城市河道淤泥資源化利用的燒結(jié)制磚試驗研究

徐 楊，閻長虹，許寶田，阮曉紅，郭 超

（南京大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京210093）

城市河道不僅是城市之中的一道美麗風(fēng)景線，而且還擔(dān)任著排污、行洪的功能。由于大量的城市生活垃圾、各種廢水排入河道，加之水流速度較緩，河道淤積往往較為嚴(yán)重，一般3～5a就需要進(jìn)行清淤。以南京市內(nèi)秦淮河中段為例，每年淤積深度在20～40cm。由于沉積物來源非常復(fù)雜，疏浚河道清出的淤泥處理非常困難。淤泥大量淤積，一方面抬高河床，使其行洪能力下降；另一方面，由于河床抬高，水流速度下降，使河道排污能力和自凈能力也隨之下降，進(jìn)一步加劇河道淤積。在這河道淤泥還會造成河水嚴(yán)重的二次污染，促使河水水質(zhì)不斷惡化。因此，為了保證城市河道的景觀功能以及沿河居民的良好生活及工作環(huán)境，必須要對城市河流定期實施清淤工程，這將產(chǎn)生大量城市河道疏浚淤泥。

疏浚淤泥具有高含水率、高壓縮性、低滲透性等特點，難以在工程上直接應(yīng)用［1－2］。主要處置方法有填埋、固化處理和燒結(jié)處理，填埋是較為簡便的處理方法，但淤泥可能對填埋場地造成二次污染，且占用大量的土地資源［3］。顯然，對疏浚淤泥資源化利用的研究更具有重要的實際意義。

城市河道淤泥與湖、海相淤泥的性質(zhì)有較大差異［4］，在前期的固化處理試驗中，采用不同的固化材料對城市河道淤泥進(jìn)行室內(nèi)固化試驗，試驗結(jié)果見表1。從表1可以看出，固化效果最好的是摻量為20%的水泥固化土，但其28d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度僅為670kPa，明顯低于其處理一般軟土的固化效果，難以使其在工程上推廣應(yīng)用。

表1 不同固化材料對試驗淤泥的固化效果

利用燒結(jié)處理的方法對固體廢棄物加以利用的研究很多［5－12］，如任伯幟［4］等研究了以城市污水污泥、粉煤 灰和 粘土為原料燒磚的試驗研究，在原料中可摻入30%左右該類城市污泥，燒制成品性能可滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求，李旺等［5］研究了高含量城市污泥制備輕質(zhì)微孔磚，當(dāng)城市污泥含量55%～75%時摻入一定黏土及改性可獲得各項指標(biāo)滿足要求的輕質(zhì)微孔磚；Chen等［6］以污泥焚燒灰、粘土和少量納米SiO2為原料燒制磚瓦，并通過宏微觀結(jié)合的方法研究了燒成品的物理力學(xué)性能，結(jié)果表明納米SiO2的加入可有效改善磚瓦的物理力學(xué)性質(zhì)；Chiang等［7］研究了利用污水污泥和稻殼燒制輕質(zhì)磚，當(dāng)燒結(jié)溫度為1 100℃、稻殼含量為15%時，其輕質(zhì)、高強(qiáng)度的磚塊能滿足相關(guān)規(guī)范的要求，He等［8］研究了以黃河淤泥和赤泥為原料燒結(jié)制磚的可行性，結(jié)果表明：赤泥含量為40%、燒結(jié)溫度1 050℃和燒結(jié)時間2h是較為適宜的燒結(jié)條件。這些研究多針對污水污泥的燒結(jié)試驗研究，對城市河道疏浚淤泥的研究甚少。

本文以城市河道疏浚淤泥和南京地區(qū)典型下蜀土為原料，以不同比例混合后在不同燒結(jié)溫度下進(jìn)行燒結(jié)制磚試驗，分別測試了燒成品的體積密度、燒失率、吸水率、線收縮率和抗壓強(qiáng)度等物理力學(xué)參數(shù)，并運(yùn)用X射線衍射（XRD）和掃描電子顯微鏡（SEM）等方法對燒成品的礦物成分以及微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，研究了燒結(jié)溫度和粘土含量對試樣燒結(jié)效果的影響，為實現(xiàn)城市河道淤泥的資源化利用提供了科學(xué)依據(jù)。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

磚塊樣品的制作原料主要由以下2種原料：淤泥、粘土。淤泥取自南京市內(nèi)秦淮河中段中山南路橋附近；粘土取自南京大學(xué)浦口校區(qū)，為典型南京地區(qū)下蜀土，原料來源豐富。將淤泥、粘土風(fēng)干后碾碎，過2mm篩以保證原料的均勻性。

圖1 試驗材料粒徑分布曲線

利用篩分法和密度計法聯(lián)合測定了淤泥和粘土的粒徑分布，其結(jié)果如圖1所示。該淤泥的黏粒含量（＜0.005mm）為16.7%，粉粒含量（0.074～0.05mm）為74.7%，砂粒含量（＞0.074mm）為8.6%。該粘土的黏粒含量（＜0.005mm）為23.4%，粉粒含量（0.074～0.05mm）為75.1%，砂粒含量（＞0.074mm）為1.5%。

圖2 試驗材料XRD衍射圖

采用X射線衍射的方法對試驗材料的礦物成分進(jìn)行測定，衍射圖譜如圖2所示。石英礦物是最主要的衍射峰，且粘土的石英礦物衍射強(qiáng)度比淤泥高，說明粘土中石英礦物的含量比淤泥更高。另外鈉長石、白云母、方解石、高嶺石等礦物的衍射峰也有出現(xiàn)，但衍射強(qiáng)度相對較低。

化學(xué)成分采用美國熱電ARL9800XP＋型X射線熒光光譜儀進(jìn)行測試，結(jié)果如表2所示。淤泥和粘土的成分都是以SiO2主，分別占總量的61.365%、66.418%，與XRD試驗結(jié)果一致；粘土的 Al2O3、FeO含量略高于淤泥，分別為13.842%、5.22%；而CaO、MgO的含量則低于淤泥，分別為1.27%、1.43%；其余成分含量較為接近，但淤泥的燒失量明顯高于粘土，主要是由于淤泥中含有大量有機(jī)質(zhì)所致。

表2 試驗材料的化學(xué)成分 %

續(xù)表2

1.2 試驗方法

淤泥與粘土的比例分別為7：3、3：2和1：1（如表3），將原料混合均勻，根據(jù)質(zhì)量計算加入適量自來水使混合物含水率為40%，充分?jǐn)嚢?min，拌合完成的原料裝入塑料袋悶料24h。設(shè)計磚塊試樣干密度為1.55g／cm3，將原料分三層壓樣成型，模具大小為7cm×7cm×7cm。試樣在自然條件下風(fēng)干48h拆模，放入105℃的烘箱內(nèi)烘干24h。最后，烘干后的試樣在高溫爐進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度分別為1 000℃、1 050℃、1 100℃。嚴(yán)格控制升溫速率，從室溫升到燒結(jié)溫度所需時間為1h，在相應(yīng)燒結(jié)溫度下保溫?zé)Y(jié)2h，最后關(guān)閉加熱裝置讓試樣自然冷卻，燒制完成。

表3 原料混合配比

本次研究中，根據(jù)燒結(jié)普通磚試驗規(guī)范（GB 5101—2003）［13］，分別對磚塊的燒失率、線收縮率、吸水率和抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了測試。線收縮率為長、寬、高3個方向線收縮率的平均值，吸水率采用真空抽氣法進(jìn)行測定，抗壓強(qiáng)度采用巖石單軸壓縮機(jī)進(jìn)行試驗。XRD和SEM的試驗儀器分別為瑞士ARL公司的X′TRA和日本Hitachi公司的S－3400NII。

2 燒成品宏觀物理力學(xué)性質(zhì)

磚坯燒結(jié)后的試樣如圖3所示，試樣的尺寸、色澤等性質(zhì)隨粘土摻量和燒結(jié)溫度的變化較明顯，當(dāng)燒結(jié)溫度增加到1 100℃時，3種試樣均不同程度出現(xiàn)過燒現(xiàn)象，且過燒程度隨粘土含量減小而逐漸嚴(yán)重。為了研究原料用于制磚的適宜燒結(jié)溫度和粘土含量，分別測試了試樣的體積密度、燒失率、吸水率、線收縮率和抗壓強(qiáng)度。

圖3 燒結(jié)后的試樣

2.1 體積密度

體積密度是燒成品的重要特性，可以表征試樣的燒結(jié)效率和致密化程度。一般而言，隨著燒結(jié)溫度的提高，燒結(jié)樣品的密度隨之提高。主要由于隨著溫度的提高，溫度的熱驅(qū)動力隨之增強(qiáng)，促使致密化，也有利于試驗材料中的礦物顆粒團(tuán)聚和晶體生長［14］。從圖4可以看出，所有燒成品密度普遍較低，為1.2～1.45g／cm3之間，主要是由于淤泥中大量有機(jī)質(zhì)的燒失。隨著粘土含量增加，磚塊密度也隨之增大。當(dāng)燒結(jié)溫度為1 050℃時，試樣的表觀密度較1 000℃和1 100℃高，而并未隨著燒結(jié)溫度增加，體積密度增加。這主要是由于當(dāng)燒結(jié)溫度增加到1 100℃時，3種不同配比的試樣均出現(xiàn)了過燒的現(xiàn)象，體積出現(xiàn)明顯膨脹，從而使密度急劇下降。

圖4 試樣表觀密度變化規(guī)律

圖5 試樣燒失量百分比變化規(guī)律

2.2 燒失率

試樣在燒結(jié)過程中，由于有機(jī)質(zhì)的燒失和晶體礦物間物理化學(xué)反應(yīng)過程中部分固體相晶體變?yōu)闅怏w逃逸到空氣中，因此，試樣的質(zhì)量將減小。3種配比條件下試樣在不同溫度下的燒失率變化規(guī)律如圖5所示，燒失率分布在9%～12%之間。隨著粘土含量的增加，燒失量逐漸減小，這主要是因為粘土含量增加，淤泥相對含量減小，從而試樣中有機(jī)質(zhì)的含量也相應(yīng)減小。隨著燒結(jié)溫度的增加，各組樣品的燒失率均逐漸增大，但總體變化幅度較小。其主要原因是試樣在燒結(jié)過程中質(zhì)量損失的主要部分是有機(jī)質(zhì)等物質(zhì)的燒失，從試驗中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)高溫爐溫度增加到400～700℃之間時，爐內(nèi)排除大量刺激性氣體，當(dāng)溫度超過700℃時無明顯刺激性氣體排除，有機(jī)質(zhì)的燒失在700℃以下時就基本完成，因此，溫度從1 000℃增加到1 100℃時，燒失量變化幅度較小。

2.3 線收縮率

線收縮率是反應(yīng)試樣在燒結(jié)過程中空隙的收緊或收縮規(guī)律。試樣燒結(jié)后收縮率的變化如圖6所示，可以看到線收縮率均為負(fù)值，表明試樣燒結(jié)后體積有所增大。1 050℃時，不同配比試樣線收縮率均小于－1%，明顯低于1 000℃和1 100℃的試樣。當(dāng)燒結(jié)溫度為1 000℃和1 050℃時，粘土含量的變化時試樣收縮率變化較小，而燒結(jié)溫度為1 100℃時，隨著粘土含量的增加，試樣線收縮率變化顯著，且逐漸減小。從燒結(jié)完成后試樣的外觀可以明顯看出（見圖3），只有在燒結(jié)溫度為1 100℃條件下3種不同配比的試樣都出現(xiàn)了過燒的現(xiàn)象，隨著粘土含量的增加，過燒的程度越弱，粘土含量在該燒結(jié)溫度下對燒結(jié)效果影響非常顯著，因此，當(dāng)溫度增加到1 100℃時，線收縮率隨粘土含量增加而明顯減小。

圖6 試樣線收縮率變化規(guī)律

2.4 吸水率試驗

吸水率是反映試樣的開口空隙的數(shù)量的指標(biāo)，吸水率越大，開口空隙越多，反之亦然。試樣燒結(jié)后吸水率變化規(guī)律如圖7所示，1 050℃的燒結(jié)溫度下的試樣吸水率最低，1 000℃燒結(jié)溫度下的樣品稍高，1 100℃燒結(jié)溫度下的樣品最高。隨著粘土含量的增加，各個燒結(jié)溫度下的試樣吸水率均有所降低，說明在高溫?zé)Y(jié)過程中，淤泥成分中玻璃類晶體逐漸膨脹使空隙增大，粘土的摻入有利于減少試樣燒結(jié)后開口空隙的數(shù)量。綜合對比，1 050℃燒結(jié)溫度下粘土摻量為50%時的試樣吸水率最低，為17.28%，滿足現(xiàn)有規(guī)范對燒結(jié)磚吸水率的要求。

圖7 試樣吸水率變化規(guī)律

2.5 抗壓強(qiáng)度

抗壓強(qiáng)度是反應(yīng)試樣結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的指標(biāo)，決定了燒結(jié)磚的用途。抗壓強(qiáng)度是試樣內(nèi)部顆粒膠結(jié)強(qiáng)度以及空隙分布特征的集中體現(xiàn)，其變化規(guī)律如圖8所示。隨著粘土含量的增加，試樣抗壓強(qiáng)度有所提升，粘土含量40%增至50%的強(qiáng)度增幅大于粘土含量30%增至40%的強(qiáng)度增幅，說明繼續(xù)增加粘土含量，試樣的強(qiáng)度還會有提升的空間。在不同燒結(jié)溫度下，試樣的抗壓強(qiáng)度有較大差異，1 050℃燒結(jié)溫度下試樣所獲得的抗壓強(qiáng)度最高，1 100℃燒結(jié)溫度下試樣抗壓強(qiáng)度最低。說明該種原料配比條件下燒結(jié)的最佳溫度為1 050℃左右，而溫度達(dá)到1 100℃時，各種配比的試樣均出現(xiàn)過燒的現(xiàn)象，磚塊各種性能急劇下降，因而磚塊抗壓強(qiáng)度明顯降低。

圖8 試樣抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律

圖9 燒成品XRD衍射圖

3 燒成品微觀性質(zhì)

3.1 XRD分析

通過XRD對燒成品進(jìn)行礦物成分分析（如圖9），高溫?zé)Y(jié)后試樣的礦物晶體主要為石英，還有少量的鈉長石、方解石和白云母，通過與試驗材料礦物成分的對比，礦物種類未發(fā)生明顯變化。燒結(jié)溫度和粘土含量對礦物晶體的生成有一定影響：當(dāng)粘土含量均為50%時（S3），燒結(jié)溫度從1 000℃提高到1 100℃，石英等礦物衍射強(qiáng)度先增加后減少，說明過高或過低的燒結(jié)溫度都不利于礦物晶體的生成；當(dāng)燒結(jié)溫度均為1 050℃時（S1－1 050、S3－1 050），粘土含量從30%增加50%，石英等礦物衍射強(qiáng)度有顯著增加，這是由粘土與淤泥礦物成分的差異所致。

3.2 SEM分析

SEM圖片揭示了燒成品的微觀結(jié)構(gòu)特征，如圖11所示。對比圖10（b）和圖10（c），隨著粘土含量增加，試樣中大孔隙逐漸減少，且顆粒間聚集更加緊密，說明粘土含量增加可有效改善燒成品顆粒間積聚的緊密程度，在宏觀上表現(xiàn)為吸水率減小，抗壓強(qiáng)度增加；對比圖10（a）、圖10（c）和圖10（d），粘土含量均為50%，當(dāng)燒結(jié)溫度為1 050℃時，顆粒間接觸更為緊密，顆粒積聚體大小分布較均勻，幾乎未見大孔隙，當(dāng)燒結(jié)溫度降低為1 000℃時，液相晶體結(jié)晶對空隙填充作用不夠充分，有少量大孔隙的存在且顆粒積聚體大小分布不均勻，當(dāng)燒結(jié)溫度增加到1 100℃時，顆粒間膠結(jié)比較好，但是大孔隙急劇增多，顆粒骨架支撐作用減弱，宏觀物理力學(xué)性質(zhì)急劇下降，試樣出現(xiàn)過燒現(xiàn)象。

圖10 燒成品SEM圖像（500×）

以粘土含量50%為例，燒結(jié)溫度1 050℃時，燒成品的燒失率、吸水率、線收縮率和抗壓強(qiáng)度等性質(zhì)均優(yōu)于燒結(jié)溫度為1 000℃和1 100℃時。因此，燒結(jié)溫度對試樣燒結(jié)效果的影響顯著［15］。分析其原因是：當(dāng)燒結(jié)溫度較低時，少量固體礦物轉(zhuǎn)化為液相，液相對空隙的填充和對顆粒的膠結(jié)等作用效果不夠，造成試樣燒結(jié)不充分，導(dǎo)致磚塊的力學(xué)性質(zhì)較低；當(dāng)燒結(jié)溫度過高時，液相的含量急劇增加，部分礦物在相變過程中體積膨脹，使得試樣出現(xiàn)較明顯膨脹，磚塊呈現(xiàn)不規(guī)則形狀并逐漸變黑，即出現(xiàn)過燒現(xiàn)象。因此，適宜的燒結(jié)溫度是保證燒結(jié)效果的首要條件。綜合對比不同試樣燒結(jié)后的宏微觀性質(zhì)，1 050℃比較接近適宜的燒結(jié)溫度。

為了提高淤泥的利用效率，本文研究了高淤泥含量的試樣的燒結(jié)試驗。由于淤泥中有機(jī)質(zhì)含量較高，可以起到成孔的作用，所以燒結(jié)出的磚塊體積密度較低，具有輕質(zhì)保溫的特點，可有效減小磚塊運(yùn)輸使用的成本，但淤泥含量不能過高，含量50%為宜。以燒結(jié)溫度為1 050℃為例，粘土含量從30%提高到50%，磚塊體積密度從1.4g／cm3提高到1.45 g／cm3，燒失率從10.56%降低到9.21%，吸水率從21.53%降低到17.28%，抗壓強(qiáng)度從8.31Mpa增加到12.56Mpa，說明粘土含量對磚塊性質(zhì)也有較大影響。

當(dāng)粘土含量為50%時，燒結(jié)溫度為1 050℃時，磚塊的線收縮率、吸水率、抗壓強(qiáng)度均能滿足GB 5101－2003對普通磚的要求，且具有輕質(zhì)保溫的特點?；谝陨辖Y(jié)果，以城市景觀河道淤泥和粘土為原料燒結(jié)制磚是可行的，可以實現(xiàn)淤泥資源化利用。

4 結(jié) 論

1）由于淤泥中有機(jī)質(zhì)含量較高，燒結(jié)過程中可以起到成孔的作用，燒結(jié)后的磚體密度為1.2～1.45g／cm3之間，具有輕質(zhì)保溫的特點，可以降低建筑物的能源消耗，同時也可以減少磚塊運(yùn)輸成本。

2）燒結(jié)溫度對試樣燒結(jié)效果影響顯著，當(dāng)燒結(jié)溫度為1 100℃時，3種不同配比的試樣均出現(xiàn)過燒現(xiàn)象，當(dāng)燒結(jié)溫度為1 050℃時，磚塊的各種性質(zhì)均優(yōu)于其他燒結(jié)溫度，因此，控制燒結(jié)溫度為1 050℃，保溫2h是較為合適的燒結(jié)條件。

3）隨著粘土含量增加，燒成品物理力學(xué)性質(zhì)可明顯改善。當(dāng)粘土含量為50%，燒結(jié)溫度為1 050℃時，磚塊的線收縮率、吸水率、抗壓強(qiáng)度等性質(zhì)均能滿足GB 5101－2003對普通磚的要求。

試驗結(jié)果表明以城市景觀河道淤泥和粘土為原料燒結(jié)制磚是可行的。這一研究結(jié)果對城市景觀河道淤泥的處置有重要的實際應(yīng)用價值。

［1］朱偉，張春雷，劉漢龍，等.疏浚泥處理再生資源技術(shù)的現(xiàn)狀［J］.環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2002，25（4）：39－41.Zhu W，Zhang C L，Liu H L，et al.The status of dredged spoils utilization ［J］.Environmental Science and Technology，2002，25（4）：39－41.

［2］Chiu C F，Zhu W，Zhang C L.Yielding and shear behaviour of cement－treated dredged materials ［J］.Engineering Geology，2008，103：1－12.

［3］姬鳳玲，朱偉，張春雷.疏浚淤泥的土工材料化處理技術(shù)的試驗與探討 ［J］.巖土力學(xué)，2004（12）：1999－2002.Ji F L，Zhu W，Zhang C L.Study of treatment technology of dredging sludge with geosynthetizing method［J］.Rock and Soil Mechanics，2004，25（12）：1999－2002.

［4］徐楊，閻長虹，許寶田，等.城市河道淤泥特性及改良試驗初探［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2013，40（1）：110－114.Xu Y，Yan C H，Xu B T，et al.The study on properties and modification test of dredged material of urban river ［J］.Hydrogeology ＆ Engineering Geology，2013，40（1）：110－114.

［5］任伯幟，龍騰銳，陳秋南，等.粉煤灰－粘土磚燒制過程處理城市污水污泥的試驗研究 ［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2003，23（3）：414－416.Ren B Z，Long T R，Chen Q N，et al.The experimental study on utilization of the urban sewage sludge in the process of sintering brick with fly－ash and clay ［J］.ACTA Scientiae Circumstantiae，2003，23（3）：414－416.

［6］李旺，王晨，姜雪麗，等.高含量城市污泥制備輕質(zhì)微孔磚的研究 ［J］.新型建筑材料，2008，3：45－48.Li W，Wang C，Jiang X L，et al.Study on preparation of lightweight porous brick with high content of urban sewage sludge［J］.New Building Materials，2008，3：45－48.

［7］Chen L，Lin D F.Applications of sewage sludge ash and nano－SiO2to manufacture tile as construction material ［J］.Construction and Building Materials，2009，49（6）：3312－3320.

［8］Kung Y C，Ping H C，Ching R H，et al.Lightweight bricks manufactured from water treatment sludge and rice husks［J］.Journal of Hazardous Materials，2009，5：76－82.

［9］Hongtao H，Qin Y Y，Yuan S，et.al.Preparation and mechanism of the sintered bricks produced from Yellow River silt and red mud ［J］.Journal of Hazardous Materials，2012，203－204：53－61.

［10］Bilgin N，Yeprem H A，Arslan S，et.al.Use of waste marble powder in brick industry ［J］.Construction and Building Materials，2012，29：445－457.

［11］范英儒，鄧成，羅暉，等.污水污泥制備頁巖燒結(jié)磚的試驗研究［J］.土木建筑與環(huán)境工程，2012，34（1）：130－135.Fan Y R，Deng C，Luo H，et al.Experimental analysis on preparation of fired brick with shale and sewage sludge ［J］.Journal of Civil，Architectural ＆ Environmental Engineering，2012，34（1）：130－135.

［12］謝厚禮，彭家惠，鄭云，等.成孔劑對燒結(jié)頁巖磚性能的影響［J］.土木建筑與環(huán)境工程，2012，34（2）：149－154.Xie H L，Peng J H，Zheng Y，et al.Influence of pore－forming agents on the properties of sintered shale brick ［J］.Journal of Civil， Architectural ＆ Environmental Engineering，2012，34（2）：149－154.

［13］GB 5101－2003燒結(jié)普通磚 ［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003.

［14］Kung Y C，Yi C C，Kuang L C.Scrap glass effect on building materials characteristics manufactured from water treatment plant sludge ［J］.Environmental Engineering Science，2010，27（2）：137－145.

［15］宋杰光，吳伯麟.溫度制度對高性能石英砂燒結(jié)磚的性能影響研究 ［J］.武漢科技大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2005，28（1）：5－7.Song J H，Wu B L.Influence of temperature system on behaviors of high－performance quartz sand Sintering Brick ［J］.Journal of Wuhan University of Science ＆ Technical：Natural Science Edition，2005，28（1）：5－7.