造纸污泥制备烧结保温砌块的试验研究

杨良，吴炎平，邵滨，别安涛，韩文祥，张苏伊，邓佳

（江西省建筑材料工业科学研究设计院，江西 南昌 330001）

0 前言

建筑行业的能耗约占全国能耗总量的30%，已经成为我国主要耗能行业之一。在建筑能耗中，建筑物围护结构的热散失所占比例约77%，墙体占围护结构的比例最大，通过墙体散热（含空气渗透散热）约占59.4%。因此，提高墙体材料的保温隔热性能是建筑节能的主要途径之一[1]。烧结保温砌块具有优良的保温隔热性能，是一种极具发展潜力的新型墙体材料。

造纸污泥是造纸行业产生的工业废弃物，目前的处理方式主要有填埋、焚烧、投海等，但是这些处置方式都存在着二次污染、浪费能源等问题。研究利用造纸污泥制备烧结保温砌块，实现造纸污泥的资源综合利用，降低建筑能耗，具有重要的研究意义。Demir等[2]研究了将造纸工业污泥掺入到黏土中制砖，结果表明，随着造纸污泥掺量的增加，烧结砖的表观气孔率和吸水率增大，而密度和抗压强度降低。杨良等[3]研究了造纸污泥在制备烧结保温砌块中的热解特性，结果表明，造纸污泥含有大量的木质纤维，这些木质纤维容易在较低的温度中挥发，在以内燃为主要焙烧方式的工艺中，该热值难以利用。赵德智[4]研究了用造纸污泥来烧砖，并对制备工艺及原材料配比进行了详细的研究。刘峰等[5]对污泥与建筑废弃物制备烧结保温砖进行了研究，该研究采用压制成型方式，而目前实际生产中，大部分生产企业采用的是挤出成型方式。

孔结构对保温制品的保温性能具有重要的影响[6]。根据当前烧结墙体材料生产企业的工艺装备条件，本文通过ANSYS软件对烧结保温砌块的块型及孔结构进行模拟分析，并对用造纸污泥制备烧结保温砌块的工艺参数及污泥掺量等进行了系统研究。

1 试验

1.1 原材料

造纸污泥：由江西省某造纸厂提供，该造纸污泥经过预处理后，相对含水率为49.8%，塑性指数为23，烘干后密度为0.73 g/cm3，灰色。

页岩：产自景德镇市某矿区，相对含水率为10.9%，塑性指数为12，烘干后密度为1.2 g/cm3，浅黄色。

煤矸石：产自萍乡市某煤矿，相对含水率为13%，塑性指数为6，烘干后密度为1.3 g/cm3，黑色。

造纸污泥、页岩、煤矸石的主要化学成分见表1。

表1 造纸污泥、页岩、煤矸石的主要化学成分 %

1.2 试验配比

本试验主要研究造纸污泥掺量对烧结保温砌块性能的影响。试验配比（干基质量分数）为：造纸污泥掺量0、5%、10%、15%；页岩掺量为65%～80%，煤矸石掺量为20%。

1.3 试样制备

将页岩、造纸污泥和煤矸石按照设定的试验配比计量混合，先经颚式破碎机粗破；然后用高细锤式破碎机进行二次破碎，二次破碎后的混合料经筛孔为2 mm的筛网进行筛分，确保混合料的最大颗粒尺寸小于2 mm。将筛分后的混合料加水搅拌，确保陈化时有充足的水分浸润，陈化时间为5 d。

陈化后的混合料经强力搅拌挤出机处理后，使混合料中的页岩与造纸污泥得到进一步的均化处理，解决了造纸污泥与页岩因密度差异而导致离析分层的现象；强力搅拌挤出处理后的混合料最后经过双级真空挤出机进行成型，挤出机型号为JKY 65/60-4.0。

成型后的泥条经切条、切坯后，制成尺寸为240 mm×190 mm×190 mm的砌块。成型后的砌块经过干燥后，相对含水率控制在3%以内，并确保坯体不开裂；最后将坯体进行焙烧，烧成温度控制在850～1100℃。

1.4 试验方法

本次试验通过ANSYS软件模拟，计算出最佳的孔型、孔结构。烧结保温砌块的性能依据GB/T 26538—2011《烧结保温砖和保温砌块》进行测试，抗压强度采用万测A型1000 kN微机控制电液伺服万能试验机测试，传热系数采用沈阳紫微WTRZ型墙体稳态热递性能试验机测试。

2 孔型设计

烧结保温砌块中不同的孔结构具有不同的传热途径及孔洞率，会对砌块的密度等级及热阻产生重要影响。通过ANSYS软件模拟计算，设计出3类不同孔结构的砌块如图1所示。

图1 ANSYS软件模拟出的3类不同孔结构

由图1的模拟结果可知，Ⅰ类孔结构的烧结保温砌块孔洞率高达 49%，密度为 893 kg/m3，计算热阻为 0.70（m2·K）/W，虽然密度比较理想，但是计算热阻偏小。Ⅱ类孔结构的烧结保温砌块孔洞率为37%，密度为1103 kg/m3，计算热阻为0.74（m2·K）/W，虽然计算热阻符合建筑节能50%的要求，但密度过大，超过GB/T 26538—2011中密度＜1000 kg/m3的规定。Ⅲ类孔结构的烧结保温砌块孔洞率为44%，密度为982 kg/m3，计算热阻为0.78（m2·K）/W，三维传热系数模拟计算结果为1.208 W/（m2·K），各项指标均比较理想，其三维计算云图见图2，因此，烧结保温砌块的孔结构确定采用Ⅲ类孔结构。

图2 Ⅲ类孔结构的三维计算云图

3 试验结果与分析

3.1 烧成温度对烧结保温砌块性能的影响

烧成温度对烧结保温砌块的强度及耐久性有至关重要的影响。当采用Ⅲ类孔结构时，对掺与未掺造纸污泥的2个配比试样进行对比试验，1#试样：造纸污泥掺量为5%、页岩掺量为75%、煤矸石掺量为20%；2#试样：未掺造纸污泥、页岩掺量为80%、煤矸石掺量为20%。烧成温度分别为850、900、950、1000、1050、1100℃。不同烧成温度下 2种烧结保温砌块的收缩率和吸水率见图3。

图3 不同烧成温度下2种烧结保温砌块的收缩率和吸水率

由图3可知，烧成温度在850～1000℃内变化时，其收缩率和吸水率变化较慢，说明在这一温度区间试样还未烧结；当烧成温度为1050℃时，吸水率和收缩率开始有了明显变化，吸水率在20%左右，符合GB/T 26538—2011对吸水率的要求，说明试样已经开始烧结；烧成温度达到1100℃时，吸水率和收缩率都急剧变化，实际生产时已经过烧，说明这种材料的烧结温度范围相对较窄。此外，1#、2#试样的烧成温度基本相似，只是1#试样的吸水率比2#试样稍高，主要原因是：1#试样中掺有少量造纸污泥，而造纸污泥具有较高的烧失量。因此，根据图3确定烧结保温砌块的烧成温度为1000～1050℃。

3.2 造纸污泥掺量对烧结保温砌块性能的影响

通过上述研究可知，烧结保温砌块最佳的孔结构为Ⅲ类，最佳烧成温度为1000～1050℃。孔结构为Ⅲ类、烧成温度为1025℃时，不同造纸污泥掺量的烧结保温砌块性能及墙体传热系数见表2。

表2 不同造纸污泥掺量的烧结保温砌块性能及墙体传热系数

由表2可知，随着造纸污泥掺量的增加，烧结保温砌块的密度逐渐降低，由未掺造纸污泥时的980 kg/m3下降至造纸污泥掺量为15%时的908 kg/m3；烧结保温砌块的抗压强度也逐渐降低，由未掺造纸污泥时的6.85 MPa降低至造纸污泥掺量为15%时的4.32 MPa。GB/T 26538—2011规定，当密度等级为1000 kg/m3时，其最低强度等级要求为MU5.0。当造纸污泥掺量为15%时，烧结保温砌块的抗压强度低于5.0 MPa，不符合GB/T 26538—2011要求。综合考虑，造纸污泥掺量为10%时，烧结保温砌块的性能较佳，其密度为933 kg/m3，抗压强度为5.42 MPa。

由于造纸污泥颗粒尺寸小，同时还含有大量的木质纤维等有机物，烧失量高达45.76%，这些有机物经过焙烧后，在烧结保温砌块中形成大量微小且均匀分布的孔隙，这些孔隙可降低烧结保温砌块的密度，提高砌块的保温隔热性能。

在墙体灰缝为10 mm，且墙体为干燥条件下，对烧结保温砌块墙体的热工性能进行了分析。由表2可知，随着造纸污泥掺量的增加，烧结保温砌块砌筑墙体的传热系数逐渐降低，说明墙体的保温隔热性能变得更加优越。造纸污泥掺量为10%时，墙体的传热系数降低至1.217 W/（m2·K）。这主要是由于造纸污泥中大量有机物燃烧后，在烧结保温砌块中形成大量微小且分布均匀的孔隙导致，这些微小孔隙具有较高的热阻，使得烧结保温砌块基材热阻变大，从而降低了砌筑墙体的传热系数，提高了墙体的保温隔热性能。

4 结论

（1）通过ANSYS软件对砌块孔结构进行模拟，设计出密度低、保温性能好的烧结保温砌块Ⅲ类孔结构，该类型烧结保温砌块理论密度为982 kg/m3，孔洞率为44%，计算热阻为0.78（m2·K）/W，三维传热系数模拟计算结果为1.208 W/（m2·K）。

（2）相较未掺造纸污泥的试样，掺加适量造纸污泥后烧结保温砌块的吸水率稍有提高，但其烧成温度相差不大，用造纸污泥制备烧结保温砌块的最佳烧成温度为1000～1050℃。

（3）随着造纸污泥掺量的增加，烧结保温砌块的密度和强度逐渐降低，综合考虑，造纸污泥掺量为10%时，烧结保温砌块的各项性能指标较佳，密度为933 kg/m3，抗压强度为5.42 MPa，砌筑墙体的传热系数为1.217 W/（m2·K）。

[1] 刘利军.建筑节能关键-墙体保温[J].建筑科学，2007（4）：82-82.

[2] Ismail Demir，M Serhat Basplnar，Mehmet Orhan.Utilization of kraft pulp production residues in clay brick production[J].Build-ing and Environment，2005，40：1533-1537.

[3] 杨良，吴炎平，曾兴华，等.造纸污泥在烧结保温砌块中的热解特性研究[J].砖瓦，2017（6）：28-30.

[4] 赵德智.利用造纸污泥烧制建材砖[J].中华纸业，2010，31（24）：87-87.

[5] 刘峰，王琪，谢章章，等.污泥与建筑废弃物烧结自保温砖试验研究[J].新型建筑材料，2017（6）：63-65.

[6] 宋光杰，越祖朕，苏明霞，等.利用低品位石英砂制备保温砖的孔结构研究[J].新型建筑材料，2010（5）：27-29.