污泥燒結(jié)頁巖多孔磚耐水性能試驗研究

黃榜彪，李 治，黃秉章，祁偉偉，潘佳玉，廖天權(quán)，張 貝

(1.廣西科技大學(xué)土木建筑工程學(xué)院， 廣西柳州545006；2.中設(shè)泛華工程咨詢有限公司， 廣西柳州545006)

污泥燒結(jié)頁巖多孔磚耐水性能試驗研究

黃榜彪1，李 治1，黃秉章2，祁偉偉1，潘佳玉1，廖天權(quán)1，張 貝1

(1.廣西科技大學(xué)土木建筑工程學(xué)院， 廣西柳州545006；2.中設(shè)泛華工程咨詢有限公司， 廣西柳州545006)

為了研究污泥摻量對污泥燒結(jié)頁巖多孔磚耐水性能的影響，以便找到最佳污泥摻量的同時找出一種非破損檢測磚體耐水性能的方法，首先測定不同污泥摻量下污泥燒結(jié)頁巖多孔磚在飽水狀態(tài)下磚體導(dǎo)熱系數(shù)，再測定其抗壓軟化系數(shù)。結(jié)果表明：污泥燒結(jié)頁巖多孔磚軟化系數(shù)隨著污泥摻量的增加而增大，磚體飽水狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)也隨著污泥摻量增加而增大。當(dāng)污泥燒結(jié)頁巖多孔磚軟化系數(shù)Kp≥0.85時，污泥燒結(jié)頁巖多孔磚污泥摻量不得大于20%。建議將飽水狀態(tài)下磚體導(dǎo)熱系數(shù)作為評價磚體耐水性能指標(biāo)，以達到非破損檢測磚體耐水性能的目的。

污泥燒結(jié)頁巖磚；耐水性能；非破損檢測；導(dǎo)熱系數(shù)

0 引 言

污泥燒結(jié)頁巖多孔磚是由頁巖、城市污泥以及一些其他輔料均勻混合焙燒而成，具有自保溫功能，其密度為900 kg/m3左右,單磚強度高于MU5.0[1]，適用于框架結(jié)構(gòu)中建筑物的填充墻與隔墻[2]。前人已經(jīng)針對污泥燒結(jié)頁巖多孔磚材料的相關(guān)力學(xué)性能[3]、抗凍性能等方面進行了深入研究[4]，但是對污泥燒結(jié)頁巖多孔磚耐水性能研究不足。

耐水性能好壞反映了磚體在水中浸泡過后能否保持其原有狀態(tài)。磚體在水中浸泡過后，在水分子的作用下其固體分子之間的引力減小，使得磚體內(nèi)部變得酥松強度降低，而且磚體浸泡在水中其磚體內(nèi)部一些可溶性物質(zhì)也溶解在水中，進一步降低磚體的強度。因此，一般使用抗壓軟化系數(shù)來評定磚體的耐水性能，但做軟化試驗需要破壞大量的磚體，而且同一批磚體強度也存在相當(dāng)?shù)牟罹?，使得試驗結(jié)果不夠準(zhǔn)確。為此,筆者引入了新的檢測磚體耐水性能的方法，即引入飽水狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)與干燥狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)的比值作為判斷其耐水性能的評價指標(biāo)。本工作主要研究污泥摻量對污泥燒結(jié)頁巖磚耐水性能影響，并探究一種非破損檢測材料耐水性的新方法。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

本研究所用污泥來自廣西柳州白沙污水污泥處理有限公司，污泥呈半固體黑色泥狀，有刺鼻惡臭味，含水率約為70%左右，烘干后備用。頁巖粉來自柳州市高陽建材有限公司，呈褐色粉末狀。

經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)的污泥燒結(jié)頁巖多孔磚，磚坯中的水分完全蒸發(fā)，有機物燃燒殆盡，而頁巖是組成污泥燒結(jié)頁巖多孔磚的骨架材料，所以合理的頁巖級配決定了燒結(jié)磚的強度。本研究將頁巖粉篩選級配，所篩選的頁巖粉末級配見表1。

表1 頁巖的粉末級配表
Tab.1 Particle size distribution for shale

粒徑/mm15～2010～1505～100125～05<0125占比/%138174517

1.2 試件制作

將篩選好的頁巖粉末按一定比例與干燥好的污泥和水充分混合均勻，攪拌時間不得小于30 min。攪拌均勻后擠壓成型再使用切割機切割。本次研究采用4種不同的污泥配合比，見表2。

表2 污泥燒結(jié)頁巖多孔磚配合比
Tab.2 Mix proportion of raw materials for sludge sintered shale porous brick

污泥燒結(jié)頁巖磚代號頁巖占比/%污泥占比/%其他材料/%A85510B751510C702010D652510

1.3 成品微觀結(jié)構(gòu)分析

本研究采用日產(chǎn)JFC-1600離子濺射儀和ZEISS環(huán)境掃描電鏡觀察形貌，對燒制成功的污泥燒結(jié)頁巖多孔磚進行分析。

1.4 污泥燒結(jié)頁巖多孔磚軟化試驗方法

軟化試驗依照《砌墻磚試驗方法》GB/T 2542-2012進行。首先，每種類型的污泥燒結(jié)頁巖磚各選10塊，其中5塊用于軟化試驗，另外5塊用于作為強度對比。將試驗所用磚體放入常溫下的水箱中浸泡4 d至飽水狀態(tài)，然后用抹布擦干磚體表面的水并進行飽和面干狀態(tài)下的單磚抗壓試驗。將對比所用磚體在密閉實驗室內(nèi)放置72 h后至氣干狀態(tài)下再對磚體進行單磚抗壓試驗。軟化系數(shù)Kf計算公式為：

(1)

式中，Kf為磚體軟化系數(shù);Rf為飽水狀態(tài)下的單磚抗壓強度平均值(MPa)；Ro為氣干狀態(tài)下的單磚抗壓強度平均值(MPa),本次試驗對比取氣干狀態(tài)下5塊污泥燒結(jié)頁巖磚抗壓強度平均值。

1.5 污泥燒結(jié)頁巖多孔磚導(dǎo)熱系數(shù)的測定方法

本研究采用熱線法測導(dǎo)熱系數(shù)。在前期試驗中發(fā)現(xiàn)，磚體耐水性能和磚體的吸水率有很大關(guān)聯(lián)。由于磚體吸水率對磚體在飽水狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)影響很大，所以嘗試采用測量材料飽水狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)這一非破損檢測方法來代替規(guī)范使用的破損檢測方法[6]。

(2)

P=IV，

(3)

式中，V為熱線段的升溫電壓(V)；I為熱線升溫電流(A)；P為熱線段的升溫功率(W)。

(4)

按式(5)計算材料導(dǎo)熱系數(shù)，即：

(5)

式中,λ為材料導(dǎo)熱系數(shù)[W/(m·K)]。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 污泥燒結(jié)頁巖多孔磚形貌分析

圖1為污泥燒結(jié)頁巖多孔磚形貌圖。由圖1中放大1 000倍的形貌圖可知，污泥燒結(jié)頁巖多孔磚表面遍布直徑在2～10 μm的孔洞。直徑較大的孔洞主要是由于污泥中的有機物燃燒殆盡留下的空隙，而較小的孔洞則是由于磚坯內(nèi)部水分的蒸發(fā)留下的細微空隙。從放大10 000倍的形貌圖中可以看出磚體表面在未受外力作用的情況下就已經(jīng)存在微裂縫。這些微裂縫大多產(chǎn)生于降溫階段，由于溫度下降過快，磚體里外溫度不均勻而產(chǎn)生溫度拉應(yīng)力，使得磚體在還沒有正常使用就已經(jīng)存在裂縫。

(a) 放大1 000倍

(b) 放大10 000倍

圖1 污泥燒結(jié)頁巖多孔磚形貌圖
Fig.1 Sludge sintered shale porous brick topography

2.2 污泥燒結(jié)頁巖多孔磚軟化試驗結(jié)果與分析

污泥燒結(jié)頁巖磚軟化試驗結(jié)果數(shù)據(jù)如表3所示。

由表3可知，污泥燒結(jié)頁巖多孔磚強度隨著污泥摻量的增加而降低[5]。這是因為在污泥中存在大量的有機物質(zhì)，而有機物質(zhì)在高溫下達到燃點而燃燒殆盡，使得污泥燒結(jié)頁巖多孔磚中產(chǎn)生大量孔隙，從而降低了污泥燒結(jié)頁巖多孔磚的強度[6]。

表3 污泥燒結(jié)頁巖多孔磚軟化系數(shù)
Tab.3 Softening coefficient of sludge sintered shale porous brick

污泥摻量/%Rf/MPaRo/MPaKfKf513211457168212951532154508609410909009909615962103812811106121112370780841040890980912092470281176779290210207809008508808725521306418330308677077045062049045056

2.3 污泥燒結(jié)頁巖多孔磚導(dǎo)熱系數(shù)的測定結(jié)果與分析

本研究通過熱線法測導(dǎo)熱系數(shù)，結(jié)果見表4與圖2。

由圖2中可以看出，隨污泥摻量的增多，在飽水狀態(tài)下污泥燒結(jié)頁巖多孔磚的導(dǎo)熱系數(shù)也隨之上升[7]。這是因為污泥摻量越多，燒制而成的污泥燒結(jié)頁巖多孔磚內(nèi)部微小孔隙也越多，從而導(dǎo)致磚體吸水率越高[8]。而影響材料導(dǎo)熱系數(shù)的重要影響因素就是材料的吸水率，所以材料的導(dǎo)熱系數(shù)也隨著吸水率的升高而增大[9]。

表4 飽水狀態(tài)下污泥燒結(jié)頁巖磚污泥摻量與導(dǎo)熱系數(shù)試驗結(jié)果數(shù)據(jù)
Tab.4 Sludge content of sludge sintered shale porous brick in saturated state and coefficient of thermal conductivity data

污泥摻量/%5152025導(dǎo)熱系數(shù)/[W·(m·K)-1]052925075490091001111364

圖2 飽水狀態(tài)下污泥燒結(jié)頁巖磚污泥摻量與導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系
Fig.2 Relationship between sludge content of sludge sintered shale porous brick in saturated state and coefficient of thermal conductivity

2.4 污泥燒結(jié)頁巖多孔磚耐水性試驗結(jié)果與分析

污泥燒結(jié)頁巖多孔磚污泥摻量與軟化系數(shù)關(guān)系如圖3所示。

由表3和圖3可知，隨著污泥摻量的增加，軟化系數(shù)在不斷地降低[10]，即污泥摻量越高，軟化系數(shù)越小，磚體的耐水性能越差[11]。當(dāng)污泥摻量高于20%時，磚體的耐水性能急劇下降，因此，建議污泥燒結(jié)頁巖多孔磚污泥摻量不得大于20%，以保證其耐水性能[12]。以污泥摻量小于20%時其軟化系數(shù)Kp≥0.85作為耐水材料的標(biāo)準(zhǔn)[13]。

圖3 污泥燒結(jié)頁巖多孔磚污泥摻量與軟化系數(shù)的關(guān)系Fig.3 Relationship between sludge content of sludge sintered shale porous brick and softening coefficient

污泥燒結(jié)頁巖多孔磚軟化系數(shù)與導(dǎo)熱系數(shù)如表5所示，兩者關(guān)系如圖4所示。

由圖4可以看出，軟化系數(shù)與導(dǎo)熱系數(shù)呈反比關(guān)系，對軟化系數(shù)與導(dǎo)熱系數(shù)采用最小二乘法進行線性回歸，可以得出其關(guān)系式為y=-1.213 4x+1.828，以判斷磚體是否大于耐水材料標(biāo)準(zhǔn)值Kp=0.85。把Kp=0.85代入y=-1.213 4x+1.828中，得出其飽水狀態(tài)下磚體的導(dǎo)熱系數(shù)不得大于0.796 W/(m·K)[14]。

表5 污泥燒結(jié)頁巖多孔磚軟化系數(shù)與導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)據(jù)
Tab.5 Softening coefficient of sludge sintered shale porous brick and coefficient of thermal conductivity data

軟化系數(shù)096091087056導(dǎo)熱系數(shù)/[W(m·K)-1]052925075490091001111364

圖4 污泥燒結(jié)頁巖多孔磚軟化系數(shù)與導(dǎo)熱系數(shù)關(guān)系
Fig.4 Relationship between softening coefficient of sludge sintered shale porous brick and coefficient of thermal conductivity

3 結(jié) 論

通過對污泥燒結(jié)頁巖多孔磚耐水性能試驗研究得到以下4點結(jié)論：

①污泥燒結(jié)頁巖多孔磚在燒制完成后表面有大量微小孔隙，并且表面存在大量微小裂縫。

②隨著污泥摻量的增多，污泥燒結(jié)頁巖多孔磚強度下降，軟化系數(shù)也隨之下降。

③為了滿足污泥燒結(jié)頁巖多孔磚作為耐水材料的要求，污泥燒結(jié)頁巖多孔磚中的污泥摻量不得高于20%。

④磚體的耐水性能和熱工性能的影響因素大部分相同，筆者建議以飽和面干狀態(tài)下磚體的導(dǎo)熱系數(shù)值的大小作為評定磚體耐水性能指標(biāo)之一，飽和面干狀態(tài)下磚體的導(dǎo)熱系數(shù)可作為檢測磚體耐水性能的一種非破損檢測方法。

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(責(zé)任編輯 唐漢民 裴潤梅)

Experimental study on water resistance of sludge sintered shale porous brick

HUANG Bang-biao1, LI Zhi1, HUANG Bing-zhang2, QI Wei-wei1, PAN Jia-yu1, LIAO Tian-quan1, ZHANG Bei1

(1.College of Civil and Architectural Engineering,Guangxi University of Science and Technology, Liuzhou 545006, China; 2.Beijing Pan-China Guojin Engineering Consultancy Co., Ltd, Liuzhou 545006,China)

In order to study the effect of sludge content on the water resistance of sludge sintered shale porous brick, and to find the optimum mix amount of sludge and a non-destructive method to assess the water resistance of the brick body, the thermal conductivity of the brick body under saturation condition with different mix amounts of sludge is firstly determined, and the compressive strength and softening coefficient of the brick body are then determined to conduct the study on the effect of sludge content on the water resistance of the brick body. The results show that the softening coefficient of the sludge sintered shale porous brick increases with the increase of sludge content, and that the thermal conductivity of the brick body in saturation condition also increases with the increase of sludge content. When the softening coefficient of sludge sintered shale porous brickKp≥0.85, the sludge content in the brick should not be larger than 20%. It is suggested that the thermal conductivity of brick body under saturation condition could be taken as a performance index to evaluate the water resistance of the brick body so that the non-destructive test for the water resistance of the brick body could be realized.

sludge sintered shale porous brick; water resistance; non-destructive method; thermal conductivity

2016-04-13；

2016-10-09

廣西千億元產(chǎn)業(yè)重大科技攻關(guān)項目(桂科攻11107021-3-5，桂科攻1099058);廣西科技攻關(guān)項目(桂科攻12100007,桂科攻 14126001-4);柳州市科技攻關(guān)項目(2013J010404)；廣西科技大學(xué)碩士研究生創(chuàng)新項目(GKYC201630)

黃榜彪(1964—)，男,廣西桂平人，廣西科技大學(xué)教授，教授級高工；E-mail:75239768@qq.com 。

黃榜彪，李治，黃秉章,等.污泥燒結(jié)頁巖多孔磚耐水性能試驗研究[J].廣西大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2016，41(6)：1733-1739.

10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.1733

TU522

A

1001-7445(2016)06-1733-07