造紙污泥制備燒結(jié)保溫砌塊的試驗(yàn)研究

楊良，吳炎平，邵濱，別安濤，韓文祥，張?zhí)K伊，鄧佳

（江西省建筑材料工業(yè)科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，江西 南昌 330001）

0 前言

建筑行業(yè)的能耗約占全國能耗總量的30%，已經(jīng)成為我國主要耗能行業(yè)之一。在建筑能耗中，建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱散失所占比例約77%，墻體占圍護(hù)結(jié)構(gòu)的比例最大，通過墻體散熱（含空氣滲透散熱）約占59.4%。因此，提高墻體材料的保溫隔熱性能是建筑節(jié)能的主要途徑之一[1]。燒結(jié)保溫砌塊具有優(yōu)良的保溫隔熱性能，是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ男滦蛪w材料。

造紙污泥是造紙行業(yè)產(chǎn)生的工業(yè)廢棄物，目前的處理方式主要有填埋、焚燒、投海等，但是這些處置方式都存在著二次污染、浪費(fèi)能源等問題。研究利用造紙污泥制備燒結(jié)保溫砌塊，實(shí)現(xiàn)造紙污泥的資源綜合利用，降低建筑能耗，具有重要的研究意義。Demir等[2]研究了將造紙工業(yè)污泥摻入到黏土中制磚，結(jié)果表明，隨著造紙污泥摻量的增加，燒結(jié)磚的表觀氣孔率和吸水率增大，而密度和抗壓強(qiáng)度降低。楊良等[3]研究了造紙污泥在制備燒結(jié)保溫砌塊中的熱解特性，結(jié)果表明，造紙污泥含有大量的木質(zhì)纖維，這些木質(zhì)纖維容易在較低的溫度中揮發(fā)，在以內(nèi)燃為主要焙燒方式的工藝中，該熱值難以利用。趙德智[4]研究了用造紙污泥來燒磚，并對(duì)制備工藝及原材料配比進(jìn)行了詳細(xì)的研究。劉峰等[5]對(duì)污泥與建筑廢棄物制備燒結(jié)保溫磚進(jìn)行了研究，該研究采用壓制成型方式，而目前實(shí)際生產(chǎn)中，大部分生產(chǎn)企業(yè)采用的是擠出成型方式。

孔結(jié)構(gòu)對(duì)保溫制品的保溫性能具有重要的影響[6]。根據(jù)當(dāng)前燒結(jié)墻體材料生產(chǎn)企業(yè)的工藝裝備條件，本文通過ANSYS軟件對(duì)燒結(jié)保溫砌塊的塊型及孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析，并對(duì)用造紙污泥制備燒結(jié)保溫砌塊的工藝參數(shù)及污泥摻量等進(jìn)行了系統(tǒng)研究。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

造紙污泥：由江西省某造紙廠提供，該造紙污泥經(jīng)過預(yù)處理后，相對(duì)含水率為49.8%，塑性指數(shù)為23，烘干后密度為0.73 g/cm3，灰色。

頁巖：產(chǎn)自景德鎮(zhèn)市某礦區(qū)，相對(duì)含水率為10.9%，塑性指數(shù)為12，烘干后密度為1.2 g/cm3，淺黃色。

煤矸石：產(chǎn)自萍鄉(xiāng)市某煤礦，相對(duì)含水率為13%，塑性指數(shù)為6，烘干后密度為1.3 g/cm3，黑色。

造紙污泥、頁巖、煤矸石的主要化學(xué)成分見表1。

表1 造紙污泥、頁巖、煤矸石的主要化學(xué)成分 %

1.2 試驗(yàn)配比

本試驗(yàn)主要研究造紙污泥摻量對(duì)燒結(jié)保溫砌塊性能的影響。試驗(yàn)配比（干基質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為：造紙污泥摻量0、5%、10%、15%；頁巖摻量為65%～80%，煤矸石摻量為20%。

1.3 試樣制備

將頁巖、造紙污泥和煤矸石按照設(shè)定的試驗(yàn)配比計(jì)量混合，先經(jīng)顎式破碎機(jī)粗破；然后用高細(xì)錘式破碎機(jī)進(jìn)行二次破碎，二次破碎后的混合料經(jīng)篩孔為2 mm的篩網(wǎng)進(jìn)行篩分，確?；旌狭系淖畲箢w粒尺寸小于2 mm。將篩分后的混合料加水?dāng)嚢?，確保陳化時(shí)有充足的水分浸潤(rùn)，陳化時(shí)間為5 d。

陳化后的混合料經(jīng)強(qiáng)力攪拌擠出機(jī)處理后，使混合料中的頁巖與造紙污泥得到進(jìn)一步的均化處理，解決了造紙污泥與頁巖因密度差異而導(dǎo)致離析分層的現(xiàn)象；強(qiáng)力攪拌擠出處理后的混合料最后經(jīng)過雙級(jí)真空擠出機(jī)進(jìn)行成型，擠出機(jī)型號(hào)為JKY 65/60-4.0。

成型后的泥條經(jīng)切條、切坯后，制成尺寸為240 mm×190 mm×190 mm的砌塊。成型后的砌塊經(jīng)過干燥后，相對(duì)含水率控制在3%以內(nèi)，并確保坯體不開裂；最后將坯體進(jìn)行焙燒，燒成溫度控制在850～1100℃。

1.4 試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)通過ANSYS軟件模擬，計(jì)算出最佳的孔型、孔結(jié)構(gòu)。燒結(jié)保溫砌塊的性能依據(jù)GB/T 26538—2011《燒結(jié)保溫磚和保溫砌塊》進(jìn)行測(cè)試，抗壓強(qiáng)度采用萬測(cè)A型1000 kN微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試，傳熱系數(shù)采用沈陽紫微WTRZ型墻體穩(wěn)態(tài)熱遞性能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試。

2 孔型設(shè)計(jì)

燒結(jié)保溫砌塊中不同的孔結(jié)構(gòu)具有不同的傳熱途徑及孔洞率，會(huì)對(duì)砌塊的密度等級(jí)及熱阻產(chǎn)生重要影響。通過ANSYS軟件模擬計(jì)算，設(shè)計(jì)出3類不同孔結(jié)構(gòu)的砌塊如圖1所示。

圖1 ANSYS軟件模擬出的3類不同孔結(jié)構(gòu)

由圖1的模擬結(jié)果可知，Ⅰ類孔結(jié)構(gòu)的燒結(jié)保溫砌塊孔洞率高達(dá) 49%，密度為 893 kg/m3，計(jì)算熱阻為 0.70（m2·K）/W，雖然密度比較理想，但是計(jì)算熱阻偏小。Ⅱ類孔結(jié)構(gòu)的燒結(jié)保溫砌塊孔洞率為37%，密度為1103 kg/m3，計(jì)算熱阻為0.74（m2·K）/W，雖然計(jì)算熱阻符合建筑節(jié)能50%的要求，但密度過大，超過GB/T 26538—2011中密度＜1000 kg/m3的規(guī)定。Ⅲ類孔結(jié)構(gòu)的燒結(jié)保溫砌塊孔洞率為44%，密度為982 kg/m3，計(jì)算熱阻為0.78（m2·K）/W，三維傳熱系數(shù)模擬計(jì)算結(jié)果為1.208 W/（m2·K），各項(xiàng)指標(biāo)均比較理想，其三維計(jì)算云圖見圖2，因此，燒結(jié)保溫砌塊的孔結(jié)構(gòu)確定采用Ⅲ類孔結(jié)構(gòu)。

圖2 Ⅲ類孔結(jié)構(gòu)的三維計(jì)算云圖

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 燒成溫度對(duì)燒結(jié)保溫砌塊性能的影響

燒成溫度對(duì)燒結(jié)保溫砌塊的強(qiáng)度及耐久性有至關(guān)重要的影響。當(dāng)采用Ⅲ類孔結(jié)構(gòu)時(shí)，對(duì)摻與未摻造紙污泥的2個(gè)配比試樣進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，1#試樣：造紙污泥摻量為5%、頁巖摻量為75%、煤矸石摻量為20%；2#試樣：未摻造紙污泥、頁巖摻量為80%、煤矸石摻量為20%。燒成溫度分別為850、900、950、1000、1050、1100℃。不同燒成溫度下 2種燒結(jié)保溫砌塊的收縮率和吸水率見圖3。

圖3 不同燒成溫度下2種燒結(jié)保溫砌塊的收縮率和吸水率

由圖3可知，燒成溫度在850～1000℃內(nèi)變化時(shí)，其收縮率和吸水率變化較慢，說明在這一溫度區(qū)間試樣還未燒結(jié)；當(dāng)燒成溫度為1050℃時(shí)，吸水率和收縮率開始有了明顯變化，吸水率在20%左右，符合GB/T 26538—2011對(duì)吸水率的要求，說明試樣已經(jīng)開始燒結(jié)；燒成溫度達(dá)到1100℃時(shí)，吸水率和收縮率都急劇變化，實(shí)際生產(chǎn)時(shí)已經(jīng)過燒，說明這種材料的燒結(jié)溫度范圍相對(duì)較窄。此外，1#、2#試樣的燒成溫度基本相似，只是1#試樣的吸水率比2#試樣稍高，主要原因是：1#試樣中摻有少量造紙污泥，而造紙污泥具有較高的燒失量。因此，根據(jù)圖3確定燒結(jié)保溫砌塊的燒成溫度為1000～1050℃。

3.2 造紙污泥摻量對(duì)燒結(jié)保溫砌塊性能的影響

通過上述研究可知，燒結(jié)保溫砌塊最佳的孔結(jié)構(gòu)為Ⅲ類，最佳燒成溫度為1000～1050℃?？捉Y(jié)構(gòu)為Ⅲ類、燒成溫度為1025℃時(shí)，不同造紙污泥摻量的燒結(jié)保溫砌塊性能及墻體傳熱系數(shù)見表2。

表2 不同造紙污泥摻量的燒結(jié)保溫砌塊性能及墻體傳熱系數(shù)

由表2可知，隨著造紙污泥摻量的增加，燒結(jié)保溫砌塊的密度逐漸降低，由未摻造紙污泥時(shí)的980 kg/m3下降至造紙污泥摻量為15%時(shí)的908 kg/m3；燒結(jié)保溫砌塊的抗壓強(qiáng)度也逐漸降低，由未摻造紙污泥時(shí)的6.85 MPa降低至造紙污泥摻量為15%時(shí)的4.32 MPa。GB/T 26538—2011規(guī)定，當(dāng)密度等級(jí)為1000 kg/m3時(shí)，其最低強(qiáng)度等級(jí)要求為MU5.0。當(dāng)造紙污泥摻量為15%時(shí)，燒結(jié)保溫砌塊的抗壓強(qiáng)度低于5.0 MPa，不符合GB/T 26538—2011要求。綜合考慮，造紙污泥摻量為10%時(shí)，燒結(jié)保溫砌塊的性能較佳，其密度為933 kg/m3，抗壓強(qiáng)度為5.42 MPa。

由于造紙污泥顆粒尺寸小，同時(shí)還含有大量的木質(zhì)纖維等有機(jī)物，燒失量高達(dá)45.76%，這些有機(jī)物經(jīng)過焙燒后，在燒結(jié)保溫砌塊中形成大量微小且均勻分布的孔隙，這些孔隙可降低燒結(jié)保溫砌塊的密度，提高砌塊的保溫隔熱性能。

在墻體灰縫為10 mm，且墻體為干燥條件下，對(duì)燒結(jié)保溫砌塊墻體的熱工性能進(jìn)行了分析。由表2可知，隨著造紙污泥摻量的增加，燒結(jié)保溫砌塊砌筑墻體的傳熱系數(shù)逐漸降低，說明墻體的保溫隔熱性能變得更加優(yōu)越。造紙污泥摻量為10%時(shí)，墻體的傳熱系數(shù)降低至1.217 W/（m2·K）。這主要是由于造紙污泥中大量有機(jī)物燃燒后，在燒結(jié)保溫砌塊中形成大量微小且分布均勻的孔隙導(dǎo)致，這些微小孔隙具有較高的熱阻，使得燒結(jié)保溫砌塊基材熱阻變大，從而降低了砌筑墻體的傳熱系數(shù)，提高了墻體的保溫隔熱性能。

4 結(jié)論

（1）通過ANSYS軟件對(duì)砌塊孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，設(shè)計(jì)出密度低、保溫性能好的燒結(jié)保溫砌塊Ⅲ類孔結(jié)構(gòu)，該類型燒結(jié)保溫砌塊理論密度為982 kg/m3，孔洞率為44%，計(jì)算熱阻為0.78（m2·K）/W，三維傳熱系數(shù)模擬計(jì)算結(jié)果為1.208 W/（m2·K）。

（2）相較未摻造紙污泥的試樣，摻加適量造紙污泥后燒結(jié)保溫砌塊的吸水率稍有提高，但其燒成溫度相差不大，用造紙污泥制備燒結(jié)保溫砌塊的最佳燒成溫度為1000～1050℃。

（3）隨著造紙污泥摻量的增加，燒結(jié)保溫砌塊的密度和強(qiáng)度逐漸降低，綜合考慮，造紙污泥摻量為10%時(shí)，燒結(jié)保溫砌塊的各項(xiàng)性能指標(biāo)較佳，密度為933 kg/m3，抗壓強(qiáng)度為5.42 MPa，砌筑墻體的傳熱系數(shù)為1.217 W/（m2·K）。

[1] 劉利軍.建筑節(jié)能關(guān)鍵-墻體保溫[J].建筑科學(xué)，2007（4）：82-82.

[2] Ismail Demir，M Serhat Basplnar，Mehmet Orhan.Utilization of kraft pulp production residues in clay brick production[J].Build-ing and Environment，2005，40：1533-1537.

[3] 楊良，吳炎平，曾興華，等.造紙污泥在燒結(jié)保溫砌塊中的熱解特性研究[J].磚瓦，2017（6）：28-30.

[4] 趙德智.利用造紙污泥燒制建材磚[J].中華紙業(yè)，2010，31（24）：87-87.

[5] 劉峰，王琪，謝章章，等.污泥與建筑廢棄物燒結(jié)自保溫磚試驗(yàn)研究[J].新型建筑材料，2017（6）：63-65.

[6] 宋光杰，越祖朕，蘇明霞，等.利用低品位石英砂制備保溫磚的孔結(jié)構(gòu)研究[J].新型建筑材料，2010（5）：27-29.