河道淤泥制備免燒結磚性能研究

陳卓睿，楊政險，張 勇，施 鵬

福州大學 土木工程學院，福建 福州 350108

1 引言

福建的河網(wǎng)密度大，境內河流總長度約1.3 萬km，河網(wǎng)密度每平方公里超過0.1 km。每條河流的河床上都會隨時間的推移而沉積有大量的河道淤泥，河道淤泥會造成河水滯流、水體渾濁甚至產(chǎn)生黑臭和有害的污染物沉積，嚴重影響周邊的生態(tài)環(huán)境。疏浚淤泥又具有含水量大的特點，在疏浚河道的清淤工作完成后需要經(jīng)過晾曬后方可外運處理。這不僅占用了大量的場地，更有可能在晾曬、露天放置的過程中影響周圍空氣環(huán)境、造成重金屬溢出以及二次污染晾曬土地等問題。福建省如此密集河流網(wǎng)使得福建清淤疏浚、處理淤泥工作變得尤為重要和迫切。因此，尋找一種能大量處理淤泥、創(chuàng)造經(jīng)濟效益的解決辦法成為河流疏浚和改造環(huán)境的關鍵，也是符合我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略目標規(guī)劃［1］。

現(xiàn)階段淤泥在建材方面的運用主要有制作建筑陶粒、建筑用磚以及公路的基層土基的固化土。支楠［2］等通過對淤泥進行預處理、造粒、回轉窯燒結等工序制作建筑陶粒；秦世偉［3］等對水泥土進行一系列的無側限抗壓強度測試實驗，發(fā)現(xiàn)通過改變水泥摻量和外加固化劑摻量可以改善水泥土的養(yǎng)護環(huán)境；趙曉晴［4］等發(fā)現(xiàn)運用摻磷尾礦砂的淤泥固化土的水穩(wěn)定性較好，而且能顯著提高土基的強度；劉晨［5］等利用當?shù)貣|湖淤泥為主要材料，經(jīng)試驗探究發(fā)現(xiàn)加入鐵尾礦渣和活性炭經(jīng)過1180℃燒結30min 可獲得質量良好的輕質建筑陶粒；張亞梅、梅皓［6］等探究了在淤泥中摻入不同的物質對最終燒結磚強度的影響，最終發(fā)現(xiàn)摻入10%的頁巖以及摻入10%的磚粉的燒結磚成型性較好，也有較高的強度和耐久性，但是在摻入2%的煤粉灰組別各項指標均下降；蔣正武［7］等提出了利用生物質燃料代替煤炭燃料、利用河道淤泥代替粘土原料燒結制備河道淤泥多孔磚，并開發(fā)出太陽能干燥技術、煙氣處理和余熱利用技術；范杰、李庚英［8］通過正交試驗分析篩選最佳的再生淤泥免燒磚的配合比設計，并在實驗中發(fā)現(xiàn)泥灰比是影響再生淤泥免燒磚強度和耐久性的最主要因素，且3：1 時為最佳泥灰比。

上述幾種主要的淤泥建材化資源再利用方法中，制造陶粒和燒結磚需要消耗大量的燃料資源，制造成本較高；在利用淤泥固化土壤的工藝中，受淤泥本身性質限制與固化土層強度的要求，通?？蓳郊拥挠倌嗔糠浅Ｓ邢?。淤泥的建材化資源再利用的根本目的是為了變廢為寶，解決淤泥的處理以及由此可能產(chǎn)生的環(huán)境污染問題。因此本研究探究一種經(jīng)濟低耗、淤泥使用量多的工藝來處理淤泥具有顯著的經(jīng)濟社會效益。

2 實驗

2.1 原材料及表征方法

2.1.1 淤泥

本實驗所使用的淤泥取自福建省福州市白馬河，平均含水率經(jīng)測試為40%，其淤泥主要化學組分和主要物質構成分別采用XRF（X 射線熒光光譜分析）和XRD（X 射線衍射）測得，其結果如表1 和圖1 所示。

由圖1 分析可知，淤泥中主要含有石英、白云石等主要礦物，其中還包含少量有機物。且從衍射峰可以看出，石英的吸收峰較為尖銳，表明淤泥火山灰活性較弱。

2.2 配合比篩選

表1 淤泥樣品XRF 成分分析

圖1 淤泥樣品XRD 檢測圖

為提高凈漿的工作性能，有利于后期試驗淤泥的加入，實驗中所選用的基本體系為堿粉煤灰水泥體系，基本配合比確定各物質的質量關系如下：水泥：粉煤灰=1：3；實驗選用苛性鈉、水玻璃、硫酸鈉、碳酸鈉等試劑作為活性激發(fā)劑經(jīng)多次試配測試，并綜合考慮經(jīng)濟成本因素，最終選用硫酸鈉作為本實驗主要的激發(fā)劑，摻量依次取0、3%、5%和7%。

2.2.1 水膠比確定

水膠比是指配方中水與膠凝材料（水泥+粉煤灰+硫酸鈉）的質量之比。所有實驗試塊組都摻入不同量的硫酸鈉，當摻量為7%時，試塊均會發(fā)生開裂現(xiàn)象。如下圖2 所示。

圖2 S7/0.4 組試樣開裂圖

實驗結果發(fā)現(xiàn)，水膠比為0.4、硫酸鈉為0、3%和5%的配方流動性一般，試塊能正常凝結硬化。但當硫酸鈉摻量為7%時，試塊出現(xiàn)了開裂至完全損壞的現(xiàn)象，為了解決開裂并防止加入淤泥后流動性較差的問題，因此提高配方水膠比。實驗發(fā)現(xiàn)，當基本組水膠比為0.6 時試塊具有更加良好的流動性，且無開裂現(xiàn)象。

2.2.2 激發(fā)劑摻量確定

將研究對象確定為“S*/0.6”（S*/0.6中“S”代表堿激發(fā)劑為硫酸鈉，“*”代表不同的硫酸鈉摻量，“0.6”代表水膠比為0.6.），探究不同硫酸鈉摻量對試塊強度的影響，具體結果如圖3 所示。

由圖3 可知，激發(fā)劑硫酸鈉的摻量為3%，試塊各齡期的強度均為最高。在硫酸鈉摻量小于3%時，試塊強度隨硫酸鈉摻量的增加而提高；當硫酸鈉摻量大于3%時，試塊強度隨硫酸鈉摻量的增加而降低。故確定以硫酸鈉為激發(fā)劑的最佳摻量為3%。

圖3 基準組試塊強度/齡期變化點線圖

2.2.3 配合比確定

現(xiàn)以膠凝成分質量的40%稱取淤泥，代替對應質量的膠凝組分。外加水質量為所需水質量減去淤泥中所含的40%的水質量。所得配方（含對照組配方）如下表2 所示。

表2 淤泥試塊配方 %

圖4 基準組和淤泥實驗組試塊強度/齡期對比柱狀圖

由上圖4 可知，摻加淤泥代替膠凝組分所制得的試塊強度明顯下降，其中28 天抗折強度下降了37.8%，抗壓強度降低了78.3%。

3 微觀分析

3.1 S7/0.4 組開裂機理原因分析

對S7/0.4組的開裂試塊粉末進行SEM 電鏡和XRD 測試掃描測試，其測試結果分別如圖5 和圖6 所示。

圖5 S7/0.4 試塊SEM 電鏡掃描圖

由圖5 的SEM 掃描電鏡圖可知，S7/0.4組試塊反應產(chǎn)物有生成大量針狀物質。結合圖6 的XRD 成分分析可知，S7/0.4組試塊由于加入了過量的硫酸鈉，反應體系中硫酸根離子濃度急劇上升，與水泥中以及水泥水化過程中的產(chǎn)生的Al2O3和Ca（OH）2等組分發(fā)生急劇化學反應，生成了大量的鈣礬石［8］，反應式如下（1）：

鈣礬石是造成水泥體積不安定性的重要因素之一，由于生成鈣礬石導致體積膨脹產(chǎn)生的內應力大于試塊本身所能承受的最大應力［9］，最終導致試塊開裂。

圖6 S7/0.4 試塊XRD 檢測圖

實驗發(fā)現(xiàn)，相同的硫酸鈉摻量，通過增大水灰比可以有效防止開裂。這是因為高水膠比試塊中的各種膠凝分子的致密程度要大于低水膠比試塊中分子的致密程度，具體如圖7（a）、（b）所示，這使得試塊中生成同樣多的鈣礬石、也產(chǎn)生膨脹內應力的基礎上，有更多的富余空間來抵消開裂所產(chǎn)生的內應力，從而減少了開裂。

圖7 不同水灰比下淤泥SEM 掃描電鏡對比圖

3.2 淤泥試塊強度變化機理分析

由之前材料的性質表征（XRD、XRF 等）可以看出，淤泥本身火山灰活性非常弱［10］，利用淤泥來代替膠凝組分必然導致水化產(chǎn)物分子間的膠凝效果變差，最終導致強度下降。

4 結論

（1）在利用硫酸鈉為激發(fā)劑時，當硫酸鈉摻量小于3%時，試塊強度隨激發(fā)劑摻量增大而增大；當硫酸鈉摻量大于3%時，試塊強度隨激發(fā)劑摻量增大而減小。所以硫酸鈉為激發(fā)劑時最佳的摻量為3%左右。

（2）加入過量的硫酸鈉會導致反應生成大量的鈣礬石進而導致試塊開裂。而提高配方的水膠比可以有效減少試塊的開裂，這是因為大水膠比的配方在水化反應后分子間有更多富余的空間能有效抵消鈣礬石膨脹應力造成的破壞。

（3）在利用淤泥來替代膠凝材料的過程中，試塊的強度發(fā)生了顯著的下降。因為淤泥膠凝活性較低，加入的淤泥沒有膠凝作用較弱，而膠凝組分的含量減少，試塊內部分子間膠凝效果變差，強度降低。