賀盛，黃發(fā)基，黎祖光，李俞錫，于鵬

（1.廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院 工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點實驗室 廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點實驗室，廣西 南寧 530004；2.廣西博世科環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，廣西 南寧 530007）

0 前言

造紙白泥是一種產(chǎn)生于制漿流程中苛化工段的工業(yè)固體廢棄物。2021年全國紙漿生產(chǎn)總量達(dá)8177萬t，其中非木漿產(chǎn)量554萬t[1]，紙漿工業(yè)中每生產(chǎn)1 t紙漿所形成的綠液可產(chǎn)生0.5～0.65 t白泥[2]，造紙白泥每年以接近360萬t的速度逐漸累積。過去處理造紙白泥的主要方式為填埋處理或露天堆積，粗放式的處置導(dǎo)致了土地資源浪費嚴(yán)重。而且造紙白泥主要由碳酸鈣和殘留的堿金屬離子（如K+、Na+和Mg2+）組成[3]，造紙白泥經(jīng)雨水沖刷會產(chǎn)生高濃度堿性滲濾液[4]，濾液入滲地表水、地下水以及江湖水后將對水土造成污染，因此造紙白泥產(chǎn)生的二次污染問題已成為亟待解決的生態(tài)環(huán)境問題之一[5-6]。造紙白泥的減量化、穩(wěn)定化、資源化處理迫在眉睫[7]。

2020年，《中華人民共和國固體廢物污染環(huán)境防治法》的實施對產(chǎn)生固體廢棄物的單位進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)管[8]，造紙工業(yè)迫切需要找到一種高效處理白泥的方法。由于固體廢棄物與建筑材料的體量均屬百億噸級別，所以將固體廢棄物消納于建筑材料制備過程，實現(xiàn)固廢資源化利用已成為當(dāng)下眾多學(xué)者研究的重要方向[9]。楊雷銘等[10]研究了造紙白泥摻量對白泥燒結(jié)頁巖磚抗凍性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨白泥摻量增加，燒結(jié)頁巖磚的抗壓強(qiáng)度呈先增大后減小的趨勢，造紙白泥摻量為10%時，抗壓強(qiáng)度最高，抗凍能力較好。馮乃謙[11]利用白泥替代部分石灰膏、粉煤灰制備建筑砂漿，結(jié)果表明，白泥砂漿的抗凍性符合JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》要求，抗碳化和干縮性均優(yōu)于石灰砂漿。上述研究中關(guān)于造紙白泥作用機(jī)制的分析相對較少，仍需深入研究造紙白泥對膠凝體系力學(xué)性能及耐久性能的影響。

為滿足城鄉(xiāng)建設(shè)中建筑材料向綠色低碳發(fā)展的需求，混凝土小型空心砌塊（混凝土砌塊）因其具有節(jié)約能源和靈活多變等優(yōu)點得到了迅速發(fā)展[12]。目前混凝土砌塊原材料仍以傳統(tǒng)硅酸鹽水泥為主，而每生產(chǎn)1 t普通硅酸鹽熟料將產(chǎn)生810 kg的CO2，水泥工業(yè)的碳排放約占全球人為排放CO2總量的5%[13]。本研究使用造紙白泥替代部分水泥制備混凝土小型空心砌塊（造紙白泥砌塊），研究其力學(xué)性能及耐久性能的變化規(guī)律，闡述造紙白泥對砌塊性能的影響機(jī)理，旨在探索出一條高效節(jié)能、綠色環(huán)保的造紙白泥建材資源化途徑。

1 試驗

1.1 原材料

造紙白泥：廣西鳳糖鹿寨紙業(yè)有限公司，含水率為41%，pH值為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《通用硅酸鹽水泥》的要求；原材料的主要化學(xué)成分見表1。細(xì)骨料：廣西南寧市云橋建材責(zé)任有限公司，中砂，細(xì)度模數(shù)為2.57；粗骨料：廣西南寧市云橋建材責(zé)任有限公司，粒徑5～20 mm，碎石。骨料的性能指標(biāo)見表2。

表1 原材料的主要化學(xué)成分 %

表2 骨料的性能指標(biāo)

造紙白泥的XRD圖譜和SEM照片分別見圖1、圖2。

圖1 造紙白泥的XRD圖譜

從圖1分析可知，造紙白泥的主要化學(xué)成分為CaCO3，屬于典型的鈣質(zhì)材料，當(dāng)其作為惰性摻和料填充入混凝土砌塊的孔隙中，可作為膠凝體系內(nèi)鈣離子的補(bǔ)充來源，因此膠凝體系內(nèi)的造紙白泥含量對混凝土砌塊的性能具有直接影響。

圖2 造紙白泥的SEM照片

1.2 砌塊制備

為滿足工業(yè)化生產(chǎn)需要，試驗制備的混凝土砌塊尺寸按GB/T 8239—2014《普通混凝土小型砌塊》設(shè)計為390 mm×190 mm×190 mm，外壁厚30 mm，肋厚30 mm，單排方形孔，空心率為52.6%。首先，將白泥放入DHG-9460B電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)烘干，并將干燥白泥置于XQM-4型立式行星球磨機(jī)內(nèi)機(jī)械破碎60 s，經(jīng)過預(yù)處理實現(xiàn)造紙白泥晶體團(tuán)的分離，圖3顯示了造紙白泥研磨前后的表觀形貌變化。將天然碎石骨料和天然砂放入單臥軸式攪拌機(jī)干拌90 s，然后按不同配合比加入造紙白泥與普通硅酸鹽水泥再次干拌90 s，倒入自來水?dāng)嚢?80 s制成混凝土原料，最后將原料投入砌塊成型機(jī)壓制形成混凝土砌塊。

圖3 研磨前后造紙白泥的表觀形貌對比

試驗配合比依據(jù)JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》確定，并將造紙白泥砌塊分別編號為A0，A2.5，A5，A7.5，A10，用以表示造紙白泥替代硅酸鹽水泥的質(zhì)量百分比，水灰比為0.4，砂率為44%，其它材料比例如表3所示。

表3 造紙白泥砌塊配合比 kg/m3

1.3 試驗方法

（1）抗壓強(qiáng)度：試件尺寸為390 mm×190 mm×190 mm，測試齡期為3 d和28 d，各組以5個試件試驗結(jié)果的算術(shù)平均值作為混凝土抗壓強(qiáng)度測量值，數(shù)值精確至0.1 MPa。

（2）吸水率、含水率和干密度：測試齡期為28 d，每組試件數(shù)為3，按GB/T 8239—2014進(jìn)行測試。

（3）碳化與抗凍試驗：選用力學(xué)性能相對較好的A0、A5、A10進(jìn)行碳化和凍融試驗，摻造紙白泥砌塊的碳化與凍融試驗參照GB/T 4111—2013《混凝土砌塊和磚試驗方法》的規(guī)定進(jìn)行測試。

2 材料性能試驗

2.1 抗壓強(qiáng)度

不同造紙白泥摻量（內(nèi)摻）砌塊的3 d和28 d抗壓強(qiáng)度如圖4所示。

從圖4可以看出：隨著造紙白泥摻量的增加，混凝土砌塊的3 d抗壓強(qiáng)度呈先提高后降低的趨勢，當(dāng)白泥摻量為5%時，3 d齡期的A5試件抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大；隨混凝土砌塊中造紙白泥摻量增加，砌塊的28 d抗壓強(qiáng)度也呈先提高后降低，當(dāng)白泥摻量為2.5%時，28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大。其中A0、A2.5、A5組砌塊的28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到了GB/T 8239—2014中強(qiáng)度等級MU10的要求，A7.5、A10抗壓強(qiáng)度則達(dá)到MU7.5的水平，試驗組均滿足承重砌塊的抗壓強(qiáng)度要求。

使用低劑量的多層CT胸部檢查能夠給肋骨骨折患者提供更多的選擇,低劑量CT的準(zhǔn)確率是95.52%,常規(guī)劑量CT的準(zhǔn)確率是97.89%,兩組準(zhǔn)確率不存在統(tǒng)計學(xué)差異性(P>0.05),低劑量組的加權(quán)指數(shù)平均(9.15±4.6)m Gy,常規(guī)劑量組的加權(quán)指數(shù)平均(16.52±8.9)m Gy,結(jié)果具有統(tǒng)計學(xué)差異性(P<0.05)。

圖4 造紙白泥摻量對砌塊抗壓強(qiáng)度的影響

造紙白泥摻量到達(dá)臨界值后，混凝土砌塊的抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)明顯下降。當(dāng)白泥替代量達(dá)10%時，砌塊的28 d抗壓強(qiáng)度從最高的12 MPa降低到了8.6 MPa，僅為對照組強(qiáng)度的75.4%。A2.5組在不同齡期下抗壓強(qiáng)度均高于對照組，其中3 d、28 d的抗壓強(qiáng)度分別高于對照組12.8%和5.2%，所以造紙白泥替代部分水泥能提高混凝土砌塊的抗壓強(qiáng)度。

摻造紙白泥砌塊抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出先提高后降低的規(guī)律，因為造紙白泥作為一種惰性摻和料摻入到膠凝體系中，填充效應(yīng)使得砌塊更為密實，進(jìn)而提高造紙白泥砌塊的抗壓強(qiáng)度。水化初期，造紙白泥雖不直接參與水化反應(yīng)，但白泥顆粒的成核效應(yīng)能夠提升早期水化反應(yīng)的速率，有利于提高砌塊的早期強(qiáng)度。但當(dāng)造紙白泥摻量大于臨界值后，白泥會在水泥漿體中出現(xiàn)團(tuán)聚，阻礙水化進(jìn)行，導(dǎo)致造紙白泥砌塊抗壓強(qiáng)度降低。

2.2 吸水率試驗

不同白泥摻量的造紙白泥砌塊的吸水率、含水率與干密度見表4。

表4 造紙白泥摻量對砌塊的吸水率、含水率與干密度的影響

由表4可知，5組造紙白泥砌塊的吸水率均低于4%，符合GB/T 8239—2014中L類砌塊（承重結(jié)構(gòu)用砌塊）吸水率不高于10%的要求。隨著造紙白泥摻量增加，砌塊的含水率、干密度逐漸提高。當(dāng)白泥替代率較低時，白泥顆?？稍谒酀{體中均勻分散，填充于砌塊孔隙中，優(yōu)化水泥基材料的孔隙結(jié)構(gòu)，減少滲水通道，吸水率降低。當(dāng)白泥替代率過大，團(tuán)聚的白泥包覆在水泥顆粒表面，對水泥水化反應(yīng)的進(jìn)行起到抑制作用，導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)的孔隙率增大，因而砌塊的吸水率、含水率增加。另一方面，造紙白泥的摻入增加了膠凝體系中固體的總體表面積，有利于提升造紙白泥砌塊的保水性能。干密度測試結(jié)果表明，造紙白泥摻量與砌塊密度呈正比關(guān)系，說明白泥的摻入有助于加強(qiáng)砌塊密實性。

2.3 碳化試驗

將養(yǎng)護(hù)28 d的砌塊放入碳化箱中，碳化7 d后，隨機(jī)抽取各組碳化情況相同的一個塊材從端部敲開，深度不小于20 mm，用質(zhì)量濃度1%~2%的酚酞乙醇溶液檢查碳化深度，砌塊完全碳化后結(jié)束碳化試驗，測出各組其余完全碳化砌塊的抗壓強(qiáng)度平均值，各試驗組的碳化系數(shù)如表5所示。

表5 造紙白泥摻量對砌塊碳化系數(shù)的影響

造紙白泥摻量為5%時，碳化后造紙白泥砌塊抗壓強(qiáng)度降幅低于對照組，表明適當(dāng)?shù)陌啄鄵搅靠商嵘旒埌啄嗥鰤K抗碳化性能。當(dāng)白泥摻量達(dá)到10%時，A10組的碳化系數(shù)仍大于0.85，符合GB/T 8239—2014的要求。隨造紙白泥摻量的增加，造紙白泥砌塊碳化系數(shù)出現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律，表明造紙白泥的摻入改善了A5的孔隙結(jié)構(gòu)，延緩了造紙白泥砌塊的碳化反應(yīng)進(jìn)程，進(jìn)而減少碳化對造紙白泥砌塊強(qiáng)度帶來的損失，在一定程度上改善了水泥基材料的抗碳化性能。而當(dāng)白泥摻量增加時，基體內(nèi)團(tuán)聚的白泥會導(dǎo)致造紙白泥砌塊內(nèi)部孔隙增加，CO2通道增多，加速了碳化反應(yīng)進(jìn)程，導(dǎo)致碳化后的造紙白泥砌塊強(qiáng)度進(jìn)一步降低。

2.4 抗凍試驗

造紙白泥砌塊經(jīng)歷15次凍融循環(huán)后質(zhì)量損失率與強(qiáng)度損失率見表6所示。

表6 造紙白泥摻量對砌塊抗凍性的影響

由表6可以看出，經(jīng)15次凍融循環(huán)后，造紙白泥砌塊質(zhì)量損失率隨著白泥摻量的增加而增大，強(qiáng)度損失率也呈現(xiàn)出同樣的規(guī)律。依據(jù)GB/T 8239—2014，在夏熱冬暖地區(qū)，混凝土砌塊的抗凍指標(biāo)為D15，要求質(zhì)量損失率平均值≤5%，強(qiáng)度損失率平均值≤20%。從表6可見，摻入造紙白泥的A5、A10試驗組抗凍性均符合規(guī)范要求。在相同凍融循環(huán)次數(shù)下，造紙白泥砌塊的質(zhì)量損失率與強(qiáng)度損失率均隨白泥摻量增大而增大，這可能是由于單位體積水泥基材料內(nèi)水化產(chǎn)物含量降低，骨料間的粘結(jié)強(qiáng)度隨之降低，整體的抗凍融能力降低。在水泥基材料凍融循環(huán)時，混凝土砌塊的抗凍性能與孔隙水結(jié)冰產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力有關(guān)。造紙白泥摻量的增多會提高造紙白泥砌塊的吸水率與含水率，導(dǎo)致粗骨料與水泥石界面過渡區(qū)的局部水灰比增加，出現(xiàn)局部強(qiáng)度降低，導(dǎo)致造紙白泥砌塊抗凍性能下降。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 造紙白泥砌塊作用機(jī)制

適量摻入造紙白泥對混凝土砌塊力學(xué)性能及耐久性能是有益的。造紙白泥的粒徑主要集中在1～100μm之間，它的摻入可改善細(xì)粒徑區(qū)混凝土砌塊級配，減少骨料之間的摩擦，提升漿體流動性能。造紙白泥作為一種惰性摻和料填充在砂子之間的空隙中，填充效應(yīng)下能夠形成更致密的水泥石結(jié)構(gòu)和界面結(jié)構(gòu)，降低水泥基材料的孔隙率，防止?jié)B透通路的形成。并且粒徑小于10μm的白泥顆粒能夠充當(dāng)水泥基材料的反應(yīng)晶核，通過微晶核效應(yīng)促進(jìn)水化產(chǎn)物的生成和沉淀，提高混凝土砌塊力學(xué)性能[14]。

由于造紙白泥的活性較低，參與反應(yīng)的比例較少，造紙白泥取代水泥將會減少水泥基材料的含量，從而減少單位體積水泥基材料的水化產(chǎn)物[15]，造紙白泥產(chǎn)生了稀釋效應(yīng)。造紙白泥的摻入稀釋了水泥熟料，使得體系內(nèi)粗顆粒相對偏少，造成顆粒級配分布不合理，骨架作用因此受到削弱，混凝土的工作性能下降。

3.2 造紙白泥砌塊受壓破壞規(guī)律

本試驗通過觀察記錄28 d養(yǎng)護(hù)齡期下造紙白泥砌塊受壓時的形變特征研究其受壓破壞的規(guī)律，不同造紙白泥摻量砌塊的破壞形態(tài)如圖5所示。

圖5 造紙白泥砌塊破壞形態(tài)對比

從圖5可以看出，單軸受壓下A0與A10的破壞形態(tài)存在差異，A0在單軸受壓過程中產(chǎn)生了垂直貫通縫，且裂縫擴(kuò)展速度更快，砌塊表層砂漿剝落較少，表現(xiàn)出脆性破壞；A10的裂縫從砌塊底部的四角斜向發(fā)展至砌塊中部，聚集后總體呈現(xiàn)“X”形，砌塊為錐形破壞。造紙白泥砌塊破壞后整體變形更大，表明造紙白泥的摻入一定程度上增強(qiáng)了砌塊延性。但造紙白泥砌塊表面出現(xiàn)較明顯的砂漿剝落的現(xiàn)象，這可能是由于團(tuán)聚的造紙白泥在混凝土砂漿中分布不均，阻礙了水化進(jìn)程，導(dǎo)致砂漿中存在一定量未被水化的水泥顆粒與細(xì)小孔隙，孔隙在受力過程中，逐漸發(fā)展，形成裂縫后暴露出了膠結(jié)性能較差的部位，致使砌塊在受壓破壞后出現(xiàn)砂漿剝落現(xiàn)象。

3.3 造紙白泥砌塊成本分析

從試驗結(jié)果看出，當(dāng)造紙白泥砌塊白泥摻量不大于10%時，其碳化系數(shù)與強(qiáng)度損失率均滿足使用要求。當(dāng)白泥替代量達(dá)10%時，造紙白泥砌塊仍能達(dá)到GB/T 8239—2014規(guī)定的MU7.5產(chǎn)品的承重要求?，F(xiàn)對造紙白泥砌塊的生產(chǎn)成本進(jìn)行估算：造紙白泥砌塊的體積密度按1100 kg/m3計算，膠凝材料用量為362.5 kg/m3，單價0.402元/kg，當(dāng)造紙白泥摻量為10%時，造紙白泥砌塊的主要原材料成本=1100×33%×0.402×（1-10%）=131.33元/m3。在水泥價格逐漸升高的趨勢下，利用廢棄的造紙白泥替代部分水泥生產(chǎn)造紙白泥砌塊，可減輕造紙企業(yè)的環(huán)境負(fù)擔(dān)，同時通過降低水泥使用量間接減少CO2排放量，促進(jìn)墻體材料向綠色低碳方向發(fā)展。

4 結(jié)論

（1）造紙白泥作為惰性摻和料填充在混凝土小型空心砌塊孔隙中，在膠凝體系中形成填充、成核、稀釋等效應(yīng)。多種效應(yīng)協(xié)同作用下，適當(dāng)?shù)陌啄鄵搅靠筛纳破鰤K的力學(xué)性能及耐久性能。

（2）造紙白泥摻量為5%的混凝土小型空心砌塊抗壓強(qiáng)度達(dá)12.1 MPa，吸水率為3.04%，干密度提高至1099 kg/m3，試驗砌塊的碳化系數(shù)均大于0.85，15次凍融循環(huán)后質(zhì)量與強(qiáng)度損失率分別為1.43%和8.83%，符合GB/T 8239—2014要求。

（3）造紙白泥砌塊受壓破壞后具有較大的塑性變形，延性較好，開裂呈“X”形分布且破壞面為錐形。并且造紙白泥砌塊的制備工藝具有一定的環(huán)保、經(jīng)濟(jì)效益，可為利用造紙白泥生產(chǎn)新型墻體材料提供參考。