河湖淤泥制備燒結(jié)磚的研究進展

崔敬軒 何捷 聶卿 邸楊 楊占斌

（中國建筑材料科學研究總院有限公司，北京 100024）

我國河流湖泊眾多，底泥污染嚴重，為加快生態(tài)文明建設，河湖生態(tài)環(huán)境備受重視。從2015年4月頒布《水污染防治行動計劃》（簡稱“水十條”）以來，全國廣泛開展了以消除黑臭水體為主要目標的水環(huán)境綜合治理工程[1-5]，同時產(chǎn)生了數(shù)量巨大的河湖淤泥。河湖淤泥含水率高[6-7]、強度低，往往含有病原菌、重金屬[8]和有毒有害難降解有機物等有害成分，必須對其進行安全、妥善處理與處置[9-10]。

近年來，河湖淤泥的處理處置及資源化問題一直是學者研究的熱點，主要方向有填埋、土地利用、建材化利用等。底泥脫水填埋需占用大量寶貴的土地資源，實屬無奈之舉，土地利用則有二次污染的風險，同時消納量有限，而利用河湖淤泥生產(chǎn)新型建筑材料是其資源化利用的主要途徑之一。

燒結(jié)磚工業(yè)作為墻體材料行業(yè)的主體，是國家重要的原材料和基礎工業(yè)。隨著國家墻材革新與建筑節(jié)能改策的不斷調(diào)整，各級政府出臺了若干文件禁止采取耕地黏土生產(chǎn)磚等墻體材料[11]，燒結(jié)磚行業(yè)的制磚原料已從原來的單一黏土向資源綜合利用方向發(fā)展，有煤矸石、爐渣、粉煤灰、江河湖淤泥等各種工業(yè)廢棄物[12]。本文綜述了河湖淤泥制備燒結(jié)磚和非燒結(jié)磚的研究現(xiàn)狀，對淤泥制磚的生產(chǎn)工藝及產(chǎn)品性能進行了總結(jié)分析，并對淤泥制磚全過程環(huán)境風險控制提出展望，以期為磚瓦企業(yè)利用河湖淤泥制磚提供技術參考，為河湖淤泥建材化利用研究提供借鑒。

1 河湖淤泥制備燒結(jié)磚的可行性

燒結(jié)磚是傳統(tǒng)的主要建筑材料之一，主要包括燒結(jié)普通磚、多孔磚、空心磚和燒結(jié)空心砌塊等種類，根據(jù)主要原料分類主要有黏土磚、頁巖磚、煤矸石磚、粉煤灰磚等。其中，燒結(jié)磚原料的主要成分及含量范圍見表1。

河湖淤泥的主要成分為SiO2和Al2O3等氧化物，含量在40.00%-73.63%和10.09%-20.30%，其中，67%以上的淤泥樣品中SiO2的含量大于60%，同時含有一定含量的Na2O、K2O、CaO、MgO等助熔劑氧化物，與燒結(jié)磚的制備原料組分十分相似，具備建材資源化制磚的可能。表2列出了部分河湖淤泥的主要化學成分。

關于燒結(jié)磚的原料配比的研究較多，河湖淤泥的主要成分基本滿足制磚原料的要求，Liu等[22]通過優(yōu)化以河道淤泥和固體廢料為主要原料制作的淤泥燒結(jié)多孔磚制磚方案，實現(xiàn)從20%～50%的河道淤泥摻量到100%使用量的突破。范冬冬[23]利用100%巢湖淤泥、翁晶晶[24]和王智宇[25]利用100%三江（甬江、奉化江、余姚江）河道淤泥制備燒結(jié)磚，均得到性能指標符合《燒結(jié)普通磚》要求的燒結(jié)磚產(chǎn)品?？紤]到各地淤泥性質(zhì)差異，可能存在部分淤泥組成成分偏離最佳范圍的情況（如SiO2含量偏低、Al2O3含量偏高、燒失量偏大等），研究人員通過摻加其他工業(yè)固廢，如粉煤灰[17，26-27]、木屑[28]、煤矸石[29]、生活污泥[30]等進行配比調(diào)節(jié)，以優(yōu)化燒結(jié)磚的原材料化學組成，使其達到合適的范圍?？傮w來看，絕大部分河湖淤泥化學成分與燒結(jié)磚成分要求相符，可直接用于燒制淤泥磚；部分淤泥成分稍有偏差的，也可通過摻加輔料進行成分調(diào)節(jié)從而滿足要求。因而，利用河湖淤泥輔以其他工業(yè)固廢制備燒結(jié)磚是可行的。

表1 燒結(jié)磚原料的主要成分及含量范圍

注：*1.Al2O3/SiO2表示耐火度；*2.未檢測。

2 河湖淤泥制備燒結(jié)磚的主要影響因素

淤泥制備燒結(jié)磚的典型生產(chǎn)工藝流程為：物料預處理→淤泥性質(zhì)分析→配料→成型→干燥→焙燒→冷卻→性能測試。

新采挖的淤泥含水率一般大于40%，需干燥至規(guī)定含水率。同時，淤泥中可能含有少量貝殼等雜質(zhì)，也要盡量去除[31]。在物料預處理時，淤泥晾曬會占用大量土地，同時產(chǎn)生臭氣等污染物，需要同步采取治理措施以減少對環(huán)境的二次污染。經(jīng)過除雜的干燥淤泥破碎后進行陳化等預處理備用。淤泥的含水率、顆粒度、塑性指數(shù)、化學成分、礦物成分等對淤泥磚的燒制有較大的影響，需要在燒制前對以上性質(zhì)進行測定及分析[21]。配料時需要根據(jù)淤泥特性選擇是否添加瘠性料、粘結(jié)劑等輔助材料[24]。配好的原料混合料經(jīng)陳化，提高混合料成型性能后，運送至磚機，由擠出機擠出成型。坯體成型后含有15%～25%的水分，需將其干燥至殘余水分不大于2%后方可進入焙燒工序[31]。焙燒溫度一般為800-1050℃，焙燒溫度和焙燒時間會因窯型和原材料的不同而在一定范圍內(nèi)變化。冷卻后形成強度，制成成品，性能檢測合格后出廠。

在淤泥制備燒結(jié)磚的過程中，主要影響因素有原料組成和焙燒制度。

2.1 原料組成的影響

2.1.1 淤泥摻加量的影響

淤泥摻加量會對原料的塑性指數(shù)、干燥敏感系數(shù)、燒結(jié)磚的外觀和性能等產(chǎn)生影響。

研究表明，原料的塑性指數(shù)大小是燒結(jié)磚能否順利成型的關鍵[32]，一般要求燒結(jié)墻體材料混合料的塑性指數(shù)在7～15之間[23]。原料的另一個重要因素為干燥敏感系數(shù)，干燥敏感系數(shù)越大，坯體在干燥中就越易產(chǎn)生裂紋。研究顯示，隨著淤泥摻量的增加，原料的塑性指數(shù)和干燥敏感系數(shù)均增大，需要添加輔助材料來改善原料性能[17，32]。

耿飛等[33]采用太湖淤泥摻適量粉煤灰作為內(nèi)燃料制備燒結(jié)磚的試驗發(fā)現(xiàn)，隨著淤泥摻加量的增加，磚體的抗壓強度降低，吸水率降低。朱哲等[17]利用東湖淤泥添加粉煤灰和氧化鐵制備燒結(jié)磚，隨著淤泥摻量增加，燒結(jié)磚表觀密度增大，吸水率降低，抗壓強度有所增加。蹇守衛(wèi)等[32]采用武漢東湖淤泥與頁巖復合制備燒結(jié)墻體材料發(fā)現(xiàn)，底泥摻量超過85%的試樣不符合《燒結(jié)普通磚》（GB 5101-2003）的吸水率性能要求。在相同溫度制度下，85%湖泊底泥摻量其體積密度略小于10%摻量，且其吸水率高于10%摻量，小摻量湖泊底泥試塊的抗壓強度高于大摻量湖泊底泥的試塊，此外，底泥摻加量越多，直徑收縮率越大，而高度收縮率越小。祝志雄等[34]利用河道淤泥與三種不同的頁巖混合制備燒結(jié)磚，吸水率隨淤泥摻加量而增大，抗壓強隨淤泥摻量從15%增加到60%，燒結(jié)樣品的抗壓強度逐漸降低，而后繼續(xù)增加淤泥摻量至90%，燒結(jié)樣品的強度略有提高。

綜上，由于湖泊底泥中較多有機雜質(zhì)燃燒產(chǎn)生孔隙，會對燒結(jié)磚的吸水率等性能產(chǎn)生影響，此外，河湖淤泥摻量對原料和產(chǎn)品的影響要綜合考慮淤泥特性和添加的輔料，例如，淤泥添加量對摻加粉煤灰制得的燒結(jié)磚的性能影響和對摻加頁巖制得的燒結(jié)磚的性能影響規(guī)律并不相同，企業(yè)需根據(jù)自身情況及處置淤泥的特性慎重選擇摻加比例。

2.1.2 添加輔料的影響

在實際應用中，直接采用河湖淤泥單獨制備燒結(jié)磚的相對較少，一般需要摻加部分工業(yè)廢物如粉煤灰、爐渣或其他粘結(jié)劑等以改善原料的可塑性和優(yōu)化燒結(jié)磚性能。

粉煤灰作為內(nèi)燃料有助于擴大焙燒范圍和提高燒結(jié)磚強度。粉煤灰中Al2O3含量高，燒成溫度比純粘土燒磚要高，如此較高的發(fā)熱量可以實現(xiàn)內(nèi)燃燒磚，節(jié)省大量助燃煤，使粘土和粉煤灰中的一些礦物在此高溫下互相發(fā)生物理化學反應，生成高強度鈣鋁硅酸鹽類晶體，從而提高磚體強度[35]。研究表明，當粉煤灰比例為20%～30%時，可充分利用粉煤灰可燃性工業(yè)廢料，既節(jié)能降耗，又減少環(huán)境污染，還可加快輪窯焙燒速度，提高成品產(chǎn)量和質(zhì)量[36]。此外，針對河湖淤泥塑性指數(shù)較高的特點，粉煤灰也可作為瘠性料[17，32]，用來調(diào)節(jié)淤泥原料塑性。粉煤灰吸水性強，顆粒較大，屬于瘠化料，添加越多，塑性降低越大。而塑性越低，顆粒越粗，排出單位水分磚坯的收縮量就越少，即收縮率越小。

此外，爐渣、煤矸石、煤渣等輔料作為內(nèi)燃料燒或瘠性材料的作用與粉煤灰相似[37-38]。

由表1可知，河湖淤泥的耐火度偏低約為0.1-0.4，摻加含有Al2O3的輔料可以提高淤泥的耐火度，擴大焙燒溫度范圍。研究表明，以燒結(jié)體總成分為基準，Al2O3含量宜在20%以上[39]。為了進一步利廢，耿飛等[40]將自來水廠的污泥添加到河湖淤泥中，污泥中Al2O3含量較高，增加混合料的耐火度，但由于污泥燒失量大，其中有機質(zhì)燃燒后形成大量微孔，導致表觀密度較小，吸水率也就較大，污泥摻加量小于40%時，吸水率能夠滿足燒結(jié)磚多孔磚吸水率小于25%的要求。

研究表明，鈣、鎂等在燒結(jié)磚時為有害物質(zhì)，淤泥中含有貝殼、方解石、石灰石類物質(zhì)等鈣質(zhì)，容易產(chǎn)生石灰爆裂現(xiàn)象[41]。氧化鎂的危害主要表現(xiàn)為制品泛霜[42]，嚴重時可在磚體內(nèi)膨脹，破壞其結(jié)構(gòu)，導致產(chǎn)品強度下降，甚至出現(xiàn)廢品[41]。

He等[43]用黃河淤泥和赤泥作原料制備燒結(jié)磚的研究表明，赤泥能夠降低磚的燒結(jié)溫度。當赤泥含量為40%，燒結(jié)溫度為1050℃，低于僅用黃河淤泥制備燒結(jié)磚的溫度。

此外，淤泥含水量一般較高，會導致淤泥燒結(jié)磚能耗較大，為了節(jié)約能源并增加燒結(jié)磚的保溫性能，吳其勝等[45]將稻殼、木屑等農(nóng)業(yè)廢物加入到淤泥中制備燒結(jié)保溫磚。同等摻量下，用稻殼比用木屑做成孔劑所得到的淤泥燒結(jié)磚強度、吸水率、孔洞率要高，而密度則相對較低。

綜上，由于淤泥成分的差異，在建材化準備燒結(jié)磚的過程中，需基于燒結(jié)磚的性能需求，合理選擇輔料的摻加，通過多次試驗研究確定最佳配比，從而制得性能更優(yōu)的淤泥燒結(jié)磚。

2.2 焙燒制度的影響

焙燒制度中燒結(jié)溫度和焙燒保溫時間、升溫速率等是影響燒結(jié)磚性能的主要因素。下文主要從對抗壓強度、吸水率、外觀品質(zhì)等的影響進行討論。

燒結(jié)磚的強度主要來源于磚體內(nèi)結(jié)晶的新生骨架和玻璃相，高溫使低溫SiO2晶相變?yōu)楦邷鼐?，且有更多的玻璃體液相形成[46]，填充在晶體的間隙中，提高磚體的致密性，使磚體強度增大。研究表明，原料相同配比下，抗壓強度隨燒結(jié)溫度的升高而增強。朱哲等[17]采用正交試驗研究了焙燒溫度和焙燒時間對燒結(jié)磚性能的影響表明，在焙燒溫度1000℃時，抗壓強度最大，而焙燒時間對抗壓強度的影響不明顯。蹇守衛(wèi)等[32]研究發(fā)現(xiàn)，淤泥與頁巖制備燒結(jié)磚，溫度達到1050℃時，試塊抗壓強度出現(xiàn)了降低現(xiàn)象，且隨著燒結(jié)保溫時間的增長，抗壓強度越低。在最佳燒結(jié)溫度950℃，燒結(jié)保溫時間6h，得到強度最高可達到40.9MPa的試樣。祝志雄等[34]研究表明，當燒結(jié)溫度為700～900℃時，抗壓強度逐漸增大，溫度為900～950℃后，抗壓強度趨于平穩(wěn)或呈現(xiàn)降低趨勢，升高到1000℃時，樣品的抗壓強度又增大，得到淤泥和頁巖的燒成溫度均在800～950℃，實際生產(chǎn)中可將燒成溫度定在850～900℃左右。李國衛(wèi)等[47]研究了燒結(jié)溫度和燒結(jié)時間對高摻量粉煤灰淤泥燒結(jié)磚抗壓強度的影響，焙燒溫度越高，燒結(jié)時間越長，強度越大，最適宜的焙燒溫度在1000-1050℃。

吸水性能是影響材料優(yōu)劣和結(jié)構(gòu)耐久性的重要因素之一，主要決定于燒結(jié)后磚體內(nèi)部殘留的空隙，主要由坯料中有機物、碳酸鹽、硫酸鹽等在高溫中分解留下的氣孔，以及孔隙未能被玻璃液相完全填充所致。研究表明，隨著焙燒溫度的升高，同種配比的磚體吸水率減少[17，32-33]，原因是高溫有更多的熔融體形成，提高了磚體的致密性。

燒結(jié)時升溫速率和冷卻時降溫速率均會對燒結(jié)磚外觀品質(zhì)產(chǎn)生影響。研究表明，為了保證燒結(jié)質(zhì)量，低溫階段一般控制在70-90℃/h，中高溫階段，坯體內(nèi)的粉煤灰已開始均勻燃燒，升溫速度可控制在100℃/h-120℃/h，升溫過快會導致磚坯內(nèi)部應力不均勻，容易產(chǎn)生裂縫；高溫脫除的水分產(chǎn)生的氣體在內(nèi)部迅速膨脹，使開裂現(xiàn)象加??；磚坯內(nèi)部有機質(zhì)來不及充分燃燒從而導致黑芯產(chǎn)生。冷卻時降溫速度一般控制在100℃/h左右[26，28，35]。

綜上，不同原料配比時最佳燒結(jié)溫度、燒結(jié)時間不同，一般在800-1050℃，燒結(jié)時間隨原料不同差異較大；隨著焙燒溫度的升高，同種配比的磚體吸水率減少；為保證燒結(jié)質(zhì)量，需同時考慮燒結(jié)溫度、燒結(jié)時間及燒結(jié)時升溫速率和冷卻時降溫速率等各個因素的影響。

3 淤泥制備燒結(jié)磚的環(huán)境安全性

3.1 淤泥燒結(jié)磚的環(huán)境安全性

淤泥建材化利用在利廢的同時還需關注產(chǎn)品的環(huán)境安全性。除產(chǎn)品的放射性外，這方面的現(xiàn)有研究較少，有學者對淤泥燒結(jié)磚浸出重金屬進行了分析，對比國家危險廢物浸出毒性標準，其浸出液重金屬濃度遠低于標準規(guī)定濃度限值[23，33，43，48]。研究表明，淤泥燒結(jié)磚的放射性均滿足《建筑材料放射性核素限量》GB6566限值要求[17，23，43]。此外，耿飛等[33]分析了淤泥燒結(jié)磚的腐蝕性，浸出液的pH值在7.0～8.4之間，微偏堿性，但對環(huán)境不會產(chǎn)生腐蝕性。

3.2 生產(chǎn)過程中的環(huán)境安全性

除淤泥磚的環(huán)境安全性外，利用淤泥生產(chǎn)燒結(jié)磚的工藝過程污染控制及環(huán)境安全同樣需要關注。2019年7月發(fā)布實施的團體標準《河湖淤泥處理處置技術導則》提出了對淤泥處理及檢驗的要求，16項必檢項包括9項重金屬、氟化物、氰化物、苯并[a]芘、多慮聯(lián)苯、甲醛、石油烴和苯酚，認為Ⅱ類泥體可用于制磚[49]。該標準從源頭控制的角度對用于制備燒結(jié)磚可能的環(huán)境風險提出控制要求。但據(jù)筆者調(diào)研，已有報道中未見淤泥燒結(jié)磚制備工藝過程的污染控制。有研究表明，具備監(jiān)測條件的磚瓦企業(yè)滿足《磚瓦工業(yè)大氣污染物排放標準》（GB 29620-2013）表2大氣污染物排放限值[50]的僅占54%。從行業(yè)發(fā)展及環(huán)境保護的角度考慮，未來應更關注工藝過程中常規(guī)污染物、有機物、臭氣等污染物的排放與控制研究，并研究制定相關控制標準或技術規(guī)范，使行業(yè)實現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展。

4 總結(jié)

利用河湖淤泥代替黏土質(zhì)原料制備燒結(jié)磚，不僅能節(jié)約不可再生資源，同時也是淤泥和其他固體廢物資源化利用的重要技術路線。目前國內(nèi)關于淤泥制備燒結(jié)磚的研究取得了一定的成果，但仍存在一些問題有待進一步深入研究：

1）進一步研究淤泥摻加量及添加輔料種類對淤泥燒結(jié)磚的物理化學特性的影響機理；

2）加強焙燒制度對企業(yè)生產(chǎn)指導的研究，使理論更好服務于生產(chǎn)；

3）淤泥燒結(jié)磚產(chǎn)品的耐久性、環(huán)境安全性及產(chǎn)品應用等需要進一步深入研究；

4）系統(tǒng)研究工藝過程中的常規(guī)污染物、臭氣、有機物等環(huán)境風險，并在此基礎上制定相關技術規(guī)范，助力行業(yè)綠色發(fā)展。