煤矸石對(duì)粉煤灰頁巖磚主要性能的影響

田北平, 鐘華, 易兵, 胡庸, 葉建兵

(四川理工學(xué)院建筑工程學(xué)院, 四川自貢643000)

煤矸石對(duì)粉煤灰頁巖磚主要性能的影響

田北平, 鐘華, 易兵, 胡庸, 葉建兵

(四川理工學(xué)院建筑工程學(xué)院, 四川自貢643000)

隨著社會(huì)對(duì)資源綜合利用，環(huán)境效益的關(guān)注度越來越高。資源的循環(huán)利用成為建筑行業(yè)取得持續(xù)發(fā)展的動(dòng)力。探究以煤矸石作為粉煤灰頁巖磚主要造孔劑的各項(xiàng)性能，得出在一定含量下，不僅降低產(chǎn)品的密度，同時(shí)使燒結(jié)制品的導(dǎo)熱系數(shù)大幅度下降，最后獲得保溫效果好、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、力學(xué)性能良好的燒結(jié)多孔磚。

粉煤灰頁巖磚;煤矸石含量;導(dǎo)熱系數(shù);肖氏硬度;抗折強(qiáng)度;吸水率

引言

現(xiàn)今，墻體材料的單一化既不能實(shí)現(xiàn)節(jié)約成本和資源綜合利用的要求，也不能滿足建筑節(jié)能65%的強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)。因此，開發(fā)出當(dāng)代可持續(xù)的新型燒結(jié)墻體材料，是符合我國(guó)走低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展的路線[1-2]。煤矸石作為一種工業(yè)廢料，對(duì)其科學(xué)有效地利用，具有重要意義。利用煤矸石自身的可燃物，在粉煤灰頁巖磚中加入煤矸石，可使磚體在燒制過程中均勻受熱，提高磚塊的結(jié)構(gòu)性能，同時(shí)在燒結(jié)過程當(dāng)中提供一定的熱能，節(jié)約成本，降低能耗[3]。

造孔劑即氣孔形成劑，是輕質(zhì)隔熱保溫磚及砌塊生產(chǎn)中常用的外加劑[4]。市場(chǎng)現(xiàn)在的造孔劑種類很多，燒結(jié)制品主要的造孔劑分為兩大類；一是有機(jī)類造孔劑，主要包括鋸屑、聚苯乙烯、秸稈、紙漿、稻殼等；二是無機(jī)類造孔劑，主要包括珍珠巖、硅藻土、方解石、浮石、蛭石[5]。但上述材料由于地方取材困難或經(jīng)濟(jì)成本高等原因，違背節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益。在煤炭掘進(jìn)、開采和洗煤過程中排出的工業(yè)廢料——煤矸石，它的堆放占用成片土地，破壞土質(zhì)特性導(dǎo)致耕地荒廢。特別是，煤矸石本身的硫化物一旦逸出將會(huì)污染空氣、土壤和地下水，嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)鼐用竦纳頪6]。因此，利用煤矸石可減少對(duì)環(huán)境的破壞，并且節(jié)約能源，減少成本，可降低制品的密度，使燒結(jié)產(chǎn)品的導(dǎo)熱系數(shù)大幅度下降，提高隔熱性能。所以最終選擇煤矸石作為造孔劑[7-8]。

1 實(shí)驗(yàn)研究

1.1試驗(yàn)材料

(1) 粉煤灰:主要晶體礦物為石英、氧化鐵、氧化鎂、莫來石、生石灰等。

(2) 頁巖：紅色粉末狀沉積巖，主要礦物組成為石英、長(zhǎng)石、水云母、多水高嶺土、白云石等。

(3) 煤矸石：主要礦物組成為高嶺土、伊利石、石英、蒙脫石、長(zhǎng)石、方解石、石灰石等。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

將粉碎后的粉煤灰、頁巖按4∶6的體積比混合，分別摻入體積百分?jǐn)?shù)為10%、15%、20%、25%左右的煤矸石，經(jīng)儀器1MZ-100粉碎后的頁巖和煤矸石，通過KM型快速研磨機(jī)混入粉煤灰并研磨，待摻入水陳化倆天后，用儀器DY-30壓制成型(190 mm×240 mm×90 mm)。壓制成型后的制品在燒結(jié)溫度為1000 ℃的條件下，使用箱式電阻爐焙燒。通過試驗(yàn)探究煤矸石含量對(duì)頁巖保溫磚各性能的影響。

1.3性能檢測(cè)原理

1.3.1 肖氏硬度

把質(zhì)量為2.36 g頂端(半徑為0.25 mm)帶有小粒鉆石的小錘掛在垂直的計(jì)測(cè)桶里一定高度，在此高度下使小錘自由落體。當(dāng)小錘撞擊試片時(shí)，試片表面會(huì)出現(xiàn)很小的壓痕，此時(shí)小錘的一部份能量會(huì)轉(zhuǎn)移在試片內(nèi)，使試片發(fā)生形變，而剩下的能量會(huì)使小錘反彈到一定高度。肖氏硬度可以通過反彈高度測(cè)定。

1.3.2 抗折強(qiáng)度

本實(shí)驗(yàn)使用RGM-50型儀器測(cè)試制品的抗折強(qiáng)度。此儀器所用的原理為三點(diǎn)彎曲加載法。把條形試樣橫放于機(jī)架上，調(diào)整跨度為22 mm，彎曲撓度為0.2倍，速度為2 mm/min，預(yù)加張力為20 N，啟動(dòng)機(jī)器，試樣斷裂時(shí)得出最大載荷，測(cè)出制品厚度與寬度，并代入公式(1)即可獲得制品抗折強(qiáng)度：

(1)

其中，h為試樣高度(m)，b為試樣橫截面寬(m)，P為試樣斷裂時(shí)讀到的負(fù)荷值(N)，L為支架兩支點(diǎn)間的跨距(m)。

1.3.3 導(dǎo)熱系數(shù)

測(cè)定導(dǎo)熱系數(shù)的方法一般有兩種：一種是穩(wěn)態(tài)法，另一種是動(dòng)態(tài)法。在穩(wěn)態(tài)法中，先在待測(cè)制品內(nèi)部用熱源形成穩(wěn)定的溫度分布，然后開始測(cè)量。在動(dòng)態(tài)法中，待測(cè)制品溫度分布是不穩(wěn)定的。鑒于粉煤灰磚的實(shí)際工作狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)使用穩(wěn)態(tài)法測(cè)定制品導(dǎo)熱系數(shù)。待溫度分布恒定時(shí)，制品的上下表面溫度分別為?1、?2，使用傅立葉傳導(dǎo)方程，得出Δt時(shí)間內(nèi)通過制品的熱量ΔQ滿足：

(2)

式中hB是制品的厚度，λ是制品的導(dǎo)熱系數(shù)，S是制品的表面面積。

在實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，測(cè)得制品穩(wěn)態(tài)時(shí)的上下表面溫度?1、?2后，將制品B抽去，讓散熱盤P與加熱盤C接觸，當(dāng)散熱盤的溫度升高比穩(wěn)態(tài)時(shí)的?2多10 ℃時(shí)，移開加熱盤C，待散熱盤冷卻，記錄散熱盤溫度?隨時(shí)間t的變化情況，求出散熱盤在溫度為?2時(shí)的冷卻速率，則散熱盤P在溫度為?2時(shí)的散熱速率為：

(3)

式中c為散熱片比熱容，m為其質(zhì)量。

由(2)式和(3)式可得：

(4)

因此樣品的導(dǎo)熱系數(shù)λ為：

(5)

將實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的數(shù)據(jù)代入公式(5)即可計(jì)算出樣品導(dǎo)熱系數(shù)。

1.3.4 吸水率

試件吸水飽和后增加的重量與試件干重的比值叫做吸水率，操作步驟是先測(cè)出試件質(zhì)量以及體積，然后將試件浸入水中，待其吸水飽和后，稱出此時(shí)試件的質(zhì)量，算出前后質(zhì)量差，以及其吸附水的質(zhì)量。由于水的密度已知，可計(jì)算出所吸水的體積，通過試件的總體積與所吸的水的體積即可得出其吸水率。

吸水率計(jì)算公式：

P=V吸水/V實(shí)×100%

(6)

將實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)代入公式(6)即可算出試件的吸水率。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果已知燒結(jié)溫度為1000 ℃時(shí)保溫磚各項(xiàng)性能表現(xiàn)良好，將頁巖、粉煤灰、煤矸石以6∶4∶1、6∶4∶1.5、6∶4∶2、6∶4∶2.5的體積百分比混合研究煤矸石的含量對(duì)頁巖保溫磚各性能的影響。

2.1煤矸石含量對(duì)吸水率的影響

由實(shí)驗(yàn)可得吸水率與煤矸石的含量之間的關(guān)系，如圖1所示。

圖1 煤矸石的含量對(duì)吸水率的影響

由圖1可知，煤矸石的含量越高樣品的吸水率就越大。隨著煤矸石含量的增加，在燒結(jié)時(shí)，樣品內(nèi)部煤矸石中的碳與氧氣燃燒(C+O2=CO2,2C+O2=2CO，CO+O2=CO2)產(chǎn)生的氣體就越多，所以導(dǎo)致樣品孔隙率增加，導(dǎo)致樣品吸水率增加。

2.2煤矸石含量對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)影響

通過FD-TC-B導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀器測(cè)出煤矸石的含量與導(dǎo)熱系數(shù)之間的關(guān)系，如圖2所示。

圖2 煤矸石的含量對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響

由圖2可以看出，煤矸石的含量越高，樣品的導(dǎo)熱系數(shù)就越低。由于材料吸水率隨煤矸石含量增加而升高，孔隙率增大，而且導(dǎo)熱系數(shù)與材料孔隙率成負(fù)相關(guān)，所以多孔頁巖磚的導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)隨煤矸石含量的升高而降低。

2.3煤矸石含量對(duì)肖氏硬度影響

用HS-19DV肖式硬度計(jì)測(cè)定不同煤矸石含量的燒結(jié)磚，每塊試件各測(cè)5次取其平均值，記錄數(shù)據(jù)，即可獲得肖氏硬度與煤矸石的含量之間的關(guān)系，如圖3所示。

圖3 煤矸石的含量對(duì)肖氏硬度的影響

由圖3可知，煤矸石的含量越高，樣品的肖氏硬度就越大。由于煤矸石中SiO2、Fe2O3、Al2O3的含量比頁巖、粉煤灰多，所以隨著煤矸石含量的增加樣品中SiO2、Fe2O3、Al2O3的含量也隨之增加，肖氏硬度也會(huì)越大。

2.4煤矸石含量對(duì)抗折強(qiáng)度影響

通過RGM-50微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試含有不同煤矸石的燒結(jié)磚的最大荷載，測(cè)出試件寬度與高度，可得抗折強(qiáng)度與煤矸石的含量之間的關(guān)系，如圖4所示。

圖4 煤矸石的含量對(duì)抗折強(qiáng)度的影響

由圖4可以看出，煤矸石的含量越高樣品的抗折強(qiáng)度就越大。因?yàn)槊喉肥蠸iO2、Fe2O3、Al2O3的含量比頁巖、粉煤灰多，所以隨著煤矸石的含量增加樣品中SiO2、Fe2O3、Al2O3的含量也隨著增加，所以樣品抗折強(qiáng)度就越大。

綜上所述，隨著煤矸石含量的增加樣品的抗折強(qiáng)度、肖氏硬度、吸水率都呈上升趨勢(shì)，樣品的導(dǎo)熱系數(shù)也呈下降趨勢(shì)，即保溫效果加強(qiáng)，力學(xué)性能良好；但煤矸石含量大于25%時(shí)，各項(xiàng)性能有所降低，所以含有25%的煤矸石粉煤磚較為適合保溫磚的制作。并且煤矸石本身是可燃物，具有未開發(fā)利用的能量，煤矸石含量的增加可節(jié)約能源。所以煤矸石的添加有利于保溫磚的工業(yè)持續(xù)化發(fā)展。

3 結(jié)論

分析上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以推出如下結(jié)論：

(1) 煤矸石含量是對(duì)燒結(jié)制品綜合性能起著重要作用，煤矸石的含量逐漸增加制品的肖氏硬度逐漸增強(qiáng)。

(2) 隨著煤矸石的含量增加制品抗折強(qiáng)度不斷升高。

(3) 導(dǎo)熱系數(shù)隨著煤矸石含量的增加而逐漸下降。

(4) 隨著煤矸石含量的增加制品吸水率逐漸上升。

(5) 在本實(shí)驗(yàn)條件下，含有25%煤矸石粉煤磚的制品綜合性能最佳，比較適合粉煤灰頁巖磚的制作。

[1] 毛利勝.燒結(jié)溫度對(duì)粉煤灰頁巖磚主要物理、力學(xué)性能影響的實(shí)驗(yàn)研究[J].四川建筑科學(xué)研究,2013(4):39-42.

[2] 劉京麗.墻體保溫材料及體系與政策分析[J].新型建筑材料,2013(12):46-51.

[3] 郭艷玲.粉煤灰的性質(zhì)及綜合利用分析[J].煤,2008,17(1):43,54.

[4] 孫光萍,繆建華.HL節(jié)能型建筑外墻保溫水泥砂漿的研制[J].混凝土與水泥制品,2002(6):54-55.

[5] 陳集陽,施恩斌,劉 軍,等.GS聚苯板外保溫系統(tǒng)聚合物砂漿的研制與應(yīng)用[J].化學(xué)建材,2006(1):36-37.[6] 趙亞丁,張寶生,葛 勇.造孔料的選擇與燒結(jié)磚微孔坯體性能的關(guān)系[J].哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報(bào),1998,31(2):85-90.

[7] 謝厚禮,彭家惠,鄭 云.成孔劑對(duì)燒結(jié)頁巖磚性能的影響[J].土木建筑與環(huán)境工程, 2012,34(2):149-154.

[8] 黃榜彪,景嘉驊,黃 中,等.輕質(zhì)燒結(jié)頁巖磚的纖維抗裂試驗(yàn)分析[J].四川建筑科學(xué)研究,2012,38(3):234-236.

The Influences of Coal Gangue on the Main Properties of Shale Brick of Fly Ash

TIANBeiping,ZHONGHua,YIBing,HUYong,YEJianbing

(School of Architecture Engineering, Sichuan University of Science & Engineering, Zigong 643000, China)

As the development of the society for the comprehensive utilization of resources, the attention of environmental benefits has been highly increasing. Resource recycling has been the force of sustainable development in the construction industry. This paper explores the various properties of Shale brick of fly ash with coal gangue as a main pore-former. It is concluded that under a certain content, it reduces not only the density of the products but also the coefficient of thermal conductivity of the sintered products drastically. Finally the sintered porous brick with good heat preservation effect, stable structure and good mechanical properties is obtained.

Shale brick of fly ash; content of coal gangue; coefficient of thermal conductivity; Shore hardness; flexural strength; water absorption

2014-03-19

自貢市科技局重點(diǎn)項(xiàng)目(09X01)；四川理工學(xué)院科技項(xiàng)目(2009XJKYL002)

田北平(1963-),男,四川自貢人,教授,主要從事結(jié)構(gòu)方面的研究,(E-mail)tianbeiping@126.com

1673-1549(2014)06-0059-04

10.11863/j.suse.2014.06.15

TU55+1.2

A