富含有機(jī)質(zhì)淤泥對(duì)保溫粘土燒結(jié)磚導(dǎo)熱系數(shù)的影響研究

徐 楊，閻長(zhǎng)虹

(1.金陵科技學(xué)院建筑工程學(xué)院，南京 211169；2.南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210023)

0 引 言

燒結(jié)磚是一種古老的建筑材料，因其良好的物理力學(xué)性質(zhì)和使用靈活性等方面的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于各類建筑中。然而，與混凝土相比，燒結(jié)磚密度大，保溫性能差，限制了其在高層建筑中的使用，在建材市場(chǎng)中的份額逐步縮減。因此，為了滿足建筑節(jié)能對(duì)建筑材料的要求，燒結(jié)磚應(yīng)當(dāng)向輕質(zhì)保溫的方向發(fā)展，如何有效降低燒結(jié)磚的導(dǎo)熱系數(shù)成為學(xué)界廣泛關(guān)注的問題。

增加磚體的孔隙率是降低燒結(jié)磚導(dǎo)熱系數(shù)的有效方法之一。為此，常在磚坯中加入一定量的有機(jī)成孔劑，有機(jī)物在燒成過程中燃燒后變成氣體，形成孔隙，同時(shí)產(chǎn)生一定的燃燒熱，可減少燒結(jié)過程的能耗。在工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，麥稈、紙漿殘?jiān)扔袡C(jī)廢棄物隨之產(chǎn)生，傳統(tǒng)的填埋或焚燒等處理方法容易引發(fā)一系列的環(huán)境問題[1]。近年來(lái)，隨著環(huán)保意識(shí)的不斷提高，許多學(xué)者將這些有機(jī)廢棄物作為成孔劑制備多孔保溫?zé)Y(jié)磚[2]，研究成果豐碩。涉及的有機(jī)成孔劑種類較多，包括小麥稈、玉米穗、枯草、稻殼等農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物[3-7]，還涉及煙草、釀酒、造紙等工業(yè)生產(chǎn)所產(chǎn)生的有機(jī)廢棄物[8-9]。研究結(jié)果表明這些有機(jī)廢棄物均能按一定配比與粘土制備出滿足規(guī)范要求的多孔保溫?zé)Y(jié)磚，具有重要的環(huán)境意義。

城市河道淤泥是城市疏浚工程產(chǎn)生的廢棄泥，據(jù)統(tǒng)計(jì)，廣州、南京等城市河道淤泥年均清出量超過100萬(wàn)立方米。常規(guī)的填埋處理方法占用大量土地，且可能引發(fā)環(huán)境污染，不能適應(yīng)城市可持續(xù)發(fā)展的需求。近年來(lái)，一些學(xué)者研究利用淤泥制備燒結(jié)磚的可行性，包括湖泊水庫(kù)淤泥[10-11]和河道淤泥[12-13]等，研究結(jié)果表明淤泥部分替代粘土制備燒結(jié)磚是可行的，但淤泥替代率一般小于50%。城市河道淤泥有機(jī)質(zhì)含量高，土顆粒成分與粘土比較接近，提高淤泥摻量，利用原料中的有機(jī)質(zhì)充當(dāng)成孔劑，制備輕質(zhì)保溫?zé)Y(jié)磚具有重要的環(huán)境意義。

本文以城市河道淤泥為主要原料，替代部分粘土，燒結(jié)制備了輕質(zhì)保溫粘土燒結(jié)磚，重點(diǎn)研究了環(huán)境溫度、燒成溫度、淤泥摻量對(duì)燒結(jié)磚導(dǎo)熱系數(shù)的影響。從燒結(jié)磚礦物成分、孔隙率和孔隙結(jié)構(gòu)特征三方面對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)變化機(jī)理進(jìn)行了初步解釋，并與其它有機(jī)質(zhì)成孔劑進(jìn)行對(duì)比，探討了城市河道淤泥的成孔效果。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原 料

燒結(jié)磚的制備原料為粘土和淤泥，粘土為寧鎮(zhèn)地區(qū)廣泛分布的下蜀土，淤泥取自城市河道，富含有機(jī)質(zhì)，含量達(dá)8.6%。原料化學(xué)成分見表1。粘土礦物成分主要包括石英(SiO2)、鈉長(zhǎng)石(NaAlSi3O8)、赤鐵礦(Fe2O3)和鉀長(zhǎng)石(KAlSi3O8)；淤泥以石英為主要礦物，還包括少量的鈉長(zhǎng)石、硅鋁酸二鈣(2CaO·Al2O3·SiO2)、白云母(KAl2Si3AlO10(OH)2)、高嶺石(Al4(Si4O10)·(OH)8)、赤鐵礦和鉀長(zhǎng)石。原料的熱重差熱分析采用STA449C型綜合熱分析儀，升溫速率為10 ℃·min-1，加熱環(huán)境為空氣，TG-DSC曲線如圖1所示。

表1 原料的主要化學(xué)成分Table 1 Main chemical composition of raw materials /wt%

圖1 原料熱重分析曲線Fig.1 Thermogravimetric analysis curves of raw materials

1.2 樣品制備

為研究城市河道淤泥的成孔效果，分別設(shè)置三種不同比例淤泥添加量，50%淤泥+50%粘土(0.5D+0.5C)，60%淤泥+40%粘土(0.6D+0.4C)，70%淤泥+30%粘土(0.7D+0.3C)。原料粉碎過2 mm篩，按上述比例混合，加水混合使混合料含水率達(dá)20%，陳化24 h。采用液壓千斤頂以20 MPa壓力將混合料壓制在7 cm×7 cm×7 cm的模具內(nèi)。在室溫條件下，磚坯風(fēng)干24 h，去除模具后，繼續(xù)在105 ℃的烘箱烘干24 h。完成干燥后，將試樣在馬弗爐內(nèi)進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，燒成溫度分別為1 000 ℃、1 050 ℃、1 100 ℃，即粘土磚比較常用的燒成溫度[14]，試樣燒結(jié)升溫曲線如圖2所示。樣品編號(hào)為xD+yC+z，x代表淤泥比例，y代表粘土比例，z代表燒成溫度。

圖2 燒結(jié)磚升溫曲線Fig.2 Heating curve of fired brick

圖3 EKO導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試系統(tǒng)Fig.3 EKO thermal conductivity test system

1.3 樣品表征

依據(jù)砌墻磚試驗(yàn)方法(GB/T 2542—2012)[15]，對(duì)燒成品的燒失率、線收縮率、體積密度、吸水率和抗壓強(qiáng)度等指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，采用三個(gè)平行試樣，試驗(yàn)結(jié)果取平均值。樣品的礦物成分采用X射線衍射儀(XRD,Philips X′Pert Pro)進(jìn)行分析。采用掃描電子顯微鏡(SEM,Hitachi S-3400N Ⅱ)對(duì)樣品微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行表征。

采用美國(guó)EKO公司HC-110型導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀對(duì)樣品的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試儀結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括測(cè)試主機(jī)、空氣壓縮機(jī)、電腦和恒溫水浴箱。該儀器基于穩(wěn)態(tài)保護(hù)熱板法原理，導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量范圍0.1～10 W·m-1·℃-1，測(cè)試溫度范圍0～110 ℃，測(cè)試精度±5%。為評(píng)價(jià)不同環(huán)境溫度對(duì)樣品導(dǎo)熱系數(shù)的影響，分別控制上板溫度和下板溫度為10 ℃和0 ℃、20 ℃和10 ℃、30 ℃和20 ℃、40 ℃和30 ℃，以得到樣品平均測(cè)試溫度為5 ℃、15 ℃、25 ℃、35 ℃時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 燒成品物理力學(xué)性能

燒成品物理力學(xué)性質(zhì)如表2所示，其中純粘土燒結(jié)磚C+1050為參照樣。由于淤泥化學(xué)成分中含有更多的K2O、Na2O和CaO等熔融氧化物，淤泥的摻入可能降低磚坯的燒結(jié)溫度，致使試樣在燒成溫度1 100 ℃時(shí)均出現(xiàn)不同程度的過燒現(xiàn)象，樣品發(fā)黑，孔隙結(jié)構(gòu)遭到破壞?？傮w來(lái)看，摻入淤泥后燒成品的物理力學(xué)性質(zhì)均發(fā)生了較大變化，燒成溫度和淤泥摻量對(duì)燒成品性質(zhì)的影響及作用機(jī)理詳見Xu等[16]的研究，本文重點(diǎn)探討環(huán)境溫度、燒成溫度與淤泥摻量對(duì)燒成品導(dǎo)熱系數(shù)的影響。

表2 燒結(jié)磚性能參數(shù)Table 2 Technological characteristics of fired bricks

2.2 環(huán)境溫度對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響

圖4 燒結(jié)磚導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的關(guān)系Fig.4 Relationship between thermal conductivity and temperature of fired bricks

圖4為燒結(jié)磚導(dǎo)熱系數(shù)與環(huán)境溫度的關(guān)系。整體來(lái)看，燒結(jié)磚導(dǎo)熱系數(shù)隨環(huán)境溫度升高而增大。為評(píng)價(jià)導(dǎo)熱系數(shù)在不同溫度區(qū)間的變化規(guī)律，引入導(dǎo)熱系數(shù)變化速率η的概念，η為T-λ曲線的斜率。

(1)

式中：η為導(dǎo)熱系數(shù)變化速率;T為環(huán)境溫度;λ1為試樣T1溫度時(shí)導(dǎo)熱系數(shù);λ2為試樣T2溫度時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)。

表3為不同溫度區(qū)間導(dǎo)熱系數(shù)變化速率。燒結(jié)磚導(dǎo)熱系數(shù)變化速率隨溫度上升而逐漸增大，如0.5D+0.5C+1050試樣，從5～15 ℃的2.661×10-3℃-1增加到25～35 ℃的4.583×10-3℃-1。然而，在同一溫度區(qū)間，試樣的結(jié)構(gòu)差異對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)變化率的影響較小，如15～25 ℃區(qū)間范圍內(nèi)，導(dǎo)熱系數(shù)變化率分布在(3.129～3.824)×10-3℃-1，變化幅度較小。據(jù)多孔介質(zhì)傳熱理論[17]，顆粒直徑小于4～6 mm的多孔介質(zhì)，氣體對(duì)流傳熱貢獻(xiàn)可忽略，以固體顆粒熱傳導(dǎo)為主。因此，隨著溫度上升，微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)活躍度增加，燒結(jié)磚導(dǎo)熱系數(shù)增加。在測(cè)試溫度區(qū)間內(nèi)，導(dǎo)熱系數(shù)變化速率僅在10-3數(shù)量級(jí)，由于溫度對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響較小，以25 ℃的測(cè)試結(jié)果為例進(jìn)行分析。

表3 T-λ曲線不同溫度段斜率Table 3 Slopes of various temperature ranges of T-λ

2.3 燒成溫度對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響

圖5為導(dǎo)熱系數(shù)隨燒成溫度的變化規(guī)律。由圖5可知，隨燒成溫度升高，粘土磚導(dǎo)熱系數(shù)逐漸增大，而淤泥粘土磚的導(dǎo)熱系數(shù)則先增加后減小，這是由原料化學(xué)成分的差異所致，淤泥中K2O等助熔氧化物含量更高，摻入淤泥將降低淤泥粘土磚的燒結(jié)溫度。當(dāng)在1 100 ℃燒成溫度時(shí)淤泥粘土磚均發(fā)生過燒現(xiàn)象，孔隙結(jié)構(gòu)破壞，導(dǎo)熱系數(shù)減小。而粘土磚隨著燒成溫度升高，磚坯發(fā)生收縮致密化，致使粘土磚的導(dǎo)熱系數(shù)繼續(xù)增大。

為進(jìn)一步探討燒成溫度對(duì)燒結(jié)磚導(dǎo)熱系數(shù)的影響機(jī)理，主要從燒結(jié)磚的礦物成分、孔隙率和微觀結(jié)構(gòu)隨燒成溫度的變化進(jìn)行分析。

對(duì)于多孔介質(zhì)，固相顆粒導(dǎo)熱系數(shù)越大，材料導(dǎo)熱系數(shù)也隨之增加。圖6為不同燒成溫度下燒結(jié)磚的XRD譜，可見石英、鈣長(zhǎng)石、赤鐵礦和斜長(zhǎng)石等礦物衍射波峰，且衍射強(qiáng)度基本一致，說明燒結(jié)磚礦物成分在1 000～1 100 ℃范圍內(nèi)沒有明顯變化，對(duì)燒結(jié)磚的導(dǎo)熱系數(shù)影響較小。但必須指出，燒成溫度是礦物熔融再結(jié)晶的重要驅(qū)動(dòng)力，在不同溫度區(qū)間對(duì)礦物成分影響的差異較大，如方解石在低于800 ℃時(shí)不會(huì)大量分解，當(dāng)溫度超過800 ℃時(shí)，開始大量分解，形成熔融液相，冷卻時(shí)可生成鈣長(zhǎng)石等礦物。

圖5 燒成溫度對(duì)燒結(jié)磚導(dǎo)熱系數(shù)的影響Fig.5 Effect of firing temperature on thermal conductivity of fired bricks

圖6 不同燒成溫度下燒結(jié)磚的礦物成分Fig.6 Mineral composition of fired bricks at different firing temperatures

孔隙率是多孔介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)的重要影響因素。在正常燒結(jié)溫度范圍內(nèi)(1 000～1 050 ℃)，隨著燒成溫度的升高，試樣產(chǎn)生的熔融液相增加，填充孔隙，發(fā)生收縮致密化，顆粒間距縮小，致使燒結(jié)磚的吸水率從19.93%～25.97%降低到16.68%～21.53%，體積密度從1.42～1.35 g·cm-3增加到1.45～1.40 g·cm-3。這說明隨著燒結(jié)溫度的升高，燒結(jié)磚的總孔隙率和開口孔隙率均有所減小。一方面，總孔隙率減小必然增大導(dǎo)熱系數(shù)；另一方面，在部分開口孔隙轉(zhuǎn)變?yōu)榉忾]孔隙的過程中，發(fā)生收縮致密化，會(huì)提升顆粒間接觸緊密程度，減小接觸熱阻，促使導(dǎo)熱系數(shù)增大。因此，在溫度升高的初期淤泥粘土磚導(dǎo)熱系數(shù)隨燒成溫度的升高先增大。然而，當(dāng)燒成溫度進(jìn)一步升高時(shí)，燒結(jié)磚發(fā)生過燒，孔隙結(jié)構(gòu)遭到破壞，孔隙率顯著增大，使得導(dǎo)熱系數(shù)迅速減小。

通過掃描電子顯微鏡試驗(yàn)(SEM)獲取燒結(jié)磚微觀結(jié)構(gòu)特征，圖7(a)～(f)為淤泥摻量50%的燒結(jié)磚在不同燒成溫度下的SEM照片。由圖(a)和(b)可知，由于淤泥含有的有機(jī)質(zhì)在燒結(jié)過程中產(chǎn)生了大量的孔隙，燒結(jié)磚內(nèi)部存在分布不均的大孔隙，部分粒間膠結(jié)不夠緊密，試樣均一性較差，說明在1 000 ℃的燒成溫度下，顆粒的熔融再結(jié)晶作用對(duì)粒間空隙的填充和顆粒間的膠結(jié)連接還不夠充分，這可能降低燒結(jié)磚的強(qiáng)度。當(dāng)燒成溫度增加到1 050 ℃時(shí)，燒結(jié)磚孔隙結(jié)構(gòu)特征明顯改善，粒間連接更加緊密，平均孔徑減小，均一性提高，燒結(jié)磚強(qiáng)度等性能指標(biāo)提升，但同時(shí)絕熱性能降低。從圖(e)和(f)中可以發(fā)現(xiàn)大量的坑洞，說明燒成溫度進(jìn)一步升高時(shí)，燒結(jié)磚出現(xiàn)過燒現(xiàn)象。從SEM照片中得到的微觀結(jié)構(gòu)特征與吸水率和體積密度等宏觀性能指標(biāo)所反映的結(jié)論是一致的。

2.4 淤泥摻量對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響

圖8為淤泥摻量對(duì)燒結(jié)磚導(dǎo)熱系數(shù)的影響。在不同燒成溫度下，隨淤泥摻量增加燒結(jié)磚導(dǎo)熱系數(shù)顯著降低，1 100 ℃曲線的下降速率大于1 000 ℃和1 050 ℃曲線，摻入50%淤泥時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)下降38.4%～52.7%。城市河道淤泥中含有大量有機(jī)質(zhì)，隨著淤泥摻量的增加，原料中有機(jī)質(zhì)含量逐漸增加，在燒結(jié)過程中具有成孔作用，致使燒結(jié)磚孔隙率增加。圖9為導(dǎo)熱系數(shù)、抗壓強(qiáng)度與體積密度的關(guān)系，體積密度是反映燒結(jié)磚總孔隙率的重要指標(biāo)，隨著體積密度減小，磚體孔隙率降低，導(dǎo)熱系數(shù)呈線性下降，同時(shí)抗壓強(qiáng)度呈非線性下降，Eliche等[9]認(rèn)為這是微孔磚在強(qiáng)度和保溫性能之間不可避免的矛盾。因此，制備輕質(zhì)保溫磚需協(xié)調(diào)導(dǎo)熱系數(shù)和抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系。

不同淤泥摻量燒結(jié)磚的SEM照片如圖7(c)、(d)和(g)、(h)所示。當(dāng)淤泥摻量從50%增加到70%時(shí)，燒結(jié)磚微觀結(jié)構(gòu)均一性下降，平均孔徑增加，且大孔洞明顯增多，部分顆粒間膠結(jié)緊密程度下降。顯然，這對(duì)燒結(jié)磚強(qiáng)度等性能指標(biāo)產(chǎn)生不利影響，0.7D+0.3C+1050的抗壓強(qiáng)度僅為8.31 MPa，不能滿足我國(guó)規(guī)范對(duì)MU10優(yōu)質(zhì)燒結(jié)磚的強(qiáng)度要求。從表2可知，淤泥摻量50%，燒成溫度1 050 ℃，燒結(jié)磚的各項(xiàng)性能參數(shù)均能夠滿足我國(guó)規(guī)范對(duì)優(yōu)質(zhì)燒結(jié)普通磚的要求[18]，且導(dǎo)熱系數(shù)下降約41.5%。

圖8 淤泥摻量對(duì)燒結(jié)磚導(dǎo)熱系數(shù)的影響Fig.8 Effect of sediments content on thermal conductivity of fired bricks

圖9 導(dǎo)熱系數(shù)、抗壓強(qiáng)度與體積密度的關(guān)系Fig.9 Relationship between thermal conductivity, compressive strength and bulk density

2.5 輕質(zhì)保溫磚對(duì)比分析

一些學(xué)者研究了摻入不同種類有機(jī)廢棄物制備的輕質(zhì)保溫磚，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。有機(jī)質(zhì)廢棄物摻量是影響燒結(jié)磚性能的重要參數(shù)，表中選取的摻量為燒結(jié)磚各項(xiàng)參數(shù)滿足規(guī)范要求時(shí)的最大摻量。有機(jī)廢棄物涉及麥稈、稻殼、造紙殘?jiān)?，種類多樣。摻入有機(jī)廢棄物后，燒結(jié)磚的密度、抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)均降低。為平衡保溫性能和其他性能的關(guān)系，有機(jī)廢棄物摻量一般都低于20%，而本文采用的城市河道淤泥摻量達(dá)到50%，導(dǎo)熱系數(shù)從0.820 W·m-1·℃-1降低到0.480 W·m-1·℃-1，下降41.46%，與一般有機(jī)成孔劑相比，具有較好的成孔效果。

表4 不同有機(jī)廢棄物-粘土燒結(jié)磚性質(zhì)對(duì)比[3-9]Table 4 Comparison of properties of different organic waste fired clay bricks[3-9]

3 結(jié) 論

(1)由于固體顆粒導(dǎo)熱系數(shù)隨環(huán)境溫度的升高而增大，燒結(jié)磚導(dǎo)熱系數(shù)也隨環(huán)境溫度升高而增大，但變化較小，其變化速率在10-3數(shù)量級(jí)。

(2)在1 000～1 100 ℃范圍內(nèi)，燒成溫度主要影響燒結(jié)磚孔隙率和孔隙結(jié)構(gòu)特征，隨著燒成溫度的升高，淤泥粘土磚導(dǎo)熱系數(shù)先增加后減小。

(3)隨著淤泥摻量逐漸增加，原料有機(jī)質(zhì)含量增大，成孔作用逐漸增強(qiáng)，燒結(jié)磚密度、導(dǎo)熱系數(shù)和抗壓強(qiáng)度均有所降低，制備輕質(zhì)保溫磚需協(xié)調(diào)燒結(jié)磚的保溫性能與強(qiáng)度性能。

(4)城市河道淤泥有機(jī)質(zhì)含量高，與一般有機(jī)成孔劑相比，摻入50%淤泥具有較好的成孔效果，燒結(jié)磚的導(dǎo)熱系數(shù)從0.820 W·m-1·℃-1降低到0.480 W·m-1·℃-1，降低約41.5%，且其他指標(biāo)均能滿足我國(guó)規(guī)范對(duì)優(yōu)質(zhì)燒結(jié)普通磚的要求，表明以城市河道淤泥為主要原料制備輕質(zhì)保溫磚是可行的。