造纸白泥制备混凝土小型空心砌块试验研究

2023-01-03贺盛黄发基黎祖光李俞锡于鹏

新型建筑材料 2022年12期

贺盛，黄发基，黎祖光，李俞锡，于鹏

（1.广西大学土木建筑工程学院工程防灾与结构安全教育部重点实验室广西防灾减灾与工程安全重点实验室，广西南宁 530004；2.广西博世科环保科技股份有限公司，广西南宁 530007）

0 前言

造纸白泥是一种产生于制浆流程中苛化工段的工业固体废弃物。2021年全国纸浆生产总量达8177万t，其中非木浆产量554万t[1]，纸浆工业中每生产1 t纸浆所形成的绿液可产生0.5～0.65 t白泥[2]，造纸白泥每年以接近360万t的速度逐渐累积。过去处理造纸白泥的主要方式为填埋处理或露天堆积，粗放式的处置导致了土地资源浪费严重。而且造纸白泥主要由碳酸钙和残留的碱金属离子（如K+、Na+和Mg2+）组成[3]，造纸白泥经雨水冲刷会产生高浓度碱性渗滤液[4]，滤液入渗地表水、地下水以及江湖水后将对水土造成污染，因此造纸白泥产生的二次污染问题已成为亟待解决的生态环境问题之一[5-6]。造纸白泥的减量化、稳定化、资源化处理迫在眉睫[7]。

2020年，《中华人民共和国固体废物污染环境防治法》的实施对产生固体废弃物的单位进行严格监管[8]，造纸工业迫切需要找到一种高效处理白泥的方法。由于固体废弃物与建筑材料的体量均属百亿吨级别，所以将固体废弃物消纳于建筑材料制备过程，实现固废资源化利用已成为当下众多学者研究的重要方向[9]。杨雷铭等[10]研究了造纸白泥掺量对白泥烧结页岩砖抗冻性能的影响，发现随白泥掺量增加，烧结页岩砖的抗压强度呈先增大后减小的趋势，造纸白泥掺量为10%时，抗压强度最高，抗冻能力较好。冯乃谦[11]利用白泥替代部分石灰膏、粉煤灰制备建筑砂浆，结果表明，白泥砂浆的抗冻性符合JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》要求，抗碳化和干缩性均优于石灰砂浆。上述研究中关于造纸白泥作用机制的分析相对较少，仍需深入研究造纸白泥对胶凝体系力学性能及耐久性能的影响。

为满足城乡建设中建筑材料向绿色低碳发展的需求，混凝土小型空心砌块（混凝土砌块）因其具有节约能源和灵活多变等优点得到了迅速发展[12]。目前混凝土砌块原材料仍以传统硅酸盐水泥为主，而每生产1 t普通硅酸盐熟料将产生810 kg的CO2，水泥工业的碳排放约占全球人为排放CO2总量的5%[13]。本研究使用造纸白泥替代部分水泥制备混凝土小型空心砌块（造纸白泥砌块），研究其力学性能及耐久性能的变化规律，阐述造纸白泥对砌块性能的影响机理，旨在探索出一条高效节能、绿色环保的造纸白泥建材资源化途径。

1 试验

1.1 原材料

造纸白泥：广西凤糖鹿寨纸业有限公司，含水率为41%，pH值为12～13；水泥：P·O42.5水泥，安徽海螺水泥股份有限公司，符合GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》的要求；原材料的主要化学成分见表1。细骨料：广西南宁市云桥建材责任有限公司，中砂，细度模数为2.57；粗骨料：广西南宁市云桥建材责任有限公司，粒径5～20 mm，碎石。骨料的性能指标见表2。

表1 原材料的主要化学成分 %

表2 骨料的性能指标

造纸白泥的XRD图谱和SEM照片分别见图1、图2。

图1 造纸白泥的XRD图谱

从图1分析可知，造纸白泥的主要化学成分为CaCO3，属于典型的钙质材料，当其作为惰性掺和料填充入混凝土砌块的孔隙中，可作为胶凝体系内钙离子的补充来源，因此胶凝体系内的造纸白泥含量对混凝土砌块的性能具有直接影响。

图2 造纸白泥的SEM照片

1.2 砌块制备

为满足工业化生产需要，试验制备的混凝土砌块尺寸按GB/T 8239—2014《普通混凝土小型砌块》设计为390 mm×190 mm×190 mm，外壁厚30 mm，肋厚30 mm，单排方形孔，空心率为52.6%。首先，将白泥放入DHG-9460B电热恒温鼓风干燥箱内烘干，并将干燥白泥置于XQM-4型立式行星球磨机内机械破碎60 s，经过预处理实现造纸白泥晶体团的分离，图3显示了造纸白泥研磨前后的表观形貌变化。将天然碎石骨料和天然砂放入单卧轴式搅拌机干拌90 s，然后按不同配合比加入造纸白泥与普通硅酸盐水泥再次干拌90 s，倒入自来水搅拌180 s制成混凝土原料，最后将原料投入砌块成型机压制形成混凝土砌块。

图3 研磨前后造纸白泥的表观形貌对比

试验配合比依据JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》确定，并将造纸白泥砌块分别编号为A0，A2.5，A5，A7.5，A10，用以表示造纸白泥替代硅酸盐水泥的质量百分比，水灰比为0.4，砂率为44%，其它材料比例如表3所示。

表3 造纸白泥砌块配合比 kg/m3

1.3 试验方法

（1）抗压强度：试件尺寸为390 mm×190 mm×190 mm，测试龄期为3 d和28 d，各组以5个试件试验结果的算术平均值作为混凝土抗压强度测量值，数值精确至0.1 MPa。

（2）吸水率、含水率和干密度：测试龄期为28 d，每组试件数为3，按GB/T 8239—2014进行测试。

（3）碳化与抗冻试验：选用力学性能相对较好的A0、A5、A10进行碳化和冻融试验，掺造纸白泥砌块的碳化与冻融试验参照GB/T 4111—2013《混凝土砌块和砖试验方法》的规定进行测试。

2 材料性能试验

2.1 抗压强度

不同造纸白泥掺量（内掺）砌块的3 d和28 d抗压强度如图4所示。

从图4可以看出：随着造纸白泥掺量的增加，混凝土砌块的3 d抗压强度呈先提高后降低的趋势，当白泥掺量为5%时，3 d龄期的A5试件抗压强度达到最大；随混凝土砌块中造纸白泥掺量增加，砌块的28 d抗压强度也呈先提高后降低，当白泥掺量为2.5%时，28 d抗压强度达到最大。其中A0、A2.5、A5组砌块的28 d抗压强度达到了GB/T 8239—2014中强度等级MU10的要求，A7.5、A10抗压强度则达到MU7.5的水平，试验组均满足承重砌块的抗压强度要求。

使用低剂量的多层CT胸部检查能够给肋骨骨折患者提供更多的选择,低剂量CT的准确率是95.52%,常规剂量CT的准确率是97.89%,两组准确率不存在统计学差异性(P>0.05),低剂量组的加权指数平均(9.15±4.6)m Gy,常规剂量组的加权指数平均(16.52±8.9)m Gy,结果具有统计学差异性(P<0.05)。

图4 造纸白泥掺量对砌块抗压强度的影响

造纸白泥掺量到达临界值后，混凝土砌块的抗压强度出现明显下降。当白泥替代量达10%时，砌块的28 d抗压强度从最高的12 MPa降低到了8.6 MPa，仅为对照组强度的75.4%。A2.5组在不同龄期下抗压强度均高于对照组，其中3 d、28 d的抗压强度分别高于对照组12.8%和5.2%，所以造纸白泥替代部分水泥能提高混凝土砌块的抗压强度。

掺造纸白泥砌块抗压强度呈现出先提高后降低的规律，因为造纸白泥作为一种惰性掺和料掺入到胶凝体系中，填充效应使得砌块更为密实，进而提高造纸白泥砌块的抗压强度。水化初期，造纸白泥虽不直接参与水化反应，但白泥颗粒的成核效应能够提升早期水化反应的速率，有利于提高砌块的早期强度。但当造纸白泥掺量大于临界值后，白泥会在水泥浆体中出现团聚，阻碍水化进行，导致造纸白泥砌块抗压强度降低。

2.2 吸水率试验

不同白泥掺量的造纸白泥砌块的吸水率、含水率与干密度见表4。

表4 造纸白泥掺量对砌块的吸水率、含水率与干密度的影响

由表4可知，5组造纸白泥砌块的吸水率均低于4%，符合GB/T 8239—2014中L类砌块（承重结构用砌块）吸水率不高于10%的要求。随着造纸白泥掺量增加，砌块的含水率、干密度逐渐提高。当白泥替代率较低时，白泥颗粒可在水泥浆体中均匀分散，填充于砌块孔隙中，优化水泥基材料的孔隙结构，减少渗水通道，吸水率降低。当白泥替代率过大，团聚的白泥包覆在水泥颗粒表面，对水泥水化反应的进行起到抑制作用，导致内部结构的孔隙率增大，因而砌块的吸水率、含水率增加。另一方面，造纸白泥的掺入增加了胶凝体系中固体的总体表面积，有利于提升造纸白泥砌块的保水性能。干密度测试结果表明，造纸白泥掺量与砌块密度呈正比关系，说明白泥的掺入有助于加强砌块密实性。

2.3 碳化试验

将养护28 d的砌块放入碳化箱中，碳化7 d后，随机抽取各组碳化情况相同的一个块材从端部敲开，深度不小于20 mm，用质量浓度1%~2%的酚酞乙醇溶液检查碳化深度，砌块完全碳化后结束碳化试验，测出各组其余完全碳化砌块的抗压强度平均值，各试验组的碳化系数如表5所示。

表5 造纸白泥掺量对砌块碳化系数的影响

造纸白泥掺量为5%时，碳化后造纸白泥砌块抗压强度降幅低于对照组，表明适当的白泥掺量可提升造纸白泥砌块抗碳化性能。当白泥掺量达到10%时，A10组的碳化系数仍大于0.85，符合GB/T 8239—2014的要求。随造纸白泥掺量的增加，造纸白泥砌块碳化系数出现先增大后减小的规律，表明造纸白泥的掺入改善了A5的孔隙结构，延缓了造纸白泥砌块的碳化反应进程，进而减少碳化对造纸白泥砌块强度带来的损失，在一定程度上改善了水泥基材料的抗碳化性能。而当白泥掺量增加时，基体内团聚的白泥会导致造纸白泥砌块内部孔隙增加，CO2通道增多，加速了碳化反应进程，导致碳化后的造纸白泥砌块强度进一步降低。

2.4 抗冻试验

造纸白泥砌块经历15次冻融循环后质量损失率与强度损失率见表6所示。

表6 造纸白泥掺量对砌块抗冻性的影响

由表6可以看出，经15次冻融循环后，造纸白泥砌块质量损失率随着白泥掺量的增加而增大，强度损失率也呈现出同样的规律。依据GB/T 8239—2014，在夏热冬暖地区，混凝土砌块的抗冻指标为D15，要求质量损失率平均值≤5%，强度损失率平均值≤20%。从表6可见，掺入造纸白泥的A5、A10试验组抗冻性均符合规范要求。在相同冻融循环次数下，造纸白泥砌块的质量损失率与强度损失率均随白泥掺量增大而增大，这可能是由于单位体积水泥基材料内水化产物含量降低，骨料间的粘结强度随之降低，整体的抗冻融能力降低。在水泥基材料冻融循环时，混凝土砌块的抗冻性能与孔隙水结冰产生的膨胀应力有关。造纸白泥掺量的增多会提高造纸白泥砌块的吸水率与含水率，导致粗骨料与水泥石界面过渡区的局部水灰比增加，出现局部强度降低，导致造纸白泥砌块抗冻性能下降。

3 试验结果分析

3.1 造纸白泥砌块作用机制

适量掺入造纸白泥对混凝土砌块力学性能及耐久性能是有益的。造纸白泥的粒径主要集中在1～100μm之间，它的掺入可改善细粒径区混凝土砌块级配，减少骨料之间的摩擦，提升浆体流动性能。造纸白泥作为一种惰性掺和料填充在砂子之间的空隙中，填充效应下能够形成更致密的水泥石结构和界面结构，降低水泥基材料的孔隙率，防止渗透通路的形成。并且粒径小于10μm的白泥颗粒能够充当水泥基材料的反应晶核，通过微晶核效应促进水化产物的生成和沉淀，提高混凝土砌块力学性能[14]。

由于造纸白泥的活性较低，参与反应的比例较少，造纸白泥取代水泥将会减少水泥基材料的含量，从而减少单位体积水泥基材料的水化产物[15]，造纸白泥产生了稀释效应。造纸白泥的掺入稀释了水泥熟料，使得体系内粗颗粒相对偏少，造成颗粒级配分布不合理，骨架作用因此受到削弱，混凝土的工作性能下降。

3.2 造纸白泥砌块受压破坏规律

本试验通过观察记录28 d养护龄期下造纸白泥砌块受压时的形变特征研究其受压破坏的规律，不同造纸白泥掺量砌块的破坏形态如图5所示。

图5 造纸白泥砌块破坏形态对比

从图5可以看出，单轴受压下A0与A10的破坏形态存在差异，A0在单轴受压过程中产生了垂直贯通缝，且裂缝扩展速度更快，砌块表层砂浆剥落较少，表现出脆性破坏；A10的裂缝从砌块底部的四角斜向发展至砌块中部，聚集后总体呈现“X”形，砌块为锥形破坏。造纸白泥砌块破坏后整体变形更大，表明造纸白泥的掺入一定程度上增强了砌块延性。但造纸白泥砌块表面出现较明显的砂浆剥落的现象，这可能是由于团聚的造纸白泥在混凝土砂浆中分布不均，阻碍了水化进程，导致砂浆中存在一定量未被水化的水泥颗粒与细小孔隙，孔隙在受力过程中，逐渐发展，形成裂缝后暴露出了胶结性能较差的部位，致使砌块在受压破坏后出现砂浆剥落现象。

3.3 造纸白泥砌块成本分析

从试验结果看出，当造纸白泥砌块白泥掺量不大于10%时，其碳化系数与强度损失率均满足使用要求。当白泥替代量达10%时，造纸白泥砌块仍能达到GB/T 8239—2014规定的MU7.5产品的承重要求。现对造纸白泥砌块的生产成本进行估算：造纸白泥砌块的体积密度按1100 kg/m3计算，胶凝材料用量为362.5 kg/m3，单价0.402元/kg，当造纸白泥掺量为10%时，造纸白泥砌块的主要原材料成本=1100×33%×0.402×（1-10%）=131.33元/m3。在水泥价格逐渐升高的趋势下，利用废弃的造纸白泥替代部分水泥生产造纸白泥砌块，可减轻造纸企业的环境负担，同时通过降低水泥使用量间接减少CO2排放量，促进墙体材料向绿色低碳方向发展。