煤矸石對粉煤灰頁巖磚主要性能的影響

田北平, 鐘華, 易兵, 胡庸, 葉建兵

(四川理工學院建筑工程學院, 四川自貢643000)

煤矸石對粉煤灰頁巖磚主要性能的影響

田北平, 鐘華, 易兵, 胡庸, 葉建兵

(四川理工學院建筑工程學院, 四川自貢643000)

隨著社會對資源綜合利用，環境效益的關注度越來越高。資源的循環利用成為建筑行業取得持續發展的動力。探究以煤矸石作為粉煤灰頁巖磚主要造孔劑的各項性能，得出在一定含量下，不僅降低產品的密度，同時使燒結制品的導熱系數大幅度下降，最后獲得保溫效果好、結構穩定、力學性能良好的燒結多孔磚。

粉煤灰頁巖磚;煤矸石含量;導熱系數;肖氏硬度;抗折強度;吸水率

引言

現今，墻體材料的單一化既不能實現節約成本和資源綜合利用的要求，也不能滿足建筑節能65%的強制標準。因此，開發出當代可持續的新型燒結墻體材料，是符合我國走低碳經濟發展的路線[1-2]。煤矸石作為一種工業廢料，對其科學有效地利用，具有重要意義。利用煤矸石自身的可燃物，在粉煤灰頁巖磚中加入煤矸石，可使磚體在燒制過程中均勻受熱，提高磚塊的結構性能，同時在燒結過程當中提供一定的熱能，節約成本，降低能耗[3]。

造孔劑即氣孔形成劑，是輕質隔熱保溫磚及砌塊生產中常用的外加劑[4]。市場現在的造孔劑種類很多，燒結制品主要的造孔劑分為兩大類；一是有機類造孔劑，主要包括鋸屑、聚苯乙烯、秸稈、紙漿、稻殼等；二是無機類造孔劑，主要包括珍珠巖、硅藻土、方解石、浮石、蛭石[5]。但上述材料由于地方取材困難或經濟成本高等原因，違背節能經濟效益。在煤炭掘進、開采和洗煤過程中排出的工業廢料——煤矸石，它的堆放占用成片土地，破壞土質特性導致耕地荒廢。特別是，煤矸石本身的硫化物一旦逸出將會污染空氣、土壤和地下水，嚴重影響當地居民的生活[6]。因此，利用煤矸石可減少對環境的破壞，并且節約能源，減少成本，可降低制品的密度，使燒結產品的導熱系數大幅度下降，提高隔熱性能。所以最終選擇煤矸石作為造孔劑[7-8]。

1 實驗研究

1.1試驗材料

(1) 粉煤灰:主要晶體礦物為石英、氧化鐵、氧化鎂、莫來石、生石灰等。

(2) 頁巖：紅色粉末狀沉積巖，主要礦物組成為石英、長石、水云母、多水高嶺土、白云石等。

(3) 煤矸石：主要礦物組成為高嶺土、伊利石、石英、蒙脫石、長石、方解石、石灰石等。

1.2試驗設計

將粉碎后的粉煤灰、頁巖按4∶6的體積比混合，分別摻入體積百分數為10%、15%、20%、25%左右的煤矸石，經儀器1MZ-100粉碎后的頁巖和煤矸石，通過KM型快速研磨機混入粉煤灰并研磨，待摻入水陳化倆天后，用儀器DY-30壓制成型(190 mm×240 mm×90 mm)。壓制成型后的制品在燒結溫度為1000 ℃的條件下，使用箱式電阻爐焙燒。通過試驗探究煤矸石含量對頁巖保溫磚各性能的影響。

1.3性能檢測原理

1.3.1 肖氏硬度

把質量為2.36 g頂端(半徑為0.25 mm)帶有小粒鉆石的小錘掛在垂直的計測桶里一定高度，在此高度下使小錘自由落體。當小錘撞擊試片時，試片表面會出現很小的壓痕，此時小錘的一部份能量會轉移在試片內，使試片發生形變，而剩下的能量會使小錘反彈到一定高度。肖氏硬度可以通過反彈高度測定。

1.3.2 抗折強度

本實驗使用RGM-50型儀器測試制品的抗折強度。此儀器所用的原理為三點彎曲加載法。把條形試樣橫放于機架上，調整跨度為22 mm，彎曲撓度為0.2倍，速度為2 mm/min，預加張力為20 N，啟動機器，試樣斷裂時得出最大載荷，測出制品厚度與寬度，并代入公式(1)即可獲得制品抗折強度：

(1)

其中，h為試樣高度(m)，b為試樣橫截面寬(m)，P為試樣斷裂時讀到的負荷值(N)，L為支架兩支點間的跨距(m)。

1.3.3 導熱系數

測定導熱系數的方法一般有兩種：一種是穩態法，另一種是動態法。在穩態法中，先在待測制品內部用熱源形成穩定的溫度分布，然后開始測量。在動態法中，待測制品溫度分布是不穩定的。鑒于粉煤灰磚的實際工作狀態，實驗使用穩態法測定制品導熱系數。待溫度分布恒定時，制品的上下表面溫度分別為?1、?2，使用傅立葉傳導方程，得出Δt時間內通過制品的熱量ΔQ滿足：

(2)

式中hB是制品的厚度，λ是制品的導熱系數，S是制品的表面面積。

在實驗當中，測得制品穩態時的上下表面溫度?1、?2后，將制品B抽去，讓散熱盤P與加熱盤C接觸，當散熱盤的溫度升高比穩態時的?2多10 ℃時，移開加熱盤C，待散熱盤冷卻，記錄散熱盤溫度?隨時間t的變化情況，求出散熱盤在溫度為?2時的冷卻速率，則散熱盤P在溫度為?2時的散熱速率為：

(3)

式中c為散熱片比熱容，m為其質量。

由(2)式和(3)式可得：

(4)

因此樣品的導熱系數λ為：

(5)

將實驗所測得的數據代入公式(5)即可計算出樣品導熱系數。

1.3.4 吸水率

試件吸水飽和后增加的重量與試件干重的比值叫做吸水率，操作步驟是先測出試件質量以及體積，然后將試件浸入水中，待其吸水飽和后，稱出此時試件的質量，算出前后質量差，以及其吸附水的質量。由于水的密度已知，可計算出所吸水的體積，通過試件的總體積與所吸的水的體積即可得出其吸水率。

吸水率計算公式：

P=V吸水/V實×100%

(6)

將實驗所得數據代入公式(6)即可算出試件的吸水率。

2 試驗結果及分析

根據試驗結果已知燒結溫度為1000 ℃時保溫磚各項性能表現良好，將頁巖、粉煤灰、煤矸石以6∶4∶1、6∶4∶1.5、6∶4∶2、6∶4∶2.5的體積百分比混合研究煤矸石的含量對頁巖保溫磚各性能的影響。

2.1煤矸石含量對吸水率的影響

由實驗可得吸水率與煤矸石的含量之間的關系，如圖1所示。

圖1 煤矸石的含量對吸水率的影響

由圖1可知，煤矸石的含量越高樣品的吸水率就越大。隨著煤矸石含量的增加，在燒結時，樣品內部煤矸石中的碳與氧氣燃燒(C+O2=CO2,2C+O2=2CO，CO+O2=CO2)產生的氣體就越多，所以導致樣品孔隙率增加，導致樣品吸水率增加。

2.2煤矸石含量對導熱系數影響

通過FD-TC-B導熱系數測定儀器測出煤矸石的含量與導熱系數之間的關系，如圖2所示。

圖2 煤矸石的含量對導熱系數的影響

由圖2可以看出，煤矸石的含量越高，樣品的導熱系數就越低。由于材料吸水率隨煤矸石含量增加而升高，孔隙率增大，而且導熱系數與材料孔隙率成負相關，所以多孔頁巖磚的導熱系數會隨煤矸石含量的升高而降低。

2.3煤矸石含量對肖氏硬度影響

用HS-19DV肖式硬度計測定不同煤矸石含量的燒結磚，每塊試件各測5次取其平均值，記錄數據，即可獲得肖氏硬度與煤矸石的含量之間的關系，如圖3所示。

圖3 煤矸石的含量對肖氏硬度的影響

由圖3可知，煤矸石的含量越高，樣品的肖氏硬度就越大。由于煤矸石中SiO2、Fe2O3、Al2O3的含量比頁巖、粉煤灰多，所以隨著煤矸石含量的增加樣品中SiO2、Fe2O3、Al2O3的含量也隨之增加，肖氏硬度也會越大。

2.4煤矸石含量對抗折強度影響

通過RGM-50微機控制電子萬能試驗機測試含有不同煤矸石的燒結磚的最大荷載，測出試件寬度與高度，可得抗折強度與煤矸石的含量之間的關系，如圖4所示。

圖4 煤矸石的含量對抗折強度的影響

由圖4可以看出，煤矸石的含量越高樣品的抗折強度就越大。因為煤矸石中SiO2、Fe2O3、Al2O3的含量比頁巖、粉煤灰多，所以隨著煤矸石的含量增加樣品中SiO2、Fe2O3、Al2O3的含量也隨著增加，所以樣品抗折強度就越大。

綜上所述，隨著煤矸石含量的增加樣品的抗折強度、肖氏硬度、吸水率都呈上升趨勢，樣品的導熱系數也呈下降趨勢，即保溫效果加強，力學性能良好；但煤矸石含量大于25%時，各項性能有所降低，所以含有25%的煤矸石粉煤磚較為適合保溫磚的制作。并且煤矸石本身是可燃物，具有未開發利用的能量，煤矸石含量的增加可節約能源。所以煤矸石的添加有利于保溫磚的工業持續化發展。

3 結論

分析上述實驗結果可以推出如下結論：

(1) 煤矸石含量是對燒結制品綜合性能起著重要作用，煤矸石的含量逐漸增加制品的肖氏硬度逐漸增強。

(2) 隨著煤矸石的含量增加制品抗折強度不斷升高。

(3) 導熱系數隨著煤矸石含量的增加而逐漸下降。

(4) 隨著煤矸石含量的增加制品吸水率逐漸上升。

(5) 在本實驗條件下，含有25%煤矸石粉煤磚的制品綜合性能最佳，比較適合粉煤灰頁巖磚的制作。

[1] 毛利勝.燒結溫度對粉煤灰頁巖磚主要物理、力學性能影響的實驗研究[J].四川建筑科學研究,2013(4):39-42.

[2] 劉京麗.墻體保溫材料及體系與政策分析[J].新型建筑材料,2013(12):46-51.

[3] 郭艷玲.粉煤灰的性質及綜合利用分析[J].煤,2008,17(1):43,54.

[4] 孫光萍,繆建華.HL節能型建筑外墻保溫水泥砂漿的研制[J].混凝土與水泥制品,2002(6):54-55.

[5] 陳集陽,施恩斌,劉 軍,等.GS聚苯板外保溫系統聚合物砂漿的研制與應用[J].化學建材,2006(1):36-37.[6] 趙亞丁,張寶生,葛 勇.造孔料的選擇與燒結磚微孔坯體性能的關系[J].哈爾濱建筑大學學報,1998,31(2):85-90.

[7] 謝厚禮,彭家惠,鄭 云.成孔劑對燒結頁巖磚性能的影響[J].土木建筑與環境工程, 2012,34(2):149-154.

[8] 黃榜彪,景嘉驊,黃 中,等.輕質燒結頁巖磚的纖維抗裂試驗分析[J].四川建筑科學研究,2012,38(3):234-236.

The Influences of Coal Gangue on the Main Properties of Shale Brick of Fly Ash

TIANBeiping,ZHONGHua,YIBing,HUYong,YEJianbing

(School of Architecture Engineering, Sichuan University of Science & Engineering, Zigong 643000, China)

As the development of the society for the comprehensive utilization of resources, the attention of environmental benefits has been highly increasing. Resource recycling has been the force of sustainable development in the construction industry. This paper explores the various properties of Shale brick of fly ash with coal gangue as a main pore-former. It is concluded that under a certain content, it reduces not only the density of the products but also the coefficient of thermal conductivity of the sintered products drastically. Finally the sintered porous brick with good heat preservation effect, stable structure and good mechanical properties is obtained.

Shale brick of fly ash; content of coal gangue; coefficient of thermal conductivity; Shore hardness; flexural strength; water absorption

2014-03-19

自貢市科技局重點項目(09X01)；四川理工學院科技項目(2009XJKYL002)

田北平(1963-),男,四川自貢人,教授,主要從事結構方面的研究,(E-mail)tianbeiping@126.com

1673-1549(2014)06-0059-04

10.11863/j.suse.2014.06.15

TU55+1.2

A