰粒度较细, 掺加在页岩中可以分散均匀, 使页岩砖的外形质量提高, 采用高碳粉煤灰可以免除煤矸石的破碎和粉磨成本, 进一步降低烧结砖的生产成本。
1 试验
1.1 原料与设备
试验用原料主要有高碳粉煤灰、页岩、煤矸石、煤泥等, 见表1所示。
试验用设备主要是颚式破碎机、振动筛、玛瑙球磨机、振动台、模具、水泥标准养护箱、电热鼓风干燥箱、数显游标卡尺、电子天平、重烧试验炉、压力试验机、水泥抗折试验机等, 见表2所示。
1.2 试验方法
在实验室研究高碳粉煤灰掺加量对砖坯及砖烧结性的影响, 找出最佳高碳粉煤灰掺量、最佳烧结温度, 为现场试验提供技术借鉴, 以粉煤灰掺加量0%、10%、20%、30%、40%掺加在页岩中, 将物料混合均匀后加水搅拌, 使物料半干状态, 注入40 mm×40 mm×160 mm的模具中, 挤压成型, 自然晾2 d后拆模, 在干燥箱中110℃条件下烘干24 h, 测试试样的砖坯强度, 在马弗炉中900℃、1 000℃、1 100℃条件下烧结3 h, 测量试样的外形变化、强度指标、体积密度、线变化率等性能, 找出高碳粉煤灰烧结页岩砖对最佳条件。
2 结果与讨论
2.1 粉煤灰掺加量对砖坯性能的影响
粉煤灰掺加量对砖坯性能的影响见图1所示。随着粉煤灰掺加量的增加, 砖坯的体积密度、抗折强度和抗压强度都呈下降趋势。砖坯强度性能低说明砖坯成型和码垛性能较差, 说明掺加粉煤灰降低了砖坯的成型和码垛性能。掺加粉煤灰可以有效降低砖坯的单体质量。
2.2 温度对试样烧结效果的影响
从试样的烧结外形可以初步判断焙烧温度对试样烧结性能的影响, 如果焙烧温度过高, 则试样产生严重变形, 不符合烧结砖的要求。掺加不同比例粉煤灰的试样分别在900℃、1 000℃、1 100℃条件下烧结3 h, 观察试样的外形变化情况, 见图2所示。1 100℃焙烧后, 试样变形严重, 而且粉煤灰掺量愈小, 变化愈大, 说明粉煤灰提高了砖坯的软熔温度点。1 000℃焙烧后试样外形变化较小, 说明掺加粉煤灰后的砖坯烧结温度约在1 000℃左右。从1 000℃焙烧后试样的内部状况看, 试样已经烧结, 并在局部产生液相, 试样强度较高。
2.3 焙烧温度对不同配比的砖坯性能的影响
图3是不同烧结温度下体积密度随粉煤灰掺加量的变化趋势, 从中可以看出, 粉煤灰掺量愈高, 试样的体积密度呈逐渐降低趋势, 900℃烧后的试样体积密度与1 000℃烧结的试样基本接近。图4是不同烧结温度下抗折强度随粉煤灰掺加量的变化趋势, 从中可以看出, 粉煤灰掺量愈高, 试样的抗折强度呈逐渐降低趋势, 900℃烧后的试样抗折强度低于1 000℃烧结的试样的抗折强度, 进一步说明试样1 000℃烧结程度优于900℃。
图5是不同烧结温度下抗压强度随粉煤灰掺加量的变化趋势, 从中可以看出, 粉煤灰掺量愈高, 试样的抗压强度呈逐渐降低趋势, 900℃烧后的试样抗压强度低于1 000℃烧结试样的抗压强度, 更进一步说明试样1 000℃烧结程度优于900℃。抗压强度是衡量烧结砖质量最主要的指标, 烧结黏土砖一般分为MU30、MU25、MU20、MU15、MU10、MU7.5这6个强度等级, 从图中可以看出, 1 000℃烧后的试样当不掺粉煤灰时可以达到MU20的等级, 掺10%的粉煤灰时可以达到MU15的等级, 掺20%粉煤灰时可以达到MU10的等级, 掺30%粉煤灰时可以达到MU7.5的等级, 当粉煤灰掺量高于40%时, 试样强度较低, 达不到标准要求, 粉煤灰的加入降低了试样的强度指标。
图6是不同烧结温度下线变化率随粉煤灰掺加量的变化趋势, 从中可以看出, 粉煤灰掺量愈高, 试样的线变化率愈小, 全部呈收缩趋势, 900℃烧后的试样线变化率低于1 000℃烧结的试样的线变化率, 说明掺加粉煤灰有助于改善砖坯的烧结变形。
2.4 普通砖及性能分析
以上试验结果表明高碳粉煤灰最佳掺量20%, 焙烧温度为1 000℃, 在实验室用240 mm×115 mm×53 mm的标准砖模具试制出实心砖。分别检测砖坯的成型性能、烧结性能、烧结强度和饱和吸水率, 结果见表3所示, 可见, 实验室试制出的标准实心砖各项性能指标达到了标准JC 149-73普通烧结黏土砖的指标要求。
3 现场试验
在攀枝花岔河砖厂开展了含碳粉煤灰制烧结页岩砖现场试验, 砖坯经焙烧后, 合格率为92%, 达到了该厂目前合格率, 从产品的外观判断, 掺加粉煤灰的砖外形光洁、平整, 外观质量优于不掺粉煤灰的砖, 共生产出普通砖8 000块左右。取样送攀枝花市质检中心进行性能测定, 结果见表4所示。从检验结果得知, 所检测项目全部符合MU15级页岩砖烧结普通砖指标要求 (GB 5101-2003标准) 。
注:依据GB5101-2003标准, 所检测项目符合MU15级页岩砖烧结普通砖要求。
4 结论
含碳粉煤灰可以替代煤矸石生产页岩砖, 掺量为20%时, 砖坯的成型性能优于未掺粉煤灰的砖坯, 干燥、焙烧尺寸的变化都在合理范围内, 经权威部门检测, 强度指标达到MU15等级要求。
含碳粉煤灰制烧结页岩砖技术可以全部利用高碳粉煤灰资源, 实现粉煤灰资源的高效综合利用, 同时降低企业的资金和环保压力, 三效显著。
摘要：采用高碳粉煤灰替代煤矸石烧制页岩砖, 结果表明高碳粉煤灰可以替代煤矸石生产页岩砖, 掺量为20%时, 砖坯的成型性能优于未掺粉煤灰的砖坯, 干燥、焙烧尺寸的变化都在合理范围内, 经权威部门检测, 强度指标达到MU15等级要求。
烧结污泥页岩砖 篇4
城市生活污水处理将产生大量含水率非常高的污水污泥，已成为城市化快速发展过程中必须面对的重大环境问题之一，因此研究新的污水污泥资源化利用方式非常必要。
污水污泥的化学组成、矿物组成和页岩相近，并且与页岩混合后可以改善混合物的塑性，并且污水污泥有较高的热值，因此，将污水污泥与页岩混合可作为制备烧结砖的原料，同时污水污泥中较高的含水量也可以作为砖坯塑性成型时所需的水分，既能减少甚至不用外加水分，又能合理利用污水污泥中的含水，具有比较好的技术优势。
污水污泥较高的有机质含量和含水量，虽然能提供烧结砖制备的一些内燃料和塑性成型需水，但是污水污泥本身具有较大的干燥和烧成收缩，可能会对烧结砖的烧制工艺和性能产生较大影响。因此，本文通过对原料配比、热工参数等进行研究，探讨其对污水污泥页岩砖制备的影响。
1 原料配比
烧结砖的制备是高温烧制致密的过程，一般都采用逐步缓慢升温，然后在烧成温度保温所需时间，再缓慢冷却的热工工艺过程。试验选择了烧结实心砖，采用污水污泥与页岩3∶7的原料配比，分别研究烧成温度、升温速率、烧成时间对烧结实心砖性能的影响。以2℃/min由环境温度升至烧成温度，烧成温度确定为900℃，在烧成温度下保温2 h，然后随炉缓慢冷却(一般12 h)，在这个基础上，改变其中一个工艺参数，以研究单个工艺参数对烧结砖性能的影响。
2 烧成温度对烧结砖性能的影响
选取烧成温度为800℃、900℃、1 000℃、1 100℃四个温度，然后测试烧结实心砖的抗压强度、抗折强度、体积密度等性能，测试结果见表1。
由表1可以看出，随着烧成温度的上升，污水污泥页岩烧结实心砖的强度也增加，而且从800℃上升到900℃，特别是1 000℃上升到1 100℃的过程，强度提高较大。烧结砖体积密度与强度有相似规律，这是由于温度由800℃上升到900℃过程中，较大的提高了砖的烧结程度，而从1000℃上升到1 100℃则可能已经出现了较多的熔融液相，在较强液相烧结的情况下，强度则显著提高，但是也会伴随较大的收缩率。从表1可以看出，烧成温度从1 000℃上升到1 100℃，砖的体积收缩从4.70%增加到27.77%，较大的收缩会引起砖坯形状的弯曲变形，影响烧结砖成品质量。因此，采用污水污泥混合页岩作为原料时，在提高烧成温度获得较高强度的烧结砖时，要注意同时引起的较大烧成体积收缩。
3 升温速率对烧结砖性能的影响
分别选取升温速率为1℃/min、2℃/min、3℃/min、4℃/min，然后测试烧结实心砖抗压强度、抗折强度、体积密度等性能，测试结果见表2。
由表2可以看出，随着升温速率在1～3℃/min内变化时，烧结砖的强度基本变化不大，体积密度和吸水率也基本维持一致，当升温速率提高到4℃/min后，烧结砖抗压强度有一定下降，体积密度也有一定的降低。为了保证烧结砖的强度，可以将升温速率控制为2℃/min。
4 烧成时间对烧结砖性能的影响
选择烧成温度下分别保温0.5 h、2 h、4 h，然后测试烧结砖抗压强度、抗折强度，体积密度等性能，测试结果见表3。
由表3可以看出，随着烧成时间由0.5 h延长到2 h，烧结砖的强度明显增加，但是在2 h以后，其强度增长不明显，吸水率和体积密度随烧成时间的延长变化不大，因此，可以将烧成时间确定为2 h左右。
综合相关工艺参数对烧结砖性能的影响，可以确定烧结砖制备的基本热工工艺参数为:烧成温度为900℃，升温速率为2℃/min，保温时间为2 h，然后随炉缓慢冷却。在此工艺参数条件下制备烧结砖的相关性能测试见表4，其性能基本满足《烧结普通砖》(GB5101-2003)中的要求。
5 结语
污水污泥与页岩按3∶7比例混合，烧成温度控制在900～1 000℃，可以制备出强度超过10 MPa的烧结砖;污水污泥可以降低烧结砖体积密度，但也会降低烧结砖强度，以及使干燥和烧成收缩增加，通过调整污水污泥掺量和烧成温度可以获得较好的平衡;另外，污水污泥会使烧结砖泛霜，而且污水污泥掺量越多，泛霜程度越严重，提高烧成温度能一定程度抑制泛霜，但难以消除，有待进一步研究和探讨。
参考文献
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烧结污泥页岩砖 篇5
轻质烧结页岩砖是在节能、环保、节约耕地的大背景下,研究开发出来的新型墙体材料。它以页岩为基础原料,以秸秆、稻壳、玉米芯、甘蔗渣、锯末以及城市垃圾中的部分有机纤维易燃物为辅料,再加入少量其它材料,按照一定的配比和工艺制坯、焙烧而成。轻质烧结页岩砖因其资源丰富、成本低、强度合适(≥5 MPa)、密度较小(≤1100 kg/m3)、保温、隔热、隔声,而在不少地区的非承重墙中得到应用。但目前尚未在全国范围内广泛使用。为进一步提高轻质烧结页岩砖的性能而深入研究十分必要。
本次研究围绕有机纤维易燃辅料展开。为突出单一因素的影响,试验只选用页岩与锯末,按照不同的配比、相同的材料、相同的制作工艺、相同的烧结温度程序制砖。再从不同配比的砖中选出部分进行材性研究。发现随着锯末与页岩配比的提高,砖体的烧失量、畸形率升高,质量、体积密度和抗压强度都有下降。从试验结果中分析配比对轻质烧结页岩砖的影响,取得了较好的效果。
1 试验材料及制备工艺
1.1 试验材料
1.1.1 页岩
试验选用的页岩采集于广西柳州市和平村周围,是砖瓦生产用页岩。经测试,其烧失量为10.20%,化学成分见表1。
%
首先将采集的页岩陈化1周左右后粉碎、研磨,再进行筛分,筛分后的页岩颗粒级配如表2所示,其中粒径大于2.0mm颗粒对坯体的和易性不利,予以剔除。
称量筛分后的页岩,再将其放入电热鼓风干燥箱中,设置温度为100℃,进行烘干处理10 h。再从干燥箱中取出试样,称量干燥后的质量,立即放入密封性良好的塑料袋中,以备使用。计算出含水率,准确控制坯体制作过程中的用水量。
1.1.2 锯末
锯末是一种天然、环保、易于取材的木材加工废料。充分利用大自然简单可取,价格低廉的资源,把对自然的索取和破坏降到最低[1]。本次试验所用锯末取自柳州市柳邕竹木市场。选取弹性好、杂质少、偏粗糙、用力挤压后有一定粘结力的松木锯末为有机纤维易燃辅料。从锯末样本中称出5 kg,用标准筛进行筛分,现将锯末长度级配列于表3。
从以往的制砖经验可知,锯末长度大于9.5 mm的应视为杂质,对砖坯和易性不利,会增大砖坯与真空挤压机口的摩擦阻力,致使泥条四角出现微裂缝,故予以剔除;锯末长度小于0.09 mm的多为粉尘,对砖坯的影响不大,可不用去除。因此,现场选用锯末时,只要用孔径为9.5 mm的标准筛,进行粗筛选取后即可装袋。测完锯末长度级配后将其放入电热鼓风干燥箱中,经80℃烘干3 h,取出后测试锯末含水率。
1.2 制备工艺
通常,轻质烧结页岩砖按页岩60%,有机纤维易燃物25%,其它材料15%的比例制坯焙烧[2]。本次试验目的是研究有机易燃辅料对轻质烧结页岩砖的影响。故在制坯过程中,去除其它材料,采取控制单一变量变化的做法。即只用页岩和锯末2种材料,通过改变两者的配比,研究不同配比砖的各项性能。
将制备好的页岩分成5等分,分别标号为A、B、C、D、E 5组。为了贴近实际生产,A、B、C、D 4组试验用砖均由砖厂生产线制得。砖体孔洞率为29%,外观尺寸为240 mm×115 mm×90 mm的多孔砖。E组页岩带回试验室,留待进一步试验。A、B、C、D 4组中,页岩和锯末的比例见表4,4组砖采用相同的制备工艺。
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在制坯过程中发现,A组砖泥的和易性和粘结力最差,B组次之,C组较好,D组最好。砖泥通过真空挤压机挤成长方体泥条,然后进行切割。4组泥条外观有差别。A组砖泥颜色最浅,从真空挤压机挤出后,长方体泥条的四条棱边多处开裂翻起。B组泥条颜色偏浅,长方体泥条的四条棱边有少量裂纹。C组泥条颜色较深,泥条棱边未见裂纹。D组泥条颜色最深,泥条棱边未见裂纹。泥条切割后,依次冲孔、搬运、分组摆放,待晾干后统一按照图1所示的温度控制流程入窑焙烧。
2 试验过程与结果分析
2.1 试验过程
在上述工艺制得的4组砖中,每组随机挑选100块砖。首先统计砖的外观变形情况与烧失量。GB 13544—2000《烧结多孔砖》对KP1型砖合格品尺寸允许偏差的要求为:(240±3.0)mm,(115±2.5)mm,(90±2.0)mm。对尺寸不符合此项要求的砖与外观明显变形的砖统称为畸形砖。现将A、B、C、D 4组砖的畸形率和平均烧失量列于表5。
%
由表5可知,从D组到A组,畸形率依次升高,烧失量依次增大。从统计结果看,A组砖质量最轻,烧失量最大,但变形明显,出现多种畸形外观(见图2)。
为了探索A组砖畸形率高与抗压强度低是否与砖的孔洞有关,将E组页岩和剩下的锯末在试验室中制作成实心标砖,尺寸为240 mm×115 mm×53 mm。E组页岩与锯末的配比与A组相同,制作工艺与前4组相同,并且仍按图1所示的温度控制程序烧制。制得标砖后,按照上述4组的试验过程进行试验。结果显示,畸形率为33%(比A组下降6%),出现新的畸形形状(见图3),抗压强度依然低于5 MPa。
从4组砖中各挑出8块形状规整的正火砖,依次编号A1~A8、B1~B8、C1~C8、D1~D8。分别称出质量、测算密度,并进行抗压强度测试,抗压试块严格按照GB/T 2542—2003《砌墙砖试验方法》制作、养护。在开始抗压试验前,分别测量试块的上下表面积。分别测出A6~A8、B6~B8、C6~C8、D6~D8的平均抗压强度,作为A、B、C、D 4组剩下试块的预估破坏荷载。将每组预估破坏荷载分为5级,分别对A1~A5、B1~B5、C1~C5、D1~D5各组试块分级加载。试验结果见表6。
从表6可以看出,从D组到A组随着锯末和页岩配比的增大,试块质量、体积密度和抗压强度下降明显。其中A组试块抗压强度均低于5 MPa,达不到非承重墙体用砖标准;D组为纯页岩多孔砖,强度均高于10 MPa,符合承重墙用砖标准;B组和C组抗压强度均高于5 MPa,适合作为非承重墙用砖。
2.2 结果分析
在制坯过程中,由于A组砖泥含锯末比例高,砖泥粗糙,和易性和粘结力下降。A组砖泥在通过真空挤压机挤成泥条时,砖泥与挤压机出口的摩擦阻力很大,在长方体四条棱边处形成应力集中,在加上砖泥的粘结力低,故A组泥条棱边多出现开裂翻起。B组泥条出现裂纹的原因与A组相同,只是锯末含量减少,和易性和粘结力提高,故裂纹数量减少。C组和D组泥坯粘结力相对较高,故未出现裂纹。
焙烧温度控制程序是参照以往轻质烧结页岩砖焙烧经验制定。从焙烧结果看,过火砖与欠火砖数量很少,出现烧制裂缝的砖块也不多,可以认定温度控制良好。
A组与E组砖畸形率高,烧失量大,其原因可从以下几方面解释:(1)A组与E组砖泥粗糙,和易性差,导致砖泥搅拌难以均匀。坯体中锯末分布不均,致使坯体在焙烧过程中放热不均,导致砖体畸形。(2)高温时,坯体在叠放重力下流动变形。焙烧温度达1130℃左右时,页岩中的部分矿物变为熔融状态,坯体极易受外力产生变形。温度为1130℃左右时,锯末早已燃尽,坯体中留下许多细小孔洞,增加了熔融物在坯体叠放重力下的流动性[3]。(3)比较A组与E组砖的畸形率可知,多孔砖的孔洞会增加砖体畸形率,但不是产生畸形的主要原因。(4)烧失量大,主要是因为锯末含量高,在制坯时吸水率增大,在高温焙烧时,水分蒸干,锯末大部分燃尽所致。
从D组到A组,试块质量、体积密度和抗压强度依次下降。由于锯末和页岩配比的增大,高温使锯末大部分燃尽,留下许多细小孔洞,致使砖体质量和体积密度下降。砖体抗压时,大量的细小孔洞挤压变形,页岩骨架松散,导致抗压强度下降。E组砖质量、体积密度和抗压强度低的原因也是如此。
3 结论
(1)在轻质烧结页岩砖的原料配比中,随着有机纤维可燃辅料比例的提高,砖体烧失量增大,畸形率提高,砖体质量、体积密度和抗压强度均下降。
(2)在轻质烧结页岩砖的制坯过程中,有机纤维易燃物与页岩要搅拌均匀,方可降低焙烧阶段砖体的畸形率。
(3)建议生产轻质烧结页岩砖时,有机纤维易燃辅料占比为20%~30%。这样既可保证砖泥的和易性和粘结力,使泥条在通过真空挤压机出口时,棱边少开裂或不开裂。又能保证砖体质量轻、体积密度低(≤1100 kg/m3)、强度合适(≥5 MPa),降低砖体畸形率。
摘要：采用控制单一变量变化的方法,改变锯末和页岩的配比,研究不同配比下轻质烧结页岩砖的性能。结果显示,随着锯末与页岩配比的提高,砖体的烧失量、畸形率升高,质量、体积密度和抗压强度都下降。建议生产轻质烧结页岩砖时,控制有机纤维易燃辅料的占比为20%30%,并且纤维辅料与页岩需搅拌均匀。
关键词：轻质烧结页岩砖,锯末,配比
参考文献
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[2]黄榜彪,景嘉骅,李青,等.轻质烧结页岩砖的研发[J].新型建筑材料,2011(11):45-52.
烧结页岩保温砌块的推广 篇6
1 烧结页岩保温砌块的优势
我国拥有丰富的页岩资源, 采用烧结页岩保温砌块具有以下优点:
a.同黏土一样, 页岩资源丰富、可就地取材、价格低廉, 并且页岩来自石块, 间接地保护了耕地。
页岩属于片状、细颗粒、含水的铝硅酸盐类矿物, 在我国的山区、丘陵地带储量非常丰富, 并且容易开采。由于资源的优势, 烧结页岩多孔砖生产可以因地制宜, 就地取材, 生产、运输成本较低。
b.便于低成本工业化生产。
页岩自身的性能使得烧结空心砖便于实现低成本工业化生产。首先, 页岩具有柔软、润滑和易于破碎的物理性质;其次, 页岩与水混合时产生可塑性, 这有利于成型。另外, 页岩在较低的温度下 (950℃~1 050℃) 使坯体变得更加密实、坚硬。
c.烧结页岩保温砌块可以满足现代建筑的需要。
现代建筑业的发展方向是高层建筑。相应的墙体材料也将向着轻质高强方面发展。页岩中的矿物组成决定了其强度普遍比黏土烧结空心砖高。若再采用先进的设备、工艺, 并适当提升烧成温度, 烧结页岩保温砌块自身强度会提高更多。
d.烧结保温砌块施工工艺同样简单, 并且绿色低碳环保。
烧结页岩保温砌块墙体砌筑方法只需在传统墙体砌筑方法的基础上稍加改进, 在施工中也不会产生辐射污染, 绿色环保。墙面透气性好, 能调节室内湿度。烧结页岩手工砌筑方便, 产品收缩小、体积稳定性好, 墙体不易开裂, 墙体砌筑质量容易得到保证, 砌体施工工艺比较简单。[5]
e.具有良好的保温性能。
由370 mm的页岩砌块砌成的墙体的导热系数λ=0.16 W/ (m·K) , 用砂浆砌筑的烧结空心砖砌体的导热系数λ=0.58 W/ (m·K) 。当做成传热系数K=0.4 W/ (m2·K) 外墙围护结构时, 普通砖砌体厚度需要1 871 mm, 页岩空心砖砌体厚度只需1 340 mm, 可见页岩砌块优良的保温性能。用页岩砌块作为外墙修建的建筑可以不附加保温措施就可以达到居住建筑节能65%的要求。即保温节能措施与建筑外墙一体, 从而达到与建筑同寿命。
此外, 烧结页岩保温砌块因其采用天然矿物经高温烧结而成, 它不但保留了传统黏土砖透气、隔声好、无辐射、无污染等多种优点, 而且还具有抗腐蚀性能强、使用寿命长、保温隔热性能好等优点。[6]
2 烧结页岩保温砌块的研究现状
在当前全面推动建筑节能, 实施墙材革新, 新型墙材正向轻质高强型、节能型墙材跨越发展的背景下, 开发高性能的烧结页岩保温砌块及配套材料, 开展烧结页岩保温砌块墙体自保温系统的研究具有重要的现实意义。为此我国专家学者做了很多研究, 为烧结页岩保温砌块的推广奠定了坚实的理论基础。
针对重庆市的页岩资源丰富这一现状, 谢自强等[7]对重庆市自主研制的新型烧结页岩空心砖在实际工程中的应用进行了研究。与普通烧结页岩空心砖相比, 其导热系数大大降低, 具有良好的热工性能, 对重庆市外墙保温技术体系的补充与完善。
重庆大学滕超[8]针对烧结页岩空心砖自保温系统, 研究砌筑砂浆和配砖对自保温系统热工性能的影响。谢厚礼[5]对通过对页岩空心砖的研究发现配砖和砌筑砂浆等墙体组成材料对砌体热工性能有显著影响。当空心砖当量导热系数为0.25 W/ (m·K) 时, 与实心配砖和普通砌筑砂浆组成砌体的传热系数K≤1.2 W/ (m2·K) , 而与多孔配砖和保温砌筑砂浆组成的砌体传热系数K≤1.0 W/ (m2·K) 。因此, 烧结页岩空心砖的当量导热系数应低于0.25 W/ (m·K) 。并提出烧结空心砖的孔洞结构不合理, 且烧结砖几乎没有应用气孔形成剂, 其热工性能亟须进一步提高。
西安建筑科技大学沈雪飞[9]等对新疆页岩的烧结砖烧结机理做了分析研究。研究了其理化性能指标并进行了梯度炉实验, 发现页岩烧结砖烧成温度范围为850℃~1 050℃。计算出页岩最佳烧成温度为950℃。
仇世忠[10]分析了页岩烧结保温砌块通过传导和对流这两种热量传递方式的保温隔热原理。
宋方方, 权宗刚, 浮广明[11]介绍了现有砌体受压本构关系, 并对其优缺点进行了分析。针对29排孔和21排孔两类页岩烧结保温砌块砌体变形性能进行了分析, 根据试验结果给出了该砌体受压应力—应变曲线, 并提出了该砌体受压本构关系计算式和弹性模量计算式, 最后给出了砌体泊松比建议取值。
3 推广烧结保温砌块还需解决的问题
推广一个事物必然要先让人们接受这个事物。个人认为主要应该从以下几个方面着手解决:首先继续进行科学试验研究, 充分了解烧结保温砌块的各种性能, 知己知彼方百战不殆。比如力学性能, 热工性能以及影响这些性能的因素。目前国内所做的试验研究还不够, 比如烧结保温砌块砌体房屋的抗震性能如何?据此建议制作页岩烧结保温砌块砌体房屋模型或墙体来研究其抗震性能。另外, 还需做好“售后工作”, 了解烧结保温砌块在实际使用中的具体情况与试验结果是否相同, 还需哪些改进。总之, 加大试验研究力度为烧结页岩保温砌块的推广提供坚实的理论基础。
其次, 想方设法降低销售单价。只有价格偏低才能使人们接受, 才能减少工程造价, 利于推广。基于此需要大力鼓励创新研究新技术, 使得在烧制砌块的每个环节尽量做到最优, 降低生产成本进而降低销售价格。另外还有政策的大力支持, 发展烧结页岩保温砌块显然可以为建设环境友好型, 资源节约型社会做出巨大贡献, 当然还需要有力的宣传。
4 烧结保温砌块的前景
由于我国国土面积广阔, 地貌丰富, 不同地区的建筑材料多种多样, 所以必须考虑当地的资源优势。黏土砖固然有其缺点, 但在黏土资源丰富的地带, 显然不能强迫其放弃身边的廉价材料而选取其他建筑材料。贫困偏远地区仍然不会放弃廉价质优的黏土砖, 但在发达的地区可以选取性能更好的建筑材料。
我国是一个多山的国家, 页岩含量比较丰富。在页岩资源丰富的地区也可以选取页岩作为其建筑材料使用。
总的来讲, 烧结页岩保温砌块的发展会跟随经济的步伐。故在农村或贫困地区的发展会滞后一些, 在发达地区会有较好的发展。因此, 烧结页岩保温砌块发展方向将是以城市为中心, 逐步向边远乡镇、农村发展。最终烧结保温砌块将代替黏土砖成为砌体世界的新一届“霸主”。
5 结论
黏土砖的发展与我国的经济实力息息相关, 贫穷的中国选取黏土砖作为砌体材料, 较为富裕的中国应该选取性价比更高的材料。一切从实际出发, 黏土资源丰富的地区仍可以选择黏土砖, 但需要改进其保温隔热等性能。与黏土砖相比烧结页岩保温砌块除拥有和黏土砖一样的可就地取材, 施工工艺简单, 造价低廉等优点外, 还具有轻质高强、适合建造高层建筑、保温隔热性能优良等优点。国内专家学者对烧结页岩砌体的研究也在如火如荼的进行中。相信烧结保温砌块必将成为最佳的砌体材料。
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木屑对烧结页岩多孔砖研究 篇7
木屑作为烧结页岩多孔砖的一种有机材料,在烧结温度下燃烧时,分解过程中产生无害气体、可以提高砖的热值,从而提高页岩砖的可燃性、燃烧速率,产生大量微小气孔。木屑取自各种农作物的副产品或者废弃物,在高温下生物质材料中的纤维和其他有机物燃烧产生一定的能量并形成气孔,影响其物理性能。在研究木屑烧结页岩砖的研发和力学性能时做了大量的研究和理论基础[3—6]。本文研究通过添加不同掺量和颗粒级配的木屑烧结成一种新型的轻质烧结页岩砖材料。
1 原材料和试验方法
1. 1 原材料
1. 1. 1 页岩
选用页岩来自广西柳州市砖厂,取自于柳州市平和村附近,可塑性指数为9. 2 左右,含水率为10% 左右,烧成温度为1 050 ℃ ,经干燥后置于球磨机破碎磨细成粉末状,其粒径成分包括Si O2、Al2O3、Fe2O3、Ca O、Mg O ,经过80 目筛分,其成分含量如表1。
2. 1. 2 木屑
木屑样品取自柳州市木材厂,是多种木材锯屑的混合物,木屑主要经过清洗、干燥、磨碎、筛分的过程,利用电热恒温箱中进行烘干直至质量不变,以去除表面附着的颗粒和水溶性物质,最后在60 ℃下烘干一夜,按照试件通过机械粉碎,筛分成不同粒径( 1. 5 ~ 2. 0 mm,0. 5 ~ 1. 0 mm,0. 12 ~ 0. 5 mm) ,如下表2。
1. 2 烧结成型
烧结页岩砖的烧结程序在实验室完成,具体步骤如图1,采用的设备为武汉试验电炉有限公司生产,如图2,将页岩作为主料,木屑、煤矸石分别倒入搅拌机中,木屑掺量分别为0、10% 、15% 、20% ,加适量水均匀混匀,搅拌后将混合料放到试模中,如图3,然后将坯体阴干后脱模,放入高温电炉中进行焙烧,分为四个阶段: ①干燥阶段,此阶段为温度范围为400 ℃左右,主要是蒸发砖坯表面的自由水、吸附水、结晶水。②加热阶段,此阶段温度范围为400 ℃至900 ℃之间,发生分解反应,同时木屑有机质达到燃点,开始燃烧分解,形成了微小的气孔。③烧成阶段,此阶段温度范围为900 ℃至1 050 ℃,由于铁离子的变价,导致在烧结过程中砖的颜色由灰色逐渐向红褐色转变。④冷却阶段,为了防止降温过快导致的断口裂缝,将降温速度调为100 ℃ /h,烧结成型尺寸为240 mm × 115 mm × 90 mm轻质页岩矩形多孔砖,分为3 排,如图4,考虑到由于木屑的加入,消耗的空气增多,因此在焙烧过程中增加空气的供应量。
1. 3 试验方法
参照GB /T 2542—2012《砌墙砖实验方法》对烧成制品进行相关性能测试; 对烧结体积密度测量过程为试样干重m( 在干燥过程中,前后两次的称量相差不超过0. 2% ,前后两次的称量时间间隔为2h) 除以试样体积。用广州市广材试验仪器有限公司TYE - A型数显式电液压力试验机测量试件抗压强度,如图4( b) 。据GB /T 10294—2008《绝热材料稳态阻及有关特性的测定,防护热板法》等规范要求对试验试件进行导热系数检测,导热系数通过实验室智能化导热系数测定仪测得,此测定仪的步骤为: 通过自动汽缸将单元试件夹紧,同时调节气动系统的压力值,将封闭的压缩机调至制冷方式,仪器中紫铜墙铁壁板作为计量加热面板,温度分布均匀且热力惯性较小,其中测量的精度≤3% ,冷板温度范围: 10 ~ 50 ℃,热板温度范围: 常温~ 80 ℃。将试件烘干后通过调节导热系数测定仪中平板厚度,将其置于两板之间,接通电路,开启试验,如图5。
1. 4 结果与讨论
1. 4. 1 体积密度
图6 显示了随着木屑掺入量的增加( 0,10% ,20% ,30% ) ,样品的体积密度趋于下降,但是木屑的颗粒级配对体积密度产生较小的影响。原因在同一木屑的颗粒级配,在烧结过程中木屑不断热分解,同时在试样内部产生了大量的微小孔隙[7,8],使得密度降低。然而,在掺量为10% 时,颗粒级配分别为0. 12 ~ 0. 5 mm、0. 5 ~ 1. 0 mm、1. 0 ~ 1. 5 mm、1. 5 ~2. 0 mm,其体积密度从1 710 kg / m3下降为1 520kg / m3,但下降率较小,粗粒径使得砖体密实程度降低,因此选择较小粒径的木屑使烧结页岩砖样品的体积密度更高。通过回归可得出掺量与体积密度的线性关系:
y为烧结页岩矩形多孔砖体积密度( kg / m3) ; x为木屑的掺量( 0,10% ,20% ,30% ) 。
1. 4. 2 导热系数
当试验进入稳定导热状态后,自动采集数据,其数据如表3。
如图7 所示随着木屑掺量的增多,导热系数降低,但是不同粒径的木屑对导热系数没有明显的影响。当木屑的颗粒级配为0. 12 ~ 0. 5 mm,导热系数从0. 58 W/( m·K) 下降为0. 27 W/( m·K) 。当颗粒级配为0. 5 ~ 1. 0 mm,导热系数从0. 54 W/( m·K) 下降为0. 24 W / ( m·K) 。当颗粒级配为1. 0 ~1. 5 mm,导热系数从0. 5 W / ( m · K) 下降为0. 27W / ( m·K) ; 当颗粒级配为1. 5 ~ 2. 0 mm,导热系数从0. 47 W/( m·K) 下降为0. 30 W/( m·K) 。其烧失量大使得烧结页岩砖产生微孔,因此减少了自由循环传热路径从而造成了低的导热系数,所以在页岩砖中掺入木屑能有效的降低导热率并且显著提高轻质烧结页岩砖的绝热值。根据下图可知,黑线为趋势线,其导热系数和木屑掺入量的方程为:
y2为烧结页岩矩形多孔砖的导热系数; x为木屑的掺量( 0,10% ,20% ,30% ) 。
1. 4. 3 抗压强度
随着木屑掺量的增加,试件内孔隙率提高和负荷载承载面积减少,因此其强度降低。木屑颗粒级配越小,则抗压强度越高,其原因为颗粒级配较低的木屑产生微小的孔,导致了小的裂纹长度,颗粒级配越大的木屑包含更多细长的颗粒,增加了应力集中系数导致抗压强度降低。当颗粒级配为1. 5 ~ 2. 0mm掺量为20% 和30% 时,抗压强度为4. 3 MPa、3. 6 MPa,不满足烧结普通页岩砖的基本要求。木屑掺量不大于10% ,满足烧结普通页岩砖的基本要求,如图8 所示。利用excel回归可以得出,抗压强度和木屑掺量函数式为: Iny = 2. 548 - 0. 008x。
当粗粒径和细粒径混合掺入到页岩砖中,可以观察到随着掺量的增多,试样的抗压强度先增加到一个极限然后下降,如图9。在掺量为10% 左右抗压强度达到了极限,分别为10. 6 MPa、11. 8 MPa、13. 7 MPa。根据《烧结普通砖》GB 5101—2003,满足其基本要求。在一定范围内,级配小的木屑在烧结过程中产生微小孔隙,彼此分布在砖体内各个部分,因此其抗压强度的下降率比纯粗粒径低,这些微小孔隙与剩余的木屑连接产生类似于粗粒径的效果。因此可以选择掺量为10% ,颗粒级配为0. 12 ~0. 5 mm时,烧结页岩砖力学性能到达最佳。
2 结论
( 1) 随着木屑的掺入量增加,其体积密度降低,在掺量为10% 时,颗粒级配分别为0. 12 ~ 0. 5 mm、0. 5 ~ 1. 0 mm、1. 0 ~ 1. 5 mm、1. 5 ~ 2. 0 mm,其体积密度从1 710 kg·m- 3下降为1 520 kg·m- 3,但下降率较小,粗粒径使得砖体密实程度小,因此选择较小粒径的木屑使烧结页岩砖样品的体积密度更高。
( 2) 试件的导热系数随着木屑的掺入而降低,木屑的烧失量使得烧结的页岩砖产生微孔,减少了自由循环传热路径从而造成了低的导热系数,因此在页岩砖中掺入木屑有效的降低导热率并且显著提高了轻质烧结页岩砖的绝热值,但木屑的颗粒级配对导热系数没有较大的影响。
( 3) 随着木屑增加,抗压强度呈现指数降低。当粗粒径和细粒径混合掺入到页岩砖中,抗压强度随着掺量先上升到一个极限然后下降,掺量为10%左右抗压强度达到了极限,分别为10. 6 MPa、11. 8MPa、13. 7 MPa,根据《烧结普通砖》GB 5101—2003,满足其基本要求,且选择掺量为10% ,颗粒级配为0. 12 ~ 0. 5 mm时,烧结页岩砖力学性能到达最佳。
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