轻质烧结页岩砖抗冻性能试验

李 治，黄榜彪，2，罗银霞，朱基珍，赖 骏，廖天权，张 贝

(1.广西科技大学a.土木建筑工程学院;b.外国语学院，广西柳州 545006; 2.华中科技大学光学与电子信息学院，武汉 430074)

轻质烧结页岩砖抗冻性能试验

李 治1a，黄榜彪1a，2，罗银霞1b，朱基珍1a，赖 骏1a，廖天权1a，张 贝1a

(1.广西科技大学a.土木建筑工程学院;b.外国语学院，广西柳州 545006; 2.华中科技大学光学与电子信息学院，武汉 430074)

轻质烧结页岩砖是以页岩为基本原料、锯末为辅料研发的一种新型轻质烧结类墙体材料。分析了辅料锯末的含量分别为20%、25%、30%、35%情况下对轻质烧结页岩砖抗冻性能的影响。试验表明:轻质烧结页岩砖在15、25、35和50冻融循环次数下，质量损失与强度损失均随辅料含量的增加而增加;轻质烧结页岩砖应该随着不同使用地区而改变锯末的掺量从而达到满足抗冻指标的要求。

轻质烧结页岩砖;锯末;冻融循环;质量损失;强度损失

冻融破坏是我国东北、西北以及华北地区建筑物在使用过程中的主要危害之一，在华东、华中以及高山寒冷地区也存在此类危害。砖砌体建筑物广泛分布在以上地区，所以对砖的抗冻性能研究有深远意义。抗冻性能是衡量烧结页岩砖耐久性的主要指标之一。而砖体的抗冻性能除了与初始强度密切相关外，还与砖的表观密度、孔隙率及吸水率有关。砖的表观密度越小，孔隙率与吸水率就越大抗冻性能越差［1］。所以，吸水率是影响砖体抗冻指标的主要因素之一，同时也影响其耐久性，如盐蚀、软化等［2］。本次试验在测试了单砖抗压强度后进行了吸水率测试，为冻融试验结果提供理论支持。本文选择本课题组研发的轻质烧结页岩砖［3］为试验对象，为轻质烧结页岩砖的推广提供相关数据。

1 试验材料以及烧制工艺

1.1 试验材料

1.1.1 页岩 试验所选用的页岩来自广西柳州市砖瓦厂，其中SiO251.30%、Al2O324.26%、Fe2O310.42%、CaO 1.19%、MgO 1.47%，烧失量占10.20%。将页岩研磨、干燥、筛选级配，所筛选的页岩级配见表1。

表1 页岩的颗粒级配Table 1 Particle size distribution of shale

因为经焙烧后砖中有机物被燃烧殆尽，砖体抗压强度是由页岩颗粒所形成的骨架承担，为了使砖体强度提高，要保证页岩有优良的颗粒级配。

1.1.2 有机辅料 轻质烧结页岩砖所使用的有机辅料一般为农业废料以及城市生活中产生的有机易燃垃圾。本试验选用的有机辅料为锯末。将锯末放入干燥箱中烘干，温度设定为75℃，烘干5 h，含水率降低至3%。其级配长度见表2。

长度≥9.5 mm的锯末在焙烧过程中产生较大孔隙，影响砖体强度，所以舍去;长度≤0.075 mm的锯末大部分为灰尘，舍去［4］。

1.2 制作工艺

把页岩粉倒入搅拌机中一边加水一边搅拌，搅拌时间不得低于30 min;将锯末和其他辅助材料按一定比例倒入，搅拌时间不得小于30 min，使其有一定可塑性后，由真空挤压设备挤压，再进行切割。试样规格为240 mm×115 mm×90 mm。试验采用的4种配比见表3。每种配比随机抽取砖坯10块，一共40块。为了测定各砖坯的烧失量，烧制前烘干砖坯，使其含水率低于5%，然后放入实验室进行焙烧［5］。

表2 锯末长度级配Table 2 Length grading of sawdust

表3 轻质烧结页岩砖配合比Table 3 Mix proportion of raw materials for light sintered shale brick wB/%

2 试验部分

2.1 单砖抗压强度对比试验

2.1.1 抗压试件的制作 对在实验室烧制完成的4种不同类型轻质烧结页岩砖，每种选取10块较好的砖体制作成单砖抗压试块，再从中选出质量较好的20块(A、B、C、D各5块)砖体进行抗压强度对比试验。

选用的轻质烧结页岩砖为KP1型(图1)，孔洞率为28%。以下试验均按照《砌墙砖试验方法》(GB/T 2542—2012)进行，试件采用坐浆法操作。2.1.2 试件抗压试验 先测量试块的上下表面尺寸，面积计算精确至0.1 mm2。参考相关研究试验数据［6］，列于表4。

可知，随着锯末比例的增加，烧制出的成品质量下降较为明显，而砖坯质量下降则没那么明显，主要原因是真空压砖机功率小，随着锯末掺量的增加，锯末中的水分能被充分压出，并且随着锯末掺量的增加，砖体烧失量明显上升，虽然强度降低较为明显［7］，但是依旧大于5 MPa。

图1 试验选用的轻质烧结页岩砖Fig.1 Light sintered shale brick of the test

表4 轻质烧结页岩砖试验结果Table 4 Test results of light sintered shale brick

2.2 吸水率试验

每种类型各取5块砖，共取20块砖。首先，清理试件表面，将其置于105℃干燥箱中干燥至恒重，称其干重量为m0;再将试件放置于20℃左右的水中浸泡24 h，用湿毛巾擦干表面水分再称其湿重量为m24，试验数据见表5。

可见，随着锯末掺量的增加，砖体吸水率也随之升高。吸水率升高可以反映出砖体内部孔隙率也随着锯末掺量而升高［8］，孔隙率升高表明砖体表观密度随着锯末掺量的增加而降低。吸水率是影响轻质烧结页岩砖抗冻性能最主要的指标之一，因此，在进行冻融试验前必须进行吸水率试验。

2.3 冻融试验

使用北京数智意隆仪器有限公司生产的立式砖冻融试验箱(JCD－40)进行冻融试验。用经过吸水率试验中测试结束的饱水状态下的砖体(共20块砖)。将20块砖放入预先降温至－15℃的冻融箱内，冷冻3 h后，再融化2 h，冻融试验装置见图2。

表5 轻质烧结页岩砖吸水率Table 5 Water absorption of light sintered shale brick

《墙体材料应用统一技术规范》(GB 50574—2010)中对块体材料抗冻性能的规定见表6。

本次轻质烧结页岩砖冻融循环的步骤次数为15、25、35与50次。每个步骤结束后检查一次破坏情况，并且每种类型的砖块随机抽取1块进行质量与强度的检测。图3～图6为冻融循环后轻质烧结页岩砖破坏情况。

经过15次冻融循环是为测试夏热冬暖地区轻质烧结页岩砖的抗冻性能，4种不同类型的轻质烧结页岩砖都没有出现裂缝或者剥落的情况，外观完整。试验表明，15次的冻融循环对这4类轻质烧结页岩砖没有明显的影响，可以在夏热冬暖地区使用这4类轻质烧结页岩砖。

经过25次冻融循环是为测试夏热冬冷地区轻质烧结页岩砖的抗冻性能，A、B、C三类轻质烧结页岩砖砖体保持完好，没有出现裂缝或者剥落的情况。但是D类轻质烧结页岩砖的砖肋与砖体外表面都出现了小部分的剥落，整个砖体的外观还是较为完整的。

经过35次冻融循环是为测试寒冷地区轻质烧结页岩砖的抗冻性能，A和B类轻质烧结页岩砖表面完整，无裂纹瑕疵剥落等现象;但是C类砖侧被冻裂出现剥落现象且砖的四边上剥落较为严重，表面出现裂缝;D类砖四周表面严重冻裂且出现了缺棱掉角的情况，砖肋部破坏严重，甚至出现整个砖肋剥落的现象。

图2 冻融试验装置Fig.2 Freezing and thawing test apparatus

表6 块体材料抗冻性能Table 6 Frost resistance of block material

图3 经过15次冻融循环后的轻质烧结页岩砖Fig.3 Light sintered shale brick freeze-thaw cycled 15 times

图4 经过25次冻融循环后的轻质烧结页岩砖Fig.4 Light sintered shale brick freeze-thaw cycled 25 times

图5 经过35次冻融循环后的轻质烧结页岩砖Fig.5 Light sintered shale brick freeze-thaw cycled 35 times

图6 经过50次冻融循环后的轻质烧结页岩砖Fig.6 Light sintered shale brick freeze-thaw cycled 50 times

经过50次冻融循环目的是测试严寒地区轻质烧结页岩砖的抗冻性能，A类轻质烧结页岩砖表面完整，没有裂痕或者缺棱掉角等现象;B类轻质烧结页岩砖竖棱的中部被冻裂，并伴随着大量裂缝，砖体表面也有小部分脱落;C类轻质烧结页岩砖的孔洞处由于受冻融的影响大量剥落而变疏松，由矩形孔变成了椭圆形孔，砖体侧表面遍布竖向裂纹，砖体出现缺棱掉角现象;D类轻质烧结页岩砖经过50次冻融循环表面变的疏松，砖肋处已经严重变形。

由表7与表8砖体质量损失、强度损失试验数据可知，A1与B1型轻质烧结页岩砖满足规范对严寒地区的抗冻指标要求，C1型轻质烧结页岩砖满足规范对寒冷地区的抗冻指标要求但不满足严寒地区的抗冻指标要求，D1型轻质烧结页岩砖仅满足规范对夏热冬冷地区的抗冻指标要求。所以，笔者建议轻质烧结页岩砖应该随着不同使用地区而改变锯末的掺量从而达到满足抗冻指标的要求。

表7 轻质烧结页岩砖冻融循环后质量损失Table 7 Weight loss of light sintered shale brick after freezing and thawing cycles

表8 轻质烧结页岩砖冻融循环后强度损失Table 8 Strength loss of light sintered shale brick afterfreezing and thawing cycles

由图7可知，随着冻融次数的增加，轻质烧结页岩砖的强度损失与质量损失呈线性增长。这是由于在饱水转态下的砖体在冰冻条件下孔隙中的水结成冰，体积膨胀11%，孔壁受压力，发生受压破坏，而在周围温度升高的环境下，内部冰融化而发生体积收缩，使轻质烧结页岩砖发生疏松破坏，随着冻融次数不断的增加轻质烧结页岩砖砖体在受压破坏与疏松破坏之间反复循环发生疲劳破坏，使得质量损失与强度损失呈线性增长。

图8表明，初始强度越高，质量损失与强度损失越小，抗冻性能也越好。这是因为当轻质烧结页岩砖所处的环境降到0℃以下时，首先影响的是轻质烧结页岩砖的表面结构，使轻质烧结页岩砖构件从表面开始逐渐发生结冰现象。这种低温环境会逐渐由轻质烧结页岩砖的表面向其内部进行渗透，轻质烧结页岩砖表面的结冰现象逐渐扩大，并且由于相同质量的冰的体积大于水的体积，导致轻质烧结页岩砖在发生结冰时，其内部的水由于冻结成冰而发生体积不断扩张的现象，致使轻质烧结页岩砖内部未结冰的水被压入饱和度较小的内部毛细孔道中。当轻质烧结页岩砖周围环境的温度进一步降低时，轻质烧结页岩砖内部的冰体积也进一步增大，进而轻质烧结页岩砖内部所存在的未结冰的水继续承受压应力，当这些未结冰的水无处再流动时，就会使轻质烧结页岩砖内部的毛细孔道承受越来越大的压应力，而当这种压应力增大到一定时，轻质烧结页岩砖内部的毛细孔就会由于无法承受这种压应力而产生破坏现象，而这将致使轻质烧结页岩砖内部产生大量的微裂缝，从而使整个轻质烧结页岩砖产生破坏现象。由于初始强度越高，轻质烧结页岩砖抵抗这种水压力的能力也越强，其初始强度越高抗冻性能越好。

图7 冻融次数与质量损失率和强度损失率的关系Fig.7 Relationship among the rates ofweight loss，strength loss and the times of freezing and thawing

图8 冻融前初始强度与质量损失率和强度损失率关系Fig.8 Relationship among the rate ofweight loss，strength loss and the times of the initial strength before freezing and thawing

由图9可知，由于轻质烧结页岩砖在制作过程中加入木屑，烧制过程中木屑燃烧，砖体内部产生大量微小孔隙使得砖体表观密度下降，同时木屑掺量越多，表观密度下降的越大，吸水率随之提高［9］。轻质烧结页岩砖吸水率越高，抗冻性能越差。这主要是因为轻质烧结页岩砖内部的毛细孔中的水分子能够在外界环境发生冻融循环时，对轻质烧结页岩砖产生一定的破坏作用，轻质烧结页岩砖内部的孔隙率越大，其砖体内部的含水量也就越高，所以发生冻融循环时，产生的结冰量也就越多，导致轻质烧结页岩砖的抗冻性降低得也就越快。

图9 吸水率与质量损失率和强度损失率的关系Fig.9 Relationship among the rate ofweight loss，strength loss and bibulous rate

3 结论

(1)轻质烧结页岩砖冻融破坏过程中，外观质量呈逐渐下降趋势，主要反映为强度损失与质量损失。在第35次冻融循环结束后D类型砖的强度损失达到27.934 1%，质量损失达到5.734 2%均大于规范要求，所以在寒冷地区与严寒地区不得使用D类型砖。在第50次冻融循环结束后C类型砖的强度损失达到25.734 2%，质量损失达到5.660 4%也均超过严寒地区抗冻指标要求，所以不得在严寒地区使用C类砖。A、B类砖满足抗冻指标，可以在严寒地区使用。建议轻质烧结页岩砖应随不同使用地区而改变锯末掺量从而达到满足抗冻指标的要求。

(2)吸水率随着锯末掺量的增加而升高，单砖抗压强度随着锯末掺量的升高而降低，而轻质烧结页岩砖的抗冻性能随之下降。

［1］梁思江．粉煤灰砖冻融破坏机理与防止办法［J］．粉煤灰综合利用，1996(1):53－54．

［2］梁建国，施楚贤．我国墙体块材标准存在的问题与建议［J］．砖瓦，2007(11):55－58．

［3］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):45－46，52．

［4］黄榜彪，景嘉骅，李青，等．辅料长度级配与轻质烧结页岩砖抗压强度［J］．西安建筑科技大学学报:自然科学版，2012，44 (4):485－488．

［5］黄榜彪，张向华，朱基珍，等．轻质页岩砖坯的初始含水率与产品质量关系的分析［J］．四川建材，2013，39(2):103－105．

［6］景嘉骅．轻质烧结页岩砖的研发及其砌体基本力学性能分析［D］．柳州:广西工学院，2012．

［7］黄榜彪，景嘉骅，黄中，等．轻质烧结页岩砖的纤维抗裂试验分析［J］．四川建筑科学研究，2012，38(3):234－236．

［8］黄榜彪，汪涛，朱基珍，等．有机纤维易燃物对轻质烧结页岩砖性能的影响［J］．新型建筑材料，2012(8):96－99．

［9］洪丽，梁建国，程少辉，等．吸水率对蒸压粉煤灰砖耐水性的影响［J］．砖瓦，2009(2):13－15．

Experiment on the frost resistance of lightweight sintered shale brick

LIZhi1a，HUANG Bang-biao1a，2，LUO Yin-xia1b，ZHU Ji-zhen1a，LAIJun1a，LIAO Tian-quan1a，ZHANG Bei1a
(1.a.College of Civil and Architectural Engineering;b.College of Foreign Studies，Guangxi University of Science and Technology，Liuzhou 545006，China;2.College of Optical and Electronic Information，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China)

Lightweight sintered shale brick is a new kind of lightweight sintered wallmaterial，which is prepared by shale as the basic raw material，and sawdust as auxiliarymaterial．The contentof sawdust on frost resistance of the lightweight sintered shale brick was analyzed．Weight loss and strength loss of obtained light sintered shale brick increased with increasing content of auxiliary materials under the condition of different freeze-thaw cycles．The amount of sawdust in light sintered shale brick should be changed so as tomeet antifreeze performance requirements in different regions．

lightweight sintered shale brick;sawdust;freeze-thaw cycles;weight loss;strength loss

TU522.12

:A

2015－06－10

广西科技厅重点研发计划项目 (桂科AB16380341);柳州市科技局项目 (科技攻关2015J020201);柳州市柳北区科技局项目 (公共安全技术研究与应用20160102)

李 治 (1991—)，男，硕士研究生，研究方向:新型墙体材料，262408582@qq.com。

黄榜彪，教授级高级工程师，752309768@qq.com。

李治，黄榜彪，罗银霞，等．轻质烧结页岩砖抗冻性能试验［J］．桂林理工大学学报，2016，36(4):748－753．

1674－9057(2016)04－0748－06

10.3969/j．issn.1674－9057.2016.04.017