温度制度对页岩烧结砖性能影响研究

1前言

烧结墙体材料是我国目前用量最大的墙体材料，它具有工艺简单、性能稳定、施工技术成熟等优点。根据我国具体国情，减小耕地占用，大力发展页岩制备烧结砖技术，对我国发展节能绿色建材有着重要的意义。

烧结工艺是整个页岩烧结砖制备工艺的核心，烧结温度的高低、保温时间的长短等工艺参数，一方面对制备能耗影响较大，另一方面对其最终性能起着关键的作用。因此，研究温度制度对页岩烧结砖的性能影响具有特别重要的意义。而相关学者已经对烧结温度制度的研究就行了大量报道，例如：武汉理工大学马保国等分析了不同的烧结温度及烧结时间对膨润土页岩烧结砖性能的影响，测试了温度制度对抗压强度、烧结收缩率、体积密度、吸水率和显气孔率指标的影响规律，结果表明，不同的烧结温度及烧结时间对膨润土页岩烧结砖的性质有着显著的影响；黄鹂选等通过测定不同的烧结温度和保温时间对烧结砖制品特定物理性能的影响，得到了烧成收缩随着烧结温度的增加而增加，而黏土矿物结构的分解发生在787℃-847℃范围内，随后在847℃-920℃的温度范围内发生氧化物的重新结晶，导致空隙体积突然改变；郭宏志指出，不同的粒径的sio2采取不同的烧结温度，可以降低干燥收缩和干燥敏感度；姜庆斌等指出，页岩坯体的烧成温度在940℃-1080℃之间，而页岩的含量越高，允许的最高烧结温度也越高。对以前学者的研究进行总结可以发现，在现有温度制度的研究中，大多数学者只是针对烧结砖的部分性质进行了单独研究，如物理力学性质、温度对烧成反应过程的影响等，极少就将温度制度对页岩烧结砖整体性质的影响进行系统性的研究，以及通过运用物理力学性能与微观测试结合，对页岩烧结砖在不同温度制度下的性能进行论述。

本文通过改变页岩烧结砖烧成温度和保温时间，获得页岩烧结砖在不同温度制度下强度、现显孔隙率、体积密度、泛霜等变化规律；同时，结合运用XRD、SEM等微观测试，对其产生的物理力学性质变化规律进行分析，并且探索页岩烧结砖的最佳烧成制度，确定最佳的烧成温度和保温时间。

2  原料与实验方法

2.1  原料

本次实验所用的页岩原材料来自宜昌。经球磨机10min粉磨，获得的页岩物料细度为74mm的筛余≤ 10%.其化学组成如表1所示。

2.2  试样制备

试样的制备过程分为原料陈化、坯体成型、砖体烧结等过程，具体为：

A、陈化

将粉磨好的粉料按85%页岩+15%煤的比例混合饼搅拌均匀，加入12%-15%（干基含水率）的水造粒，将混合好的湿料置于温度为20℃±1℃相对湿度为100%的养护室中进行陈化72h。

B、成型

陈化好的粉料采用半干压法成型试块，按方案设定的成型压力加压，保压时间为30s。

C、烧结

将成型后的坯体在空气中自然干燥48h后，置于鼓风电热干燥箱中在105℃±1℃下干燥24h。在不同的设定温度制度下进行烧结。

表1原材料的化学组成/w%

原料	SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MaO	k2O	TiO2	SO3	其它	烧矢量
页岩（表层）	61.55	17.62	6.60	0.41	2.33	3.76	0.82	0.03	0.95	5.93
页岩（表层）	60.34	17.90	7.01	0.64	2.97	3.95	0.71	0.17	1.06	5.15

2.3  性能检测

物理力学性能测试：采用游标卡尺测定页岩烧结砖的烧成收缩的尺寸，分别测定高度、直径和质量的烧结前后的大小，计算出烧成收缩率；采用JES-2000A型压力试验机测试抗压强度，分别对每一组试块以加载速度为3kN/s加压，测定试块的抗压强度；采用吸渗法测定显孔隙率，将试块置于水中24h，测定吸水后的质量，，计算显孔隙率；采用先对页岩烧结砖吸水饱和，再烘干的方法，测定泛霜含量。

微观测试：采用德国BRUKER公司生产型号为D8Adwance的D8X射线衍射仪进行XRD分析，该衍射仪有高精度步径式马达控制双圆测角仪，测角仪半径≥200mm，2θ转动范围-10°~168°，可读最小步长0.0001°.实验中，在2θ为0°~90°中进行扫描，得到的衍射图像对页岩烧结砖的物理进行扫描，得到本电子株式会社生产型号为JSM-5610LV的扫描电子显微镜进行微观形貌分析，其具有高真空模式分辨率3.0nm，低真空模式分辨率4.0nm，放大倍数18x~300000x，加速电压0.5kv-30kv，低真空度1pa~270pa。实验中，采用加速电压为3kv，低真空度20pa，对试样分别在600倍、2000倍、4000倍等下进行扫描，通过扫描得到的图像对孔的形状、大小和烧结液相情况进行分析。

3  试验结果与分析

3.1  烧成收缩

图1表示了页岩烧结砖的烧成温度与烧成收缩率之间的关系。由图可以看出，当烧成温度由750℃升到950℃时，质量损失率由6.74%增加到7.23%.由于煤的燃点在500℃左右，而煤的燃烧是一个动力学过程，随着温度的升高而不断燃烧。此外，由表1可知原材料的主要化学成分为SiO2、Al2O3 等，烧结分解产生的气体量会较少。由此，可以判断在温度由750℃增加到900℃过程中，质量损失主要来自于煤的燃烧，而一部分是原料的分解，。当烧成温度大于900℃后，质量损失已经很小，说明煤的燃烧基本完成。在烧成过程中，直径损失率由-0.31%增加到2.413%，且后期损失速率略微加快；高度损失率随温度从750℃升到900℃时，由0.15%增加到1.32%，呈线性关系的增长，但在900℃后，高度损失率反而减小了，由1.32%减小0.819%.由于烧成温度的升高，砖体内部产生的液相量不断增加，液相不断填充到砖体孔隙中，并且包裹固定颗粒，使固体颗粒移动和重排，造成了整体的体积收缩。

如图3 所示，当烧成温度大于1000℃时，烧结试样会出现从上下部位爆裂的情况，爆裂的高度为0.5cm~1cm，并且中间部位向里收缩量要比周围的明显，存在着少量的裂纹，这是由于在高温的条件下，原料矿物质快速分解生成气体，而砖体中间部位向四周排放气体的距离最远，造成气体聚集在中部形成了孔洞。同时，由于产生大量的液相，使得原料的滑动阻力减小，在气体的压力和温度应力作用下上下部位开裂，中部的砖体收缩。

图2表示了页岩烧结砖在烧成温度为900℃时的保温时间与烧成收缩关系。由图可以看出，随着保温时间的增加，质量损失率由7.13%增加到7.30%，变化较小，说明相对于烧成温度对质量损失的影响，保温时间对质量损失的影响不大，这是由于经过900℃的烧成后，煤的燃烧基本已经结束，因此，在保温过程中，质量的损失主要是由于原料的分解，产生质量的损失很小；直径损失率由0.78%升至1.20%，损失大小随着保温时间增加而增加，但在7h后，损失变得很小；而高度损失率在保温时间由3h增加至7h时，高度损失率由0.81%增加到1.54%，当保温9j时，直径损失率为1.37%，相对7h的损失反而减小了。由直径损失率和高度损失率的变化规律，说明原料矿物质在长时间的保温下将会产生较大量的气体，从而抑制了砖体的收缩，甚至使得垂直方向产生量一定量的膨胀。

3.2  体积密度、吸水率、显气孔率

图4表示了页岩烧结砖烧成温度与密度、吸水率、显气孔率的关系，由图可以看出，随着温度的增加，页岩烧结砖的密度不断地加大，从750℃的1.757g/cm3增加到950℃的1.944g/cm3，呈现为线性的关系，说明转体出现了整体的收缩；吸水率是随着温度的增加而减小，烧成温度从750℃上升至850℃时，吸水率由15.3%减少到14.8%，变化幅度较小，而当烧结温度从850℃升到950℃时，吸水率由14.8%快速减小到11.5%，产生了突然减小的现象，说明在850℃后孔结构发生率突然的变化；显孔隙率随温度变化呈现的规律和吸水率随温度的规律相似，也是随着温度的增加而减小，先是从750℃的29.2%缓慢的减小到850℃的28.9%，然后从850℃的28.9%快速减小到950℃的23.2%。在850℃后，吸水率和显孔隙率出现了快速减小的现象，这主要是由于在850℃的范围内，达到页岩的固熔点，在烧结砖内部开始产生液相填充空隙，同时，进行阻隔，分成各个微小的气孔，从而导致吸水率和显孔隙率突然的减小。

图5表示了页岩烧结砖在烧成温度为900℃时保温时间与体积密度、吸水率、孔隙率的关系，由图可以看出，随着保温时间的增加，体积密度基本呈现增加的趋势，当保温时间从3h增至7h增速明显，从1.856g/cm3增加到1.917g/cm3，而保温9h后，密度为1.916g/cm3，与保温7h相比基本没有变化，说明进行保温7h后，保温时间对烧结砖的体积密度基本没有影响，砖体的收缩现象已经稳定；吸水率在保温时间从3h增值7h时，减小的速率较快，从14.5%减小到13.2%，而保温9h后，，吸水率为13.1%，与保温7h相比变化较小，说明在保温7h后，保温时间对烧结砖的液相减小，与体积密度存在着很大的相关性；显孔隙率也随着保温时间的增加而减小，在保温时间为3h至7h的过程中，孔隙率减小的速率较快，从28.4%减小到26%，而保温9h后，孔隙率为25.9%，变化很小，与体积密度存在着很大的相关性。由上分析可以得出，在烧结砖保温过程中，吸水率、孔隙率的变化规律与体积密度存在着很大的相关性，说明了在保温7h后，砖体的孔结构也已经定型，整体形状达到稳定的状态，同时为了达到节能减耗要求，应选择的最佳的保温时间在7h左右。

3.3  抗压强度

图6表示了页岩烧结砖的烧成温度与抗压强度、显孔隙率的关系，由图可以看出，当烧成温度由750℃升至800℃时，抗压强度由29.5MPa增加到31.4MPa，增加的速率缓慢，由800℃升至900℃时，抗压强度由31.4MPa增加到87.7MPa，呈现快速增长现象；由900℃升至950℃，抗压强度由87.7MPa减小到40.3MPa快速的减小。说明了在一定烧成温度范围内，抗压强度随着烧成温度增加而增加，在900℃时抗压强度达到最大，烧成温度对抗压强影响显著。

图7表示了页岩烧结砖页岩在900℃烧成时的保温时间与抗压强度、显孔隙率关系，由图抗压看出，保温时间由3g增至7h时，压强由98.2MPa增加到114.2MPa，存在着一定的增长趋势；保温时间由7h增至9h时，压强由114.2MPa下降为106.9MPa，相对于烧成温度对抗压强度的影响，保温时间对抗压强度的影响相对较小。说明在一定保温时间范围内，压强与时间的增加成正比，在7h时压强最大。就整体而言，保温时间能在一定程度上提高抗压强度，但起到主要作用的还是烧成温度大小。

有以上结果得出，在一定范围内升高烧成温度和保温时间，对抗压强度起到积极的作用，这主要是因为在这烧成过程中形成了新的结晶体和足量的液相，使得显孔隙率减小，且颗粒间结合更加紧密，从而使抗压强度加大。而当烧成温度过高时，抗压强度却在减小，这是由于原料矿物质在烧成过程中快速的产生气体，在砖体中形成大直径的孔洞，当冷却时对包围有大量液相的砖体颗粒产生很大的内应力。同时，烧结体产生的温度应力和晶体的不断生成的压力，均对抗压强度产生副作用影响，最终导致砖体开裂。

3.4  泛霜

图8表示了示了页岩烧结砖烧成温度与泛霜情况的关系。当烧成温度由750℃增加到850℃时，泛霜量由0.03725g减小至0.0228g，其质量百分比则由0.036%减小到0.022%，随着烧成温度的升高，砖体泛霜量快速减小，说明在这一阶段，烧成温度的变化对泛霜的影响较大，提高烧成温度抗压很好的改善泛霜问题。当达到850℃时，泛霜量达到了最小，随着烧成温度的升高，泛霜量大小也基本保持不变。这主要是因为在850℃后开始出现了大量的液相，当降温冷却后对孔通道形成了阻塞的作用，特别是减小了显孔隙率，使得可溶性盐在干湿循环析出的过程中受到很大的阻力，从而使得泛霜量达到最小且析出量基本稳定。从烧成温度的两个不同阶段对泛霜的影响，可以看出烧结温度造成的孔结构变化对泛霜量的影响非常大，控制好孔结构的发展对烧结砖泛霜有着重要的意义。

图9表示了页岩烧结砖在900℃烧成时保温时间与泛霜情况的关系。由图可以看出，在保温时间由3h增到7h时，泛霜量由0.02648g减小到0.02455g，其质量百分比则由0.025%减小到0.024%。说明了随着保温的时间加长，泛霜量减小，但是变化并不明显，这是因为在经过900℃的烧成后，砖体中的孔洞被液相填充致密，而保温时间为9h时，泛霜量增加到了0.02705g，其质量百分比则增加到0.026%，呈现了明显增加的趋势，这可能是因为更长时间的保温造成后面产生更多的气体，或者温度应力的增长，从而造成孔径的增大，导致了可溶性盐更容易析出。

4  不同温度制度下微观结构的变化

4.1  烧成后页岩烧结砖的孔结构

图10是在利用扫描电镜下，通过扫描过的页岩烧结砖在烧成温度为750℃、850℃、950℃下烧成的结构图像。由图可以看出，当温度为750℃时，存在大量的分散颗粒，且有着数量较多的连通孔，孔径大；当温度为850℃时，开始出现大量液相，包裹固体颗粒形成固液相，使得颗粒间紧密结合，连通的孔被隔断，从而形成封闭的孔结构；当温度达到900℃后，液相熔融连接丰富，各颗粒连成一片，大量的间隙填充，使坯体致密化，在表面形成了均匀的圆形孔洞，最大的孔径可达到10μm。

图11是在利用扫描电镜下，通过扫描获得页岩烧结砖在900℃烧成时分别保温5h、7h、9h下的结构扫描图像。由图可以看出，保温9h后的页岩烧结砖比5h的颗粒连接更加紧密，说明随着保温时间的增加，液相在不断的增多，填充颗粒间隙，将颗粒连接成一片。但是，孔结构并没有随着保温时间的变化产生很大的改变，说明保温时间对孔结构的影响较小。

4.2  页岩烧结砖反应后的化合物及变化规律

已有研究表明，页岩的主要矿物是石英、伊利石、高岭石、长石等，当烧成温度在400℃~600℃时，高岭石分解成石英，所以石英的数量不断地增加；在800℃~950℃，伊利石、长石和石英开始逐步的消解，在1050℃~1100℃时形成新晶相莫来石，而高岭石在600℃前已经完全分解。作者的试验进一步证实了上面的结论，图12是在不同烧成温度下烧成得到的页岩烧结砖的X射线分析结果。由图可以看出，因为实验的测定是从750℃的烧成温度开始的，在此之前，高岭石已经完全分解，所以不存在高岭石；伊利石的峰值随着温度的增加而逐渐减小，说明伊利石的含量在减少，当温度达到900℃以后，峰值基本消失完全，所以已经完全分解；长石的峰值随着温度的增加在不断地减小，说明长石的含量在减少；石英的峰值随着温度的增加而又规律的减小，说明了高岭石在750℃前已经完全分解，且石英的数量在不断的减小；在温度为750℃时，莫来石已经有少量的产生，而且莫来石数量随着温度的增加而增加。由于在原料中加入15%的煤，可以看到在温度为750℃~900℃时，存在着煤的峰值，其含量随着温度的增加而减小，当温度达到950℃时，基本不存在煤，说明其已经完全燃烧，这也验证了前面3.1中提到的，当温度为900℃时煤的燃烧基本完成。

图13是在利用XRD显微镜观察下，在900℃烧成得到的烧结砖在不同保温时间的X射线分析结果。由图可以看出，随着保温时间的加长，长石和石英的峰值不断的减小，说明它们的含量在减少；莫来石的峰值变化不大，说明了保温时间对莫来石含量没有显著的影响；同时，煤的峰值在减小，说明在保温过程中，煤仍然在不断的燃烧，其含量也在减小。

5结论
    a在烧成温度升高和保温时间加长的过程中，烧结砖的烧成损失、体积密度基本上是不断地增加，后期的增加比较缓慢，且烧成温度对于烧成收缩的影响要大于保温时间；吸水率和显孔隙率呈现为先较快速减小，而后保持不变；压强在一定烧成温度和保温时间内，压强随着烧成温度升高和保温时间加长而增加；泛霜量先是随着烧成温度的升高而减小，达到850℃后，泛霜量趋于平稳。

b由微观观察可以看出，页岩的主要矿物有长石、石英、莫来石等，750℃~950℃温度区间内，随着温度的升高和保温时间的增加，长石、石英的含量在不断减小，而莫来石含量则在不断地增加。同时，燃烧原料煤在不断的减小。在烧成温度达到850℃后，形成的液相不断增加，填充到间隙，使坯体致密化。

c综合以上得到的结论，以及节能减耗的原则，最好的烧结温度和保温时间选择为大约900℃和7h。

本文摘自：《砖瓦》作者：蒲诚、蹇守卫、莫志胜、何桂海、张吕东