固化湖泊淤泥燒結(jié)磚的性能與微結(jié)構(gòu)*

張亞梅，賈魯濤，崔 強(qiáng)，梅 浩，張培根，孫正明

(1.東南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 江蘇省土木工程材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211189；2.無錫國聯(lián)環(huán)保能源集團(tuán)有限公司，江蘇 無錫 214131；3.華電電力科學(xué)研究院，浙江 杭州 310030)

固化湖泊淤泥燒結(jié)磚的性能與微結(jié)構(gòu)*

張亞梅1*，賈魯濤1,3，崔 強(qiáng)2，梅 浩1，張培根1，孫正明1

(1.東南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 江蘇省土木工程材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211189；2.無錫國聯(lián)環(huán)保能源集團(tuán)有限公司，江蘇 無錫 214131；3.華電電力科學(xué)研究院，浙江 杭州 310030)

以固化湖泊淤泥為主要原材料，采用真空擠壓塑性成型技術(shù)制備并經(jīng)燒結(jié)得到小樣磚.對原材料進(jìn)行理化性能分析發(fā)現(xiàn)，少量固化劑的加入并未明顯改變淤泥的塑性指數(shù)、氧化物組成、礦物組成等，但對成型性能有一定的影響.測試并比較了湖泊淤泥、固化湖泊淤泥實(shí)驗(yàn)室小樣磚坯體的干燥線性收縮、燒結(jié)后小樣磚的體積密度、吸水率、強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)、抗凍性等.研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)固化淤泥摻量為90%，煤渣摻量為10%時(shí)，可制備出坯體干燥線性收縮為5.42%，成品吸水率為18.2%，強(qiáng)度為15.8 MPa的小樣磚，其綜合性能較未經(jīng)固化處理的湖泊淤泥燒結(jié)小樣磚略差.采用SEM和 MIP等測試手段對其微結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，結(jié)果表明，固化淤泥燒結(jié)小樣磚與相同煤渣摻量的湖泊淤泥燒結(jié)小樣磚相比，其微觀結(jié)構(gòu)更為疏松，未被玻璃相包裹的顆粒及未被填充的孔隙更多，孔隙率較大是導(dǎo)致其強(qiáng)度較低、吸水率較高的主要原因，但同時(shí)，其導(dǎo)熱系數(shù)略低.2種燒結(jié)小樣磚均具有好的抗凍性.

湖泊淤泥；固化淤泥；燒結(jié)磚；微結(jié)構(gòu)；強(qiáng)度

我國每年都會(huì)對河流、湖泊、港口等進(jìn)行疏浚清淤，從而產(chǎn)生大量的疏浚淤泥[1].疏浚淤泥一般表現(xiàn)出含水率高、壓縮性大、孔隙比大等特點(diǎn)[2]，是制約其在工程上應(yīng)用的主要因素[3].目前疏浚淤泥主要用于農(nóng)田[4]及園林綠化[5]，固化后用作填方材料[6-7]，生產(chǎn)建筑材料[8-10]等.淤泥固化用作填方材料是大量消耗疏浚底泥的方式之一，主要的固化方式有物理脫水固結(jié)[11]、高溫?zé)Y(jié)固化[12]和固化劑固化[13].經(jīng)固化處理后的淤泥含水率降低，壓縮性降低，力學(xué)性能得到改善[14]，一般可用于堤防加固工程、市政工程、道路工程等.但由于淤泥量大，部分淤泥經(jīng)固化處理后未能得到合理利用，造成環(huán)境二次污染.地方政府和環(huán)境保護(hù)部門迫切希望為經(jīng)固化處理后未能得到及時(shí)利用的淤泥尋找其他的利用途徑.國內(nèi)外已經(jīng)進(jìn)行了大量的利用疏浚淤泥制備燒結(jié)磚的研究[15-16].淤泥制磚不僅可以解決傳統(tǒng)燒結(jié)磚用黏土質(zhì)材料資源緊缺的問題，而且燒結(jié)過程中淤泥中的重金屬可以得到有效固化[17]，進(jìn)而解決因?qū)τ倌嗵幹貌划?dāng)可能造成的二次污染等問題.因此，利用淤泥制磚，環(huán)境、社會(huì)綜合效益顯著.

淤泥制磚主要有2種工藝方式，一種是模具壓制成型[15,18]，另一種是塑性擠壓成型[9,19].由于后者更能適應(yīng)工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)，已得到廣泛應(yīng)用，并可根據(jù)不同需求制備出墻體承重磚、保溫磚、路面磚等.但是，由于淤泥一般都具有顆粒細(xì)微、塑性指數(shù)較高的特點(diǎn)，塑性擠出成型需要較高的成型水分，因此，坯體干燥收縮較大，極易產(chǎn)生裂紋[19].目前主要是通過添加粉煤灰、煤渣等瘠性料來降低干燥收縮率[18].固化后的淤泥一般具有較小的收縮，但是，以固化淤泥為主要原材料生產(chǎn)燒結(jié)磚的研究在國內(nèi)外基本空缺，固化劑的加入對燒結(jié)磚性能影響的研究尚未見報(bào)道.為此，本文進(jìn)行了以固化湖泊淤泥(以下簡稱固化淤泥)為主要原材料制磚的研究，并與未固化湖泊淤泥(以下簡稱湖泊淤泥)燒結(jié)小樣磚性能進(jìn)行比較，同時(shí)對燒結(jié)磚的微觀形貌、孔隙率、孔徑分布等進(jìn)行研究，探討2種燒結(jié)磚性能差異的原因.

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

實(shí)驗(yàn)室制備燒結(jié)小樣磚所用主要原材料為固化淤泥和湖泊淤泥，并采用煤渣作為瘠性料.本研究用固化淤泥為無機(jī)固化劑固化后的湖泊淤泥，但具體固化方法不詳，因此，主要通過其塑性指數(shù)、氧化物組成等與未固化湖泊淤泥進(jìn)行比較.

1.1.1 塑性指數(shù)

塑性指數(shù)參照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—1999)中液、塑限聯(lián)合測定法測試，湖泊淤泥和固化淤泥的塑性指數(shù)分別為14.2和14.0.固化劑的加入使得淤泥的塑性指數(shù)略有降低，但滿足生產(chǎn)燒結(jié)磚對原材料塑性指數(shù)的要求.

1.1.2 氧化物組成

采用X射線熒光光譜儀(XRF)測試干燥原材料的化學(xué)組成，得到淤泥、固化淤泥的氧化物組成見表1.可以看出，淤泥主要氧化物組成為SiO2，Al2O3，F(xiàn)e2O3等，其種類和含量都與黏土相似，滿足生產(chǎn)燒結(jié)磚對原材料化學(xué)組成的要求.固化淤泥的氧化物組成和湖泊淤泥接近，說明固化時(shí)摻加的固化劑含量很小，對淤泥氧化物的組成影響很小.

表1 原材料的氧化物組成

1.1.3 礦物組成

采用X射線衍射儀(XRD)對湖泊淤泥、固化淤泥的礦物組成進(jìn)行分析，如圖1所示.可以看出，湖泊淤泥、固化淤泥主要由石英、鈉長石、白云母等礦物組成，少量固化劑的加入并沒有影響到淤泥的主要礦物組成.

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 檢測方法

參照《砌墻磚試驗(yàn)方法》(GB/T 2542—2012)進(jìn)行體積密度、吸水率、強(qiáng)度等性能測試；采用TPS 2500S型熱常數(shù)測定儀測試燒結(jié)小樣磚的導(dǎo)熱系數(shù).采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察燒結(jié)小樣磚的微觀形貌；采用壓汞儀(MIP)測試燒結(jié)小樣磚的孔隙率及孔徑分布.

2θ/(°)

1.2.2 實(shí)驗(yàn)室燒結(jié)小樣磚的制備

物料粒徑分布對成型和坯體質(zhì)量有較大影響，大顆粒較多時(shí)，物料間黏結(jié)性能較差且難以混合均勻；微小顆粒較多時(shí)，物料干燥困難且收縮較大易開裂.本試驗(yàn)所用原材料需經(jīng)烘干、破碎、過篩(2 mm).將原材料按照配合比干混均勻、加水、攪拌、陳化3 d后使用.

1) 成型.采用小型真空擠壓機(jī)對陳化后的物料進(jìn)行塑性擠出成型.成型水分較高時(shí)會(huì)造成成型壓力較小，坯體易變形、開裂；成型水分較低時(shí)，物料間黏結(jié)性能較差．成型壓力過高，對器械的磨損也較大.根據(jù)物料的特點(diǎn)和小型真空擠壓機(jī)的實(shí)際情況，調(diào)整成型水分為20%，壓力為1 MPa，真空度為-0.075 MPa.成型后的泥條經(jīng)鋼絲切割成長度約50 mm和100 mm小樣磚，長度為50 mm的小樣磚用于測試強(qiáng)度，線性干燥收縮等其他性能的測試則用100 mm長的小樣磚進(jìn)行.2種小樣磚的截面尺寸均為28 mm×17 mm.

2) 干燥.成型后的小樣磚首先在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)自然干燥24 h，然后放入鼓風(fēng)干燥箱中，由室溫開始緩慢升溫，升溫速率控制在10 ℃/h，并在最高溫度105 ℃恒溫4 h，保證小樣磚充分干燥.干燥過程中磚坯未產(chǎn)生裂紋.

3) 焙燒.干燥后的小樣磚放入實(shí)驗(yàn)室電爐中焙燒，控制升溫速率<100 ℃/h，并在最高燒成溫度950 ℃保溫2 h，然后隨爐冷卻.整個(gè)過程約為24 h.

試驗(yàn)所用配比見表2.

表2 試驗(yàn)配比

2 小樣磚的性能

2.1 成型性能

成型后的小樣磚如圖2所示.可以看出，未經(jīng)固化處理的湖泊淤泥磚坯表面及棱邊光滑平整，成型效果較好，固化淤泥小樣磚表面光滑平整，但棱邊較粗糙，有成型裂紋出現(xiàn)，且隨著煤渣摻量的增加，棱邊粗糙程度有所增加.主要是因?yàn)楣袒倌嗤凉ちW(xué)性能較好、泥質(zhì)較硬，在相同成型水分下，其塑性較差，成型效果略差.

圖2 湖泊淤泥與固化淤泥成型效果對比

小樣磚坯體的干燥線性收縮、燒結(jié)后的體積密度、吸水率、導(dǎo)熱系數(shù)等基本性能見表3.

2.2 干燥線性收縮與體積密度

坯體的干燥收縮與成型水分、壓力、物料的塑性指數(shù)等都有一定的關(guān)系.由表3可看出，未摻煤渣時(shí)，固化淤泥小樣磚的干燥收縮小于未固化淤泥小樣磚，這是因?yàn)樘砑庸袒瘎┑挠倌嘁话阃凉ちW(xué)性能較好，泥質(zhì)較硬，自身干燥收縮較小，較小的干燥收縮可以降低坯體在干燥過程中出現(xiàn)開裂、變形等缺陷的幾率.煤渣起到瘠性料的作用，隨著煤渣摻量的增加，淤泥/固化淤泥小樣磚的干燥線性收縮都降低.未摻煤渣時(shí)，固化淤泥燒結(jié)小樣磚的體積密度為1 668 kg/m3，較湖泊淤泥燒結(jié)小樣磚降低2.5%.隨著煤渣摻量的增加，固化淤泥、湖泊淤泥燒結(jié)小樣磚的體積密度均略有降低.當(dāng)煤渣摻量相同時(shí)，固化淤泥燒結(jié)小樣磚的體積密度較未固化淤泥小樣磚小，主要原因是固化淤泥具有較小的干燥收縮，對體積密度的降低起著一定的作用.

2.3 吸水率與導(dǎo)熱系數(shù)

吸水率和導(dǎo)熱系數(shù)是評價(jià)燒結(jié)磚耐久性和保溫隔熱性能的重要指標(biāo)，與其內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系.由表3可看出，未摻煤渣時(shí)，固化淤泥和湖泊淤泥燒結(jié)小樣磚的吸水率分別為16.1%和15.4%，固化淤泥燒結(jié)小樣磚的吸水率略大.隨著煤渣摻量的增加，燒結(jié)小樣磚的吸水率逐漸增大.在煤渣摻量相同時(shí)，固化淤泥燒結(jié)小樣磚吸水率較未固化淤泥小樣磚大，主要是因?yàn)楣袒瘎┮话銥闊o機(jī)類材料，干燥過程中可以在一定程度上起瘠性料的作用，對于降低干燥線性收縮有一定作用，使其干燥后獲得相對多孔的結(jié)構(gòu)，且其燒失量較小，混合料整體有機(jī)質(zhì)含量降低，在焙燒過程中產(chǎn)生的熔融相較少，對孔隙的填充不充分，使其獲得更為疏松的結(jié)構(gòu).隨著煤渣摻量的增大，導(dǎo)熱系數(shù)逐漸降低.當(dāng)煤渣摻量為10%時(shí)，固化淤泥燒結(jié)小樣磚的導(dǎo)熱系數(shù)為0.592 W/(m·K)，較相同煤渣摻量時(shí)湖泊淤泥燒結(jié)小樣磚的導(dǎo)熱系數(shù)降低約3%.

表3 淤泥/固化淤泥小樣磚的體積密度、干燥線性收縮、吸水率、導(dǎo)熱系數(shù)和強(qiáng)度

2.4 強(qiáng)度

強(qiáng)度是評價(jià)燒結(jié)磚質(zhì)量的最重要的指標(biāo)之一.由表3可看出，未摻煤渣時(shí)，固化淤泥燒結(jié)小樣磚的強(qiáng)度為19.5 MPa，較湖泊淤泥燒結(jié)小樣磚降低41%.隨著煤渣摻量的增加，淤泥/固化淤泥燒結(jié)小樣磚的強(qiáng)度都下降.在煤渣摻量相同時(shí)，固化淤泥燒結(jié)小樣磚抗壓強(qiáng)度小于湖泊淤泥燒結(jié)小樣磚，主要是因?yàn)楣袒瘎┮财鸬今ば粤系淖饔?，?dǎo)致抗壓強(qiáng)度降低，同時(shí)，固化淤泥的成型效果較未固化淤泥差(圖2)，導(dǎo)致擠出后的磚坯不僅在外表，可能在內(nèi)部均形成缺陷，進(jìn)一步降低抗壓強(qiáng)度.

2.5 抗凍性

參照《砌墻磚試驗(yàn)方法》(GB/T 2542—2012)對燒結(jié)小樣磚進(jìn)行凍融試驗(yàn)，在-15～-20 ℃下冰凍，在10 ℃融化，每3 h為一個(gè)凍融循環(huán).抗凍性結(jié)果如圖3所示.可以看出，在凍融循環(huán)次數(shù)分別為25次、50次、75次、100次時(shí)，純固化淤泥燒結(jié)小樣磚的質(zhì)量損失分別為0.06%，0.15%，0.19%和0.35%，相比于純淤泥燒結(jié)小樣磚的0.05%，0.13%，0.19%和0.33%，質(zhì)量損失略大.同樣，在相同的凍融循環(huán)次數(shù)下，煤渣摻量相同時(shí)，固化淤泥燒結(jié)小樣磚的質(zhì)量損失比湖泊淤泥燒結(jié)小樣磚的質(zhì)量損失略大，抗凍性略差.在煤渣摻量為10%時(shí)，固化淤泥燒結(jié)小樣磚經(jīng)100次凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失僅為0.49%，滿足燒結(jié)普通磚(GB 5101—2003)的要求.所有配比的燒結(jié)小樣磚經(jīng)100次凍融循環(huán)后都表現(xiàn)出很好的抗凍性.

凍融循環(huán)次數(shù)

3 微觀結(jié)構(gòu)

3.1 形貌

借助掃描電子顯微鏡SEM對湖泊淤泥、固化淤泥燒結(jié)小樣磚的微觀形貌進(jìn)行了觀察，結(jié)果如圖4所示.燒結(jié)磚由玻璃相、未熔融顆粒以及孔隙組成.純湖泊淤泥燒結(jié)小樣磚在焙燒過程中產(chǎn)生的液相較多，對顆粒的包裹和孔隙的填充比較充分，冷卻后形成較為致密的微觀結(jié)構(gòu)(圖4(a))，這也是其強(qiáng)度較高的原因.純固化淤泥燒結(jié)小樣磚也具有較為致密的微觀形貌，但相比純湖泊淤泥燒結(jié)小樣磚，其孔隙較多，如圖4(b)所示.隨著煤渣摻量的增加，實(shí)驗(yàn)室燒結(jié)小樣磚的玻璃相逐漸減少，呈現(xiàn)較為疏松的微觀結(jié)構(gòu).當(dāng)煤渣摻量為10%時(shí)，從2種燒結(jié)小樣磚SEM圖像上(圖4(c)和(d))可以清楚地看出，在玻璃相的表面分布著較多的未被包裹的顆粒，導(dǎo)致形成較為疏松的微觀形貌，這也是導(dǎo)致其力學(xué)性能下降的主要原因.固化劑的加入使得固化淤泥燒結(jié)小樣磚中淤泥含量相對減少，產(chǎn)生的熔融相更少，未被包裹的顆粒更多，形成更為疏松的微觀結(jié)構(gòu)，是導(dǎo)致在煤渣摻量相同時(shí)固化淤泥燒結(jié)小樣磚性能略差的原因.

圖4 小樣磚微觀形貌

3.2 孔隙率及孔徑分布

根據(jù)國際純粹與應(yīng)用化學(xué)協(xié)會(huì)(IUPAC)對孔徑的劃分，孔徑小于2 nm的孔為微孔；孔徑大于50 nm的孔為大孔；孔徑在2～50 nm之間的孔稱為介孔.由圖5可看出，燒結(jié)小樣磚的孔徑主要分布在20 nm～5 μm之間，為大孔和介孔，且大于1 μm的大孔占有更大比例.幾組燒結(jié)小樣磚的最可幾孔徑均出現(xiàn)在2 μm左右.煤渣的加入對較大孔(d>1 μm)的影響較小，主要是增加了較小孔(d<1 μm)的比例.當(dāng)煤渣摻量為0%，5%和10%時(shí)，固化淤泥燒結(jié)小樣磚的孔隙率分別為31.8%，34.0%和38.7%，湖泊淤泥燒結(jié)小樣磚的孔隙率分別為31.0%，32.6%和37.4%.煤渣摻量相同時(shí)，固化淤泥燒結(jié)小樣磚的孔隙率比湖泊淤泥燒結(jié)小樣磚的孔隙率略大.此結(jié)果表明，固化淤泥燒結(jié)磚的強(qiáng)度比未固化淤泥燒結(jié)磚強(qiáng)度有明顯下降，擠出成型過程中形成的宏觀缺陷(圖2)是造成強(qiáng)度下降的主要原因.因此，在采用固化淤泥制備燒結(jié)磚時(shí)，需要根據(jù)成型性能及時(shí)對含水率進(jìn)行調(diào)整，以滿足真空擠出成型所需要的塑性.

上述研究結(jié)果表明，淤泥經(jīng)固化處理后因其塑性降低，在干燥過程中可在一定程度上起到瘠性料的作用，對于降低干燥線性收縮有一定作用，使其干燥后獲得相對多孔的結(jié)構(gòu)，且因其燒失量較小，混合料整體有機(jī)質(zhì)含量降低，在焙燒過程中產(chǎn)生的熔融相較少，對孔隙的填充不充分，使其獲得更為多孔的結(jié)構(gòu).這也是在煤渣摻量相同時(shí)，固化淤泥燒結(jié)小樣磚較湖泊淤泥燒結(jié)小樣磚吸水率高、強(qiáng)度低、導(dǎo)熱系數(shù)小的主要原因.此外，有研究表明，小孔比例較高的燒結(jié)磚在較為嚴(yán)酷的條件下更容易遭到破壞[20].隨著煤渣摻量的增加，小孔比例增大，總孔隙率增大，是導(dǎo)致燒結(jié)小樣磚抗凍性能略有下降的主要原因.

孔徑分布/nm

孔徑分布/nm

4 結(jié) 論

1)固化淤泥的塑性指數(shù)比未固化淤泥略低，少量固化劑的加入并沒有明顯改變淤泥的氧化物組成和礦物組成.

2)在相同的成型水分、壓力和真空度條件下，固化淤泥的成型效果較湖泊淤泥略差，棱邊較為粗糙.

3)在相同煤渣摻量條件下，固化湖泊淤泥小樣磚較未固化湖泊淤泥小樣磚線性收縮小，體積密度小，導(dǎo)熱系數(shù)小，但同時(shí)，吸水率較大，強(qiáng)度較低，抗凍性能也略差.

4)隨著煤渣摻量的增加，燒結(jié)磚熔融液相減少，對顆粒的包裹和孔隙的填充不充分，最后形成較為疏松的微觀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致力學(xué)性能下降，抗凍性變差.在相同煤渣摻量條件下，固化淤泥小樣磚孔隙率較大，微觀結(jié)構(gòu)較疏松，較湖泊淤泥燒結(jié)小樣磚吸水率大、強(qiáng)度低、導(dǎo)熱系數(shù)小.

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Performance and Micro-structure of Fired Bricks Made of Solidified Lake Silt

ZHANG Ya-mei1?，JIA Lu-tao1,3，CUI Qiang2，MEI Hao1，ZHANG Pei-gen1，SUN Zheng-ming1

(1.Jiangsu Key Laboratory of Construction Materials, School of Materials Science and Engineering, Southeast Univ, Nanjing, Jiangsu 211189, China;2.Wuxi Guolian Environment & Energy Group Co, Ltd, Wuxi, Jiangsu 214131, China;3.Huadian Electric Power Research Institute, Hangzhou, Zhejiang 310030, China)

Lake silt and solidified lake silt were used as the main raw materials to prepare fired brick samples employing the vacuum plastic extrusion in a laboratory scale study. Raw material properties tests showed that the addition of a small amount of solidified agent had limited influence on the plasticity index, oxide composition and mineral composition, but had some influence on the formability. Linear drying shrinkage, water absorption, bulk density, compressive strength, thermal conductivity and freeze-thaw resistance of two kinds of brick samples were tested. The test results showed that linear drying shrinkage of solidified silt brick samples with 90% solidified silt and 10% cinder was 5.42%, water absorption was 18.2% and compressive strength was 15.8 MPa. The overall performance of the fired brick samples made of solidified silt was slightly worse than that of the fired brick samples made of lake silt. In addition, SEM and MIP were used to examine the microstructural properties of brick samples, and the results demonstrated that the micro-structure of bricks made of solidified lake silt was more loose, and the porosity was higher than those of the bricks made of lake silt at the same dosage of cinder, which play an important role in the performance of the brick samples such as compressive strength and water absorption. Meanwhile, the thermal conductivity of the former was slightly lower, and freeze-thaw resistances of the both bricks were almost similar.

lake silt; solidified lake silt; fired brick; microstructure; strength

1674-2974(2016)12-0056-06

2016-01-08 基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51378115), National Natural Science Foundation of China(51378115) 作者簡介：張亞梅(1968-)，女，江蘇如皋人，東南大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師 ?通訊聯(lián)系人，E-mail:ymzhang@seu.edu.cn

TU522.19

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