烧结空心砖强度与工艺过程的认识
烧结空心砖的市场销售，除了生产厂家需要自行送检，得到产品检验合格报告作为市场销售的质量依据，企业还可根据产品质检报告，对生产工艺及质量管理进一步完善。此外，企业在产品市场销售过程中，用户为了比较、选择更好的产品，也会将不同企业的产品，送到质检部门，进行委托检验，从而选择质量更好的烧结空心砖产品。这种情况，在建设项目材料招标中，较为普遍。因此，烧结砖企业工艺及质量管理，需要以相应烧结空心砖国家标准检验项目的指标及参数为要求，否则，会出现因产品个别检验指标不能满足要求，被判定不合格而影响产品的销售。
1、某厂产品检验报告
某烧结砖企业，年产烧结空心砖6000万块（折标砖）。其生产工艺构成简述如下。
粉砂质页岩通过三次对辊破碎、锅炉渣采用锤式破碎机破碎筛分后，两组份配料。采用50/50双级真空挤砖机成型，人工干燥室正压排潮干燥，人工码3.3米窑车，118米烧成隧道窑烧成。成品人工卸砖堆码。空心砖规格为240×200×115mm，孔洞率要求大于40%。
在用户材料招标中，自行抽样送检，两组送检样品仅对样品强度进行检测，检测标准采用GB13545-2003《烧结空心砖和空心砌块》，检测部分数据见表1。
表1 样品检测部分数据
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序号 |
平均值 ƒ MPa |
最小值 MPa |
标准差S MPa |
变异系数ζ |
|
1 |
7.4 |
5.0 |
2.39 |
0.32 |
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2 |
4.7 |
3.4 |
1.18 |
0.25 |
检测机构分别出具烧结空心砖强度检测报告，结论为：“依据GB13545-2003《烧结空心砖和空心砌块》检测，该样品强度等级不合格”。
仅由上述检测数据分析，变异系数ζ＞0.21时，两组样品抗压强度平均值分别为7.4和4.7 MPa，单块最小抗压强度值分别为5.0和3.4 MPa，得出样品强度等级不合格的结论并不充分。企业对照GB13545-2003《烧结空心砖和空心砌块》中强度等级评定表2，强度MU3.5、MU5.0、MU7.5、MU10.0MPa时 ，样品密度等级范围应低于1100kg/m³。因此，确认样品强度等级不合格，一定是样品密度等级超出规定范围。
表2 强度等级 MPa
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强度等级 |
抗压强度平均值 ƒ |
变异系数ζ≤0.21 |
变异系数ζ＞0.21 |
密度等级范围kg/m³ |
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强度标准值ƒk≥ |
单块最小抗压强度值 ƒmin≥ |
|||
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MU10.0 |
10.0 |
7.0 |
8.0 |
≤1100 |
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MU7.5 |
7.5 |
5.0 |
5.8 |
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MU5.0 |
5.0 |
3.5 |
4.0 |
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MU3.5 |
3.5 |
2.5 |
2.8 |
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MU2.5 |
2.5 |
1.6 |
1.8 |
≤800 |
因样品密度等级超出规定范围，造成样品强度等级不合格，出具的检测报告使得企业失去一次产品销售机会。
2、 烧结空心砖强度与工艺过程
烧结空心砖质量指标中，强度等级指标无疑是最重要的指标之一，在《烧结空心砖和空心砌块》标准中，其总判定指标的描述，“外观检验的样品中有欠火砖、酥砖则判该批产品不合格”。可见产品强度的重要性。而烧结空心砖强度的获得，完全依靠砖坯焙烧过程实现。而无强度的欠火砖和酥砖的出现，并不单单由烧成环节引起。此外，《烧结空心砖和空心砌块》标准中，规定烧结空心砖或空心砌块产品孔洞率≥40%，密度等级≤1100kg/m³，产品孔洞率越高，密度等级相应降低，强度等级指标随之降低。因此，产品强度与焙烧过程中烧结程度有关，与生产工艺中原料性能、配料、制备、成型、干燥、烧成等工艺环节，均存在直接的联系。
2.1混合料粒度和陈化
空心砖孔洞率≥40%时，属于薄壁制品，此时，要保证产品的基本强度指标，混合料的粒度和均化性能具有较大的影响。
一般条件下，烧结砖焙烧温度950～1050°C，此温度范围内，随着温度的提高，坯体烧结程度越高，产品强度相应增加。半成品在焙烧过程中，混合料粒度越小，越容易烧结，混合料粒度越粗，则需要在烧结温度范围内提高烧结温度。
空心砖混合料粒度要求＜2.0mm ，标准目数：10目。其中，硬质页岩或煤矸石经锤式破碎机破碎筛分后，0.05mm（标准目数：270目）颗粒所占比例约为20～40%左右，在高温作用下粉粒集合体（坯体）表面积减少，低熔物液相将填充在未熔颗粒之间的空隙中，气孔率降低、致密度提高、机械强度提高。这部分细颗粒粉料比例，对砖坯烧结程度和成品强度的提高作用较大。
因此，原料在破碎筛分过程中，需要加强对破碎机维修及锤头的更换，保证破碎过程中细粉料比例的提高。
混合料陈化工艺环节，混合料中物料水分、成分、颗粒等品质均匀性提高，除有利挤出成型，砖坯干燥外，砖坯缺陷大幅度减少，有利于隧道窑烧成制度的稳定和控制。随着混合料品质均匀性的提高，空心砖强度均匀性较为一致，强度等级相应提高。
山东省临清贡砖烧制工艺和江苏省宜兴紫砂壶生产工艺中，混合料粒度和陈化的控制，得到充分体现。临清贡砖，质地细致，规格为480×240×120mm，“击之有声、断之无孔，坚硬茁实、不碱不蚀”。宜兴紫砂壶，音脆.吸水率低.颜色滋润，号称“紫玉金砂”。两类烧结产品，除对原料有严格的选择外，原料的风化、破碎、淘洗过筛、陈化练泥，陈腐，其过程长达近1年。
现代空心砖已实现规模化生产，空心砖混合料制备工艺，其精细程度不能与上述两类烧结制品相比，但是，不能完全按照普通烧结砖工艺的方式，不作改进和提高，否则，烧结空心砖送检后，其强度等级指标很难达标。
前述某烧结砖企业，工艺过程中，粉砂质页岩原料在矿山没有堆放风化，运输到厂后，立即进入生产线，破碎搅拌加水后，直接成型，没有混合料的陈化过程。此类工艺，生产普通砖时，产品性能比较容易满足标准指标要求。当安排空心砖生产时，除非从原料矿山开始精心控制，否则空心砖产品性能指标很难达标。
2.2空心砖成型
根据《烧结空心砖和空心砌块》标准中孔洞排列和结构的要求，有孔洞的240×115mm截面上，优等品要求240mm长度方向，应设置≥7列孔洞，高度115mm方向，应设置≥2排孔洞，孔洞率≥40%。
对此，设置孔A,规格为26×26mm，面积为676mm2,，240×115mm截面上设置3排5列，共15个，合计面积为10140mm2,。
设置孔B,规格为8×42mm，面积为336mm2,，240×115mm截面上设置2排4列，共8个，合计面积为2688mm2,。
孔A和孔B的孔洞面积共12828mm2,。当湿坯面积为250×120mm时，湿砖坯孔洞率达到42.7%。考虑干燥和烧成收缩，孔A规格不能小于26×26mm，孔B规格不能小于8×42mm。
空心砖坯挤出成型过程中，在孔洞率≥40%要求条件下，随着孔洞数量的增加、孔洞面积越小，孔洞芯架结构越复杂，挤出阻力越高。当挤砖机规格偏小时，只能提高成型水分。此举对砖坯的干燥和烧成影响较大，废品率提高，产品强度降低。因此，空心砖的成型，需要选择大规格双级真空挤砖机。同时，结构复杂的空心砖芯架，要求采用专业生产厂家的芯架和配套机头产品。
一般原料，单块普通砖的重量约为2.5kg，当其孔洞率为40%时，其重量减轻为每块1.5kg左右，1立方米体积普通砖数量为684块，684×1.5kg=1026kg，低于空心砖标准中密度等级≤1100kg/m³的要求。因此，一般原料在空心砖的成型过程中，只要控制孔洞率≥40%，其成品密度等级能够满足标准要求。
湿坯成型过程中，混合料对孔洞芯头表面磨损，孔洞面积逐渐减少，湿坯孔洞率降低。因此，芯头表面磨损到一定程度，应及时更换。
当选择大规格双级真空挤砖机时，湿坯成型过程中应严格控制成型水分，成型水分越低，湿坯强度越高，对干燥越有利，焙烧缺陷越少，产品强度均匀性相应提高，送检时，空心砖产品性能指标能够达到标准要求。
2.3干燥
空心砖干燥是生产工艺中最重要的环节，不仅与产量有关，也是保持产品质量的关键。烧成隧道窑的焙烧条件要求，入窑干坯残余含水率需要低于6%，才能在以确定烧成制度条件下，完成砖坯的预热、高温焙烧和冷却过程，得到高强度产品。然而，生产工艺中，原料性能变化、气候条件波动、配料超出控制范围、隧道窑工况变化等等因素，都会造成干坯残余含水率高于6%。此后，干坯进入烧成隧道窑内如预热过急，将产生干燥裂纹、或裂纹扩展，甚至出现砖坯爆裂。
如何保证干坯残余含水率低于6%，除了对干燥隧道窑结构和干燥系统进行完善而外，湿坯在进干燥窑前的静停和预干燥措施，是目前较为有效的方式。静停和预干燥使得湿坯内水分均匀性增加，湿坯强度提高，湿坯总水量的降低，对提高干燥产量和质量有利。同时，湿坯温度的提高，保持与干燥窑进车时要求的温度一致，避免坯体冷凝结露回潮，变成酥砖，失去烧结强度。
2.4焙烧制度
烧结砖因焙烧而获得强度，对此古人已有认识，明朝崇祯十年（1637年）宋应星编著的《天工开物》，其中关于烧砖的论述，颇为精道，“凡火候少一两则锈色不光，少三两则名嫩火砖。本色杂现，他日经霜冒雪，则立成解散，仍还土质。火候多一两则砖面有裂纹，多三两则砖形缩小拆裂，屈曲不伸，击之如碎铁，然不适于用”。现代隧道窑焙烧技术，已能实现自动化控制。但是，因空心砖规模化生产现状，其焙烧质量依然会出现波动。
（1）、烧成隧道窑预热带
在烧成隧道窑预热带，避免因烟气温度低和排潮不畅，干坯产生结露和回潮，此类弊病，造成砖坯内的颗粒之间互相分离，坯体疏松，砖坯经过高温带后，缺陷将进一步加剧，使得成品出现哑音和裂纹，对成品强度影响较严重。因此，在烧成隧道窑预热带，严格控制烟气温度，并保持排潮顺畅，避免干坯结露和回潮是关键措施。同时，在预热带中，砖坯升温曲线应平稳，避免升温过急，造成砖坯内因残余水分排出不一致而出现裂纹或爆裂。
（2）、烧成隧道窑高温带
在烧成隧道窑高温带，适宜的烧结温度范围和高温带长度，对烧结空心砖强度和稳定性至关重要。由于隧道窑工艺，顶窑车进入隧道窑，预热带、高温带和冷却带有一个车位的移动，其中，对高温带的温度波动影响最大。在现代隧道窑焙烧技术中，可采用隧道窑自动化焙烧控制系统，实现温度自动监测和自动投煤、自动调整风机风量，保证烧结温度范围和高温带长度的稳定，避免欠火砖或过火砖产生。
（3）、烧成隧道窑冷却带
隧道窑冷却带长度和冷却过程，是稳定烧结空心砖强度的重要环节，也是烧结曲线中重要组成部分。足够时间内的平稳冷却，可得到强度高、颜色正、有钢声的产品。否则，出现哑音砖及裂纹砖。
空心砖焙烧过程中，产品必须满足强度达到MU3.5、MU5.0、MU7.5、MU10.0 MPa，吸水率需满足：优等品≤16%、一等品≤18%、合格品≤20%。在烧结温度范围内，随着烧结温度的提高，烧结程度越好，吸水率降低，产品强度增加。但因原料性能不同，烧结温度范围的控制必须严格，否则产品收缩率加大，外观尺寸不能满足标准要求。
3、结束语
烧结空心砖性能指标，除去标准要求外，还有导热系数、放射性等项目检查要求。成品送检及性能达标，是企业生产和市场销售必须满足的要求。因此，围绕原料分析、配料、制备、成型、干燥、烧成等环节，建立规范的烧结空心砖生产工艺管理及质量管理规定，其中，重点加强混合料细度和陈化的质量管理；成型过程中，确保湿坯孔洞率；保证干燥坯残余含水率低于6%；烧成过程中，避免预热带干坯冷凝和回潮、高温烧成带烧结温度的准确性、足够的冷却时间，避免裂纹砖的产生。
当企业生产不同产品时，适用国家标准不同，完善与国家标准中检验项目为依据的工艺管理及质量管理制度，对企业的持续发展，是必要的。
参考文献：
1、湛轩业 傅善忠 傅力澜 万军 编著《现代砖瓦——烧结砖瓦产品与可持续发展建筑的对话》 中国建材工业出版社，2009年.
2、张云洪主编《陶瓷工艺技术》 教育部高职高专规划教材，2011.
3、 殷念祖,《烧结砖瓦工艺》 中国建筑工业出版社， 1982.
作者：陈荣生