温度对轻质烧结页岩砖基本性能的影响

黄榜彪，刘　阳，黄秉章，赖　俊，武卫峰，卢强，盛琪，张贝

温度对轻质烧结页岩砖基本性能的影响

黄榜彪1，2，刘阳1，黄秉章3，赖俊1，武卫峰1，卢强1，盛琪1，张贝1

（1.广西科技大学土木建筑工程学院，广西柳州545006；2.华中科技大学光学与电子信息学院，湖北武汉430074）3.朴茨茅斯大学土木工程和测量学院，英国朴茨茅斯po1 2ah）

轻质烧结页岩砖是一种新型墙体材料，抗压强度是其重要指标之一，吸水率是影响耐久性的关键因素，烧成收缩率表示页岩砖干燥后在陪烧过程中体积和长度收缩的物理量。通过控制升温速率、烧结温度高低以及保温时间分别测试轻质页岩砖的抗压强度、吸水率和烧成收缩率，为合理制定轻质页岩砖烧结工艺提供一定的试验数据和理论依据。

温度；轻质页岩砖；性能

0　引言

随着农村生活水平的不断提高和能源结构的改善，越来越大量的农业剩余物如麦草、稻草、山草，树叶等成为农业肥料，焚烧后被用以肥田，所产生的大量烟雾对空气产生了严重的污染［1］。我们在研究普通页岩砖（主要是标准砖及KP1型）的基础上，添加了一定量的有机质易燃辅料，研发出一种新型环保型墙体材料，替代当前建筑行业正在使用的纯页岩砖、黏土砖和加气混凝土砌块。按照国家产业政策，轻质页岩砖属于新型墙体材料，对轻质页岩砖的研究，既符合经济循环发展的要求，又符合烧结类墙体材料的可持续发展，更符合建设节约型社会的要求［2］。

本研究将一定量的松木木屑作为有机易燃辅料掺入页岩粉末中，采用常压烧结法制备轻质页岩砖，再通过改变其烧制温度和保温时间，研究温度对轻质页岩砖抗压强度、吸水率以及烧成收缩率等性能的影响，从而为合理制定轻质页岩砖烧结工艺提供一定的试验数据和理论依据。

1　试验

1.1试验原料

所谓的有机易燃辅料是指有机纤维材料，主要是指在农业生产过程中产生的大量废渣，如稻草、秸秆、麦秸、玉米芯等。同时，根据材料不同的特性，可以采用部分工业废料，如提取木糖醇后的玉米芯、甘蔗渣等。本试验采用松木屑及甘蔗渣按约1∶1的比例充分混合得到的有机质易燃材料作为辅料。这种比例的混合物辅料的级配使其能充分模拟纤维材料在轻质页岩砖中发挥的作用。

本试验页岩砖采用的页岩为广西柳州指定的砖瓦用页岩，为柳州市某页岩厂生产。将页岩放入粉碎机粉碎过0.2 mm筛备用。自然状态页岩和页岩粉如图1所示，页岩的主要化学成分见表1。

图1　自然状态页岩和页岩粉

表1　试验所采用页岩的化学成分%

1.2试样制备

将经过干燥的松木屑和甘蔗渣以1∶1的质量比混合均匀得到辅料，将辅料、页岩按7∶2的质量比混合均匀，放入水中充分搅拌至其具有一定的可塑性后制模（尺寸为240 mm×115 mm×53 mm），并保证很快脱模，成型砖坯在自然条件下风干，然后将风干后的砖坯放入电炉中烧结，控制升温速率，升温速率过快，会使砖体的内外压力差变大，造成砖体开裂［3］。

1.3试验方法

采用2000KN液压的压力试验机，按照GB/T 2542—2012《砌墙砖试验方法》测试试件的抗压强度；根据GB/T 11970—1997《加气混凝土体积密度、含水率和吸水率试验方法》测试试件的吸水率［4］；按照GB/T 2542—2012测试试件的尺寸［5］，并以同一砖坯干燥后与焙烧后的尺寸计算它的烧成收缩率。取每组试件测试结果的算术平均值作为试验结果。

2　结果与分析

抗压强度是页岩砖的重要指标之一，抗压强度的大小受到多种因素的影响，温度是决定页岩砖抗压强度大小的一个重要因素。

引发页岩砖耐久性失效，造成性能劣化的因素有多种，其严重性在很大程度上都取决于砖的吸水率，吸水率越低，证明砖的渗透性越小、砖越密实，其抵抗自身和外界环境的化学腐蚀的能力就越强，耐久性相对就会越好［6］。所以，吸水率是影响耐久性的关键因素。

烧成收缩率表示页岩砖干燥后在陪烧过程中体积和长度收缩的物理量，是砖体质量的一项重要技术指标，也是制造磨具的主要参数之一。

现在通过保持升温速率不变，运用单一变量法分别单独控制温度高低和保温时间长短来测试轻质页岩砖的抗压强度、吸水率和烧成收缩率。

2.1焙烧温度对轻质页岩砖性能的影响

根据烧结过程中温度的差别，可以将轻质页岩砖的烧结程序分为4个阶段：干燥阶段、预热阶段、焙烧阶段、冷却阶段。

焙烧阶段就是利用高温，让砖坯内部矿物发生化学反应，微观结构发生变化，达到预期的固定外形，并获得所要求的性能，这是配料和成型等工序之后决定页岩砖品质的又一关键工序。选取外型美观、表面平整且无明显裂缝的页岩砖坯，分为9组，每组10块，保持每组的升温速率和保温时间相同，分别将各组的目标温度控制在800、850、900、950、1000、1050、1100、1130和1150℃，测试各组轻质页岩砖的性能，结果见表2。

表2　焙烧温度对轻质页岩砖性能的影响

由表2可知，当控制升温速率和保温时间一致的情况下，轻质页岩砖的单砖抗压强度随着焙烧温度的升高而不断增加，但是页岩砖的吸水率却随着温度的升高而不断减小，这是因为当焙烧温度达到一定程度，内部化学物质将不断发生化学反应，形成比较稳定、坚硬的化合物。原料开始溶解，砖的显微结构中会出现大量的玻璃相，这些熔融玻璃相包裹着胶结细小的晶体颗粒，共同填充坯体空隙，使得颗粒相互之间更加靠近，坯体的密度进一步增大，这样砖体的抗压强度提高，吸水率下降，同时砖体收缩增大也导致相应的体积密度随之增大［7］。

干燥收缩主要在干燥阶段，砖胚的内部自由水吸附水逐渐向表层转移，表层的游离水分又发生气化，被流动的热空气带走，砖坯颗粒间距离缩短而产生收缩。在试样的厚方向上形成了不均匀的收缩，这种不均匀的收缩易造成砖胚的翘曲、开裂［5］。由表2还可以看出，当焙烧温度不大于1000℃时，烧成收缩率变化很小，但是当温度超过1000℃后，烧成收缩率就显著增大，这是因为当焙烧温度超过一定值后，砖坯原料开始熔融，液相增多，液相填充坯体空隙和细小裂缝，颗粒相互靠近，致密度进一步增大，收缩随之增大［8］。

2.2保温时间对轻质页岩砖性能的影响

选取外型美观、表面平整且无明显裂缝的页岩砖坯，分为9组，每组10块，保持每组的焙烧温度和升温速率相同，只分别将各组的保温时间控制在0、1、2、3、4、5、6、7、8 h，测得各组轻质页岩砖的抗压强度及吸水率如表3所示。

表3　保温时间对轻质页岩砖抗压强度和吸水率的影响

由表3可以看出，当控制升温速率以及焙烧温度一致的同时，改变轻质页岩砖的保温时间，随着保温时间的增加，页岩砖的单砖抗压强度在开始时不断提高后来又缓慢降低；轻质页岩砖的吸水率随着保温时间的延长不断减小。这是因为没有保温时间或者保温时间很少的时候，页岩砖烧结不充分，形成的液相较少，颗粒与颗粒之间还有许多不规则的空隙存在；当保温时间为2h，页岩砖砖体烧结足够充分，砖坯原料的物理和化学性质发生变化，形成了一定量的熔融物，不断的填充颗粒间的空隙，结成一个整体。坯体原料在未烧制前呈现不均匀多相体性，烧制过程中，试样内部各区域物质反应类型不同，所需要的温度条件不同，速度也不一样，必须在目标温度下保温一定的时间，坯体内物质物理和化学反应才更加完全。这个阶段，晶体增多长大，并不断扩散，固相和液相分布更为均匀。

坯体液相量也增加了，在液相表面张力作用下，未溶解颗粒不断相互靠拢，使砖体的体积收缩，气孔率逐渐下降，密度提高，强度相应的提高。所以，最佳的保温时间能使砖体性能达到最优。但是保温时间延长，砖坯中的晶料熔解，晶料中组成骨架的物质也逐渐熔解，降低结构的致密性，砖的力学性能也逐渐降低，所以，轻质页岩砖的保温时间控制在2h最为合适。

将各组的保温时间控制在0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 h，测得各组轻质页岩砖的干燥收缩率和烧成收缩率如表4所示。

由表4可知，保温时间低于2 h时，轻质页岩砖的烧成收缩率基本不变，当超过2 h时，其烧成收缩率会显著上升。这是因为保温时间低于2 h砖的烧结不充分，超过2 h砖坯会充分烧结形成一种熔融的玻璃液相，玻璃相填充着砖体内空隙和细小裂缝，形成一个整体，所以烧成收缩率值会显著上升［8］。

表4　保温时间对轻质页岩砖的烧成收缩率的影响

3　结论

（1）当焙烧温度在800～1150℃时，随着焙烧温度升高，抗压强度不断提高，吸水率不断降低。

（2）保温时间提高可以使砖坯内物理和化学反应更加充分，形成新的结晶相，显微结构更加合理，使其内部组织结构更加均一，性能也达到最优。但是保温时间太长，会使砖坯内部形成骨架的晶料熔解，使其力学性能降低；因此保温时间以2 h最为合适。

（3）焙烧温度继续升高到一定程度后，原料开始溶解，出现液相，液相逐渐增多，并填充坯体颗粒孔隙与细小裂缝，使胚体颗粒相互靠近，因此，当焙烧温度达到一定值时烧成收缩率会突然升高；所以，在烧制轻质页岩砖的时候，要控制好焙烧温度。

［1］冯启明，崔春龙，周勇辉.利用农业秸杆等废料制作轻质页岩砖的研究［J］.新型建筑材料，2004（1）：25-26.

［2］于漧.页岩烧结砖的优势及发展方向［J］.砖瓦世界，2008（5）：23-24.

［3］黄榜彪，景嘉骅，黄中，等.温度对轻质烧结页岩砖裂缝的影响［J］.新型建筑材料，2011（3）：37-40.

［4］黄榜彪，黎喜强，朱基珍，等.温度对污泥页岩砖基本性能的影响［J］.广西工学院学报，2012（4）：8-12.

［5］余林文，杨长辉，丛钢，等.焙烧温度对烧结加气页岩砖性能的影响［J］.非金属矿，2011（3）：45-47.

［6］过镇海.钢筋混凝土原理［M］.北京：清华大学出版社，2013.

［7］陈永亮，张一敏，陈铁军，等.温度制度对尾矿烧结砖性能及结构的影响［J］.硅酸盐通报，2010（6）：1343-1347.

［8］李家驹.陶瓷工艺学（下册）［M］.北京：中国轻工业出版社，2001.

Influence of temperature on the basic performance of light shale-sintered brick

HUANG Bangbiao1，2，LIU Yang1，HUANG Bingzhang3，LAI Jun1，WU Weifeng1，LU Qiang1，SHENG Qi1，ZHANG Bei1
（1.College of Civil and Architectural Engineering，Guangxi University of Science and Technology，Liuzhou 545006，Guangxi，China；2.College of Optical and Electronic Information，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，Hubei，China；3.College of Civil Engineering and Surveying，University of Portsmouth，Portsmouth po1 2ah，UK）

Light shale-sintered brick is a new wall material，the compressive strength is one of the important indicators，water absorption is a key factor affecting the durability，firing shrinkage rate represents the physical quantity of volume and length contraction during burning process after drying of shale bricks.By controlling the heating rate，sintering temperature and holding time，compressive strength，water absorption and firing shrinkage of low light shale brick were tested，providing some experimental data and theoretical basis for the rational development of lightweight shale brick sintering process.

temperature，light shale brick，performance

TU522.12

A

1001-702X（2015）12-0005-03

广西千亿元产业重大科技攻关项目（桂科攻11107021-3-5，1099058）；广西科技厅项目（桂科攻14126001-4）；广西科技攻关项目（桂科攻12100007）；柳州市科技局项目（2013J010404）

2015-09-23

黄榜彪，男，1964年生，广西桂平人，教授级高级工程师。