蓄水性免燒磚的制備及其性能研究

張寶成，李翠梅，孫志康，張紹廣

（蘇州科技大學 環(huán)境科學與工程學院，江蘇 蘇州 215009）

0 引言

近年來隨著低影響開發(fā)理念（LID）措施在海綿城市中的廣泛應(yīng)用，海綿城市下墊面建設(shè)對黏土、瀝青、水泥等材料的需求量不斷提高，研究和開發(fā)此類不可再生材料的替代品成為當前的一個熱點。同時，黑臭河道治理、城市污水處理等產(chǎn)生了大量的淤泥，這些淤泥含有大量有機物及各類污染物[1]。如果用掩埋、堆放等傳統(tǒng)的處理方法對河道底泥進行處置，不僅成本極高，還會對土壤、地下水等造成“二次污染”，破壞生態(tài)環(huán)境[2]，也是可再生資源的浪費。目前，淤泥資源化利用主要用于制備陶粒、磚瓦和作為固化土使用。施鵬等[3]利用河道淤泥、水泥和粉煤灰等制備環(huán)保免燒磚，當淤泥摻量為60%時，抗壓強度為11.4MPa，而成本僅為0.3431元/塊，具有顯著的經(jīng)濟、社會價值。劉繼狀等[4]研究淤泥磚在不同配比下的吸水率和軟化系數(shù)等，發(fā)現(xiàn)粉煤灰和水泥同時作用，有助于提高免燒磚的耐久性，防水劑可以改善免燒磚的耐水及抗凍性能。

目前，國內(nèi)外常用的透水鋪裝材料基本具備了一定的透水性能。劉恒源等[5]用風積砂制備微孔生態(tài)透水材料，其透水系數(shù)為2.3×10-2cm/s，抗壓強度達32.7MPa，對水中SS去除率達75%以上。于搏海等[6]對市場上各類透水鋪裝材料的透水性能進行研究，發(fā)現(xiàn)陶瓷類透水磚的平均滲透系數(shù)為9.1×10-4m/s，混凝土類透水磚的為1.9×10-3m/s，透水混凝土路面為1.4×10-2m/s?；灸軌?qū)崿F(xiàn)海綿城市“滲、滯、蓄、凈、用、排”中“滲”的功能，對緩解徑流總量及洪峰流量具有一定的作用。但同時具有良好的透水性能、保水性能的透水鋪裝材料目前研究較少。

本研究選擇以河道底泥為主要原材料，經(jīng)過處理后，加入其它廢棄材料生產(chǎn)具有透水性能、保水性能的環(huán)保磚、砌塊[1]，作為建設(shè)海綿城市的新材料。既可以用來代替建筑材料，又能夠解決河道底泥的處置問題，為河道底泥資源化利用提供一個新的路徑，具有良好的社會性、經(jīng)濟性以及環(huán)境效益[7]。

1 實驗

1.1 原材料

河道底泥：200目，蘇州科技大學外圍河道淤泥；硅藻土：325～500目，工業(yè)級；生石灰：分析純，上海潤捷化學試劑有限公司；廢玻璃粉：工業(yè)級，粒徑：2.25±0.5μm，比重2.65 g/mL，莫氏硬度7.8；水泥：P·O42.5；高分子吸水性樹脂（SPA）：含88%低交聯(lián)型聚丙烯酸鈉（其中含鈉24.5%），8%～10%水，0.5%～1.0%交聯(lián)劑；粗骨料：4目，河砂，工業(yè)級；細骨料：16目，河砂，工業(yè)級。原材料化學成分見表1。

表1 河道底泥和廢玻璃粉的主要化學成分 %

1.2 實驗儀器

攪拌機（NSZ-5L）、金屬模具（40 mm×40 mm×40 mm）、ZKY-400蒸汽養(yǎng)護箱、電熱恒溫鼓風干燥箱（上海龍躍，LDO-9240A）、全自動強力試驗機（無錫東儀，OPERATOR DY-2008）、全自動壓力試驗機（無錫東儀，DY-208M）、JCM-700臺式掃描電鏡、HACH2100Q便攜式濁度分析儀、UV-2601紫外分光光度計（南京沃拓）、懸浮物測定儀（SS-500D）、水平振蕩儀（TP-06）。

1.3 免燒磚的制備方法

河道底泥在干燥粉碎后經(jīng)200目篩去除雜物，將其和生石灰、硅藻土等原材料混合干攪后放入攪拌機，加入混合料干重20%的水，以150 r/min的速度攪拌3 min。然后，將其倒入模具，在10 MPa壓力下壓制成型，穩(wěn)壓3 min后取出。自然干燥2 h后，將其放入蒸汽養(yǎng)護箱中，在90℃條件下養(yǎng)護2～3 d，直至樣品水化反應(yīng)完全結(jié)束。取出樣品后自然干燥2～3 d，測試其抗壓強度、保水性以及對雨水中SS和COD的去除效果，免燒磚成品見圖1。

圖1 制作模具和免燒磚成品

1.4 性能測試方法

（1）抗壓強度及保水性：按照JC/T 945—2005《透水磚》進行測試；（2）SS：用儀器直接測試；（3）COD：按照HJ/T299—2007《水質(zhì)化學需氧量的測定快速消解分光光度法》進行測試。

2 結(jié)果與分析

2.1 免燒磚的抗壓性能

2.1.1 玻璃粉和水泥配比試驗研究

根據(jù)JGJ55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》的相關(guān)要求，以及材料的特性，最終確定淤泥基料中河道底泥和硅藻土的配比為5∶3，分別取80 g和48 g，此時免燒磚的抗壓強度僅為2.2 MPa。故向淤泥基料中加入16 g生石灰，此時抗壓強度提高至5.5 MPa，但仍達不到MU10等級的要求，因此加入水泥來提高免燒磚的力學性能。

水泥混合料（玻璃粉質(zhì)量占10%）以淤泥基料質(zhì)量為參照，以5%的比例從0增加到50%，加入到淤泥基料中，按1.3步驟制備免燒磚，水泥混合料摻量對免燒磚抗壓強度的影響如圖2所示。

圖2 水泥混合料摻量對免燒磚抗壓強度的影響

由圖2可知，隨水泥混合料摻量增加，樣品抗壓強度隨之提高，摻量達到50%時，抗壓強度達到最大值，為18.3MPa。但隨著水泥混合料摻量的增加，抗壓強度增長幅度不斷減小。綜合考慮，取水泥混合料為淤泥基料質(zhì)量的30%，此時抗壓強度為15.7 MPa，達到MU10等級的要求，具有實際工程應(yīng)用價值。

2.1.2 微觀分析（見圖3）

圖3 樣品的SEM照片

由圖3可知，純淤泥基料樣品的顆粒之間分布獨立，沒有聯(lián)系，空間間隙較大，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，在外力作用下，易被破壞；摻入生石灰的樣品顆粒之間填充著水化反應(yīng)產(chǎn)生的熟石灰晶體和絮狀物，具有良好的膠結(jié)作用，結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定；摻入生石灰和水泥混合料的樣品相較其他樣品，顆粒間有更多的水化產(chǎn)物[C2SH、CSH（B）和C2SH2]，這些水化產(chǎn)物不僅起著很好的膠結(jié)作用，將顆粒相互連結(jié)，使其呈現(xiàn)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，而且填充了顆粒間的空隙，使基體結(jié)構(gòu)更加緊密，從而顯著提高樣品的抗壓強度。

2.2 免燒磚的蓄水性能研究

影響免燒磚蓄水性能的3個主要因素：（1）脂膠比即高分子吸水性樹脂與膠結(jié)材料的質(zhì)量比；（2）集灰比即粗細骨料總質(zhì)量與膠結(jié)材料的質(zhì)量比；（3）細骨料與粗骨料的質(zhì)量比。為研究三者對免燒磚蓄水性能的影響，在已經(jīng)確定的配比（水泥混合料為淤泥基料質(zhì)量的30%）基礎(chǔ)上，向淤泥基料中摻入SPA和粗細骨料，設(shè)計正交試驗，根據(jù)試驗設(shè)計制備免燒磚，測試其表面密度、保水性以及吸水率。當免燒磚達到飽和吸水質(zhì)量后，測試其體積含水率隨時間的變化，進行對比分析。正交試驗因素水平表如表2所示，正交試驗設(shè)計及結(jié)果如表3所示，正交試驗極差分析如表4所示。

表2 正交試驗因素水平

表3 正交試驗設(shè)計及結(jié)果

表4 正交試驗極差分析

2.2.1 脂膠比對免燒磚性能的影響

由表4可知：

（1）脂膠比對樣品的保水性影響較小。當脂膠比從1∶200提高至1∶100時，樣品平均保水性從0.41g/cm2提高至0.49g/cm2，提高了19.51%；而脂膠比從1∶100提高至1∶50時，樣品平均保水性從0.49 g/cm2提高至0.50 g/cm2，提高了2.04%。

（2）脂膠比對樣品的吸水率影響較大。當脂膠比從1∶200提高至1∶100時，樣品吸水率從7.37%提高至9.31%，提高了26.32%；而脂膠比從1∶100提高至1∶50時，樣品吸水率從9.31%提高至9.57%，提高了2.79%。

（3）脂膠比對樣品的100 h后體積含水率影響相對最大。當脂膠比從1∶200提高至1∶100時，樣品平均吸水率從3.73%提高至5.33%，提高了42.90%；而脂膠比從1∶100提高至1∶50時，樣品平均吸水率從5.33%提高至5.80%，提高了8.82%。

試驗結(jié)果表明，脂膠比的增大，樣品的保水性、吸水率和100 h后體積含水率都相應(yīng)增大。但與脂膠比從1∶100提高至1∶50相比，脂膠比從1∶200提高至1∶100時，增幅較大，原因可能是樣品中SPA吸收大量水分子，分布在樣品內(nèi)部孔隙中，導致樣品的保水性、吸水率和100 h后體積含水率有較大幅度提高。但隨著脂膠比的提高，SPA吸收大量水分子后，樣品內(nèi)部孔隙被填滿，從而導致樣品的保水性、吸水率和100 h后體積含水率增長變緩。其中6#樣品100 h后體積含水率為6.45%，說明脂膠比對蓄水性能起著至關(guān)重要的作用。

2.2.2 集灰比對免燒磚性能的影響

由表4可知：

（1）集灰比對樣品的保水性影響相對最大。當集灰比從2∶1增大至3∶1時，樣品保水性從0.31g/cm2提高至0.41g/cm2，提高了32.26%；而集灰比從3∶1增大至4∶1時，樣品平均保水性從0.41 g/cm2提高至0.70 g/cm2，提高了70.73%。

（2）集灰比對樣品的吸水率影響相對最大。當集灰比從2∶1提高至3∶1時，樣品平均吸水率從7.67%提高至7.84%，提高了2.22%；而集灰比從3∶1提高至4∶1時，樣品平均吸水率從7.84%提高至10.74%，提高了36.99%。

（3）集灰比對樣品的100 h后體積含水率影響較大。當集灰比從2∶1提高至3∶1時，樣品吸水率從5.11%提高至6.43%，提高了25.83%，當集灰比從3∶1提高至4∶1時，100 h后體積含水率從6.43%降低至5.54%，降低了13.84%。

試驗結(jié)果表明，集灰比是影響樣品保水性和蓄水性能的主要因素，隨著集灰比的提高，包裹在粗細骨料表面的膠結(jié)材料減少，顆粒間孔隙變大，形成穩(wěn)定連通的透水通道和孔隙空間，使得樣品保水性和吸水率有較大提高，而由于孔隙的變大，導致集灰比從3∶1提高至4∶1時性能反而下降。

2.2.3 m（細骨料）∶m（粗骨料）對樣品性能的影響

由表4可知：

（1）m（細骨料）∶m（粗骨料）對樣品的保水性影響相對最小。當m（細骨料）∶m（粗骨料）從3∶1增大至5∶1時，樣品保水性從0.50 g/cm2降低至0.46 g/cm2，降低了8%；而m（細骨料）∶m（粗骨料）從5∶1增大至7∶1時，樣品保水性從0.46 g/cm2降低至0.45 g/cm2，降低了2.17%。

（2）m（細骨料）∶m（粗骨料）對樣品的吸水率影響相對最小。當m（細骨料）∶m（粗骨料）從3∶1增大至5∶1時，樣品吸水率從9.45%降低至8.26%，降低了12.59%；而m（細骨料）∶m（粗骨料）從5∶1增大至7∶1時，樣品吸水率從8.26%提高至8.54%，提高了3.39%。

（3）m（細骨料）∶m（粗骨料）對樣品的100 h后體積含水率影響相對最小。當m（細骨料）∶m（粗骨料）從3∶1提高至5∶1時，樣品平均吸水率從4.81%降低至4.62%，降低了3.95%，當m（細骨料）∶m（粗骨料）從5∶1提高至7∶1時，100 h后體積含水率從4.62%提高至5.42%，增加了17.32%。

試驗結(jié)果表明，隨著m（細骨料）∶m（粗骨料）的增大，細骨料占比增大，粗骨料占比減小，使樣品內(nèi)部孔隙率減小，從而導致樣品保水性和吸水率降低，而100 h后體積含水率起初變化不大，隨后增大。

2.2.4 3種因素對樣品性能的綜合影響

綜上所述，從樣品的保水性和吸水率來看，3種因素對免燒磚的影響能力：集灰比＞脂膠比＞m（細骨料）∶m（粗骨料），其中集灰比極差最大，起決定性作用，影響最大；雖然脂膠比極差小于集灰比，但仍然有較大的影響；而m（細骨料）∶m（粗骨料）影響最小。從樣品100 h后體積含水率來看，綜合考慮，3種因素對免燒磚的影響能力：脂膠比＞集灰比＞m（細骨料）∶m（粗骨料），其中脂膠比極差最大，起決定性作用，影響最大；雖然集灰比極差小于脂膠比，但仍然有較大的影響；而m（細骨料）∶m（粗骨料）影響最小。綜合考慮，確定脂膠比為1∶50、集灰比為3∶1、m（細骨料）∶m（粗骨料）為5∶1（2#），此時，免燒磚的保水性為0.49 g/cm2，吸水率為9.43%，100 h后體積含水率為5.21%。

將試驗樣品用土工布包裹，放于植草溝下400 mm處，在下雨結(jié)束100 h后測試其體積含水率，發(fā)現(xiàn)此時體積含水率為10.42%，遠高于實驗室條件下的體積含水率，可能由于濕潤土壤提供樣品水分，并且由于樣品處于土壤中，通風條件差所致。

2.3 免燒磚去除雨水中SS和COD研究

取上述2#樣品，用4種不同濃度的1 L模擬雨水進行過濾實驗，其中SS初始濃度分別為48、114、247、346 mg/L，COD初始濃度分別為10、20、30、40 mg/L，測試模擬雨水中SS、COD過濾前后的濃度C0、Ce，計算去除率u，免燒磚對雨水中的SS、COD去除效果的試驗結(jié)果見表5。

表5 免燒磚對雨水中SS、COD的去除效果

由表5可知：（1）對比4種不同SS初始濃度（48、114、247、346 mg/L）的模擬雨水，當模擬雨水中SS初始濃度增大時，免燒磚對其去除效果有一定的提高，但達到一定濃度后去除效果幾乎不再變化，去除效率最高可達52.23%；（2）對比4種不同COD初始濃度（10、20、30、40 mg/L）的模擬雨水，當模擬雨水中COD初始濃度增加時，免燒磚對其去除效果有一定的提高，但達到一定濃度后去除效果幾乎不再變化，去除效率最高可達46.27%。試驗結(jié)果表明，該免燒磚對模擬雨水中SS、COD均具有良好去除效果。

3 結(jié)論

（1）在免燒磚的制備過程中，水泥混合料為淤泥基料質(zhì)量的30%時，免燒磚抗壓強度最高，為15.7 MPa，符合GB 50574—2010《墻體材料應(yīng)用統(tǒng)一技術(shù)規(guī)范》中的MU10強度等級要求，具有實際的工程應(yīng)用價值。

（2）集灰比對免燒磚的保水性和吸水率的影響最大，脂膠比其次，m（細骨料）∶m（粗骨料）影響最?。欢z比對100 h后免燒磚的體積含水率影響最大。綜合考慮，確定脂膠比為1∶50、集灰比為3∶1、m（細骨料）∶m（粗骨料）為5∶1，此時，免燒磚的保水性為0.49 g/cm2，吸水率為9.43%，100 h后樣品的體積含水率為5.21%。表明免燒磚具有較高的蓄水性能，可用作海綿城市下墊面的蓄水材料。

（3）對模擬雨水中SS、COD的去除效率分別最高可達到52.23%和46.27%，表明該免燒磚對模擬雨水中SS、COD均具有良好去除效果，具有實際應(yīng)用價值。