堿渣海相軟土混合料燒結(jié)磚試驗(yàn)研究

邵 勇，劉小麗，朱進(jìn)軍

(連云港職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 連云港 222006)

0 引 言

固體廢物污染防治是生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重要內(nèi)容，我國大力提倡對固體廢棄物進(jìn)行減量化、資源化、無害化的“三化”原則，因此對固體廢棄物的處理及應(yīng)用具有重大意義。利用固體廢棄物制作燒結(jié)磚是實(shí)現(xiàn)固體廢物資源化的有效途徑之一，不僅解決了固體廢物的處理問題，且燒結(jié)磚作為一種常用的建筑材料，利用固體廢棄物來制作可節(jié)省大量資源。目前對固體廢棄物燒結(jié)磚已有一定的研究，袁永兵等[1]以干化太湖淤泥為主要原料進(jìn)行燒結(jié)制磚研究表明，干化淤泥直接制成磚坯干燥線收縮率為7.46%，粉煤灰的摻入可進(jìn)一步降低磚坯的總線收縮率，且并不會對制品的抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生較大影響。耿飛等[2]以太湖淤泥和粉煤灰為原料進(jìn)行燒結(jié)磚試驗(yàn)表明，增加粉煤灰摻量，磚體吸水率增大，抗壓強(qiáng)度降低。賈魯濤等[3- 4]以湖泊淤泥為主要原材料、煤渣為瘠性料、生活污泥為成孔劑，在試驗(yàn)室采用真空擠壓塑性成型技術(shù)制備并燒結(jié)得到燒結(jié)磚試樣，當(dāng)湖泊淤泥、煤渣和生活污泥的比重分別為85%、10%和5%時，可制備出干燥線性收縮為5.35%、吸水率為16.5%、抗壓強(qiáng)度為20.5 MPa的燒結(jié)磚試樣。通過對已有研究的總結(jié)，目前對淤泥類燒結(jié)磚的研究有如下幾個特點(diǎn)：

(1)一般不以淤泥為單獨(dú)原材料燒結(jié)制磚，摻合料有石灰、粉煤灰、煤矸石、頁巖、鐵尾礦等，其中粉煤灰較為常見[5]。通過這些摻合料的加入，能夠有效改善燒結(jié)磚的物理化學(xué)性質(zhì)，使其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到規(guī)范要求。

(2)淤泥類燒結(jié)磚有海相淤泥、河相淤泥、湖相淤泥、生活污泥等[6]，其中生活污泥燒結(jié)磚還應(yīng)注意重金屬的浸出問題，防止燒結(jié)磚使用過程中產(chǎn)生環(huán)境污染。

(3)燒結(jié)磚的燒成溫度一般在900～1 100 ℃之間，主要控制指標(biāo)有線縮率、吸水率、抗壓強(qiáng)度等，其中最佳燒成溫度并不是唯一值，因淤泥材料性質(zhì)和摻合材料性質(zhì)不同，最佳燒成溫度也存在差異。

根據(jù)已有的研究，直接采用淤泥制作燒結(jié)磚的案例較少，一般均摻合石灰、粉煤灰等外加材料，但是摻入工業(yè)堿渣的案例未見報道，因此針對海相淤泥摻入工業(yè)堿渣制作燒結(jié)磚有待研究，工業(yè)堿渣在高溫環(huán)境下其性質(zhì)有所提高[7]，故淤泥堿渣燒結(jié)磚存在理論上的可行性。

1 試驗(yàn)設(shè)計

淤泥與堿渣的配合比見表1。首先，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24 h。設(shè)計磚塊試樣干密度為1.50 g/cm3，將原料分3層壓樣成型，模具尺寸為7 cm×7 cm×7 cm。試樣入模見圖1。

表1 原材料配合比 %

圖1 試樣入模

試樣在自然條件下風(fēng)干48 h拆模，試樣脫模見圖2。放入105 ℃的烘箱內(nèi)烘干24 h，烘干后試樣見圖3。最后，烘干后的試樣在高溫爐進(jìn)行燒結(jié)。

圖2 試樣脫模

圖3 烘干后試樣

燒結(jié)溫度分別為950、1 000、1 050 ℃。一般情況下，在焙燒過程中，0～200 ℃為胚體剩余水分蒸發(fā)階段，400～600 ℃為粘土礦物分解階段，800～900 ℃為碳酸鹽礦物分解階段。因此，本次試驗(yàn)采用3段焙燒制，即溫度達(dá)200 ℃后保持1 h，溫度達(dá)600 ℃時保持2 h，在相應(yīng)燒結(jié)溫度下保溫?zé)Y(jié)2 h，最后關(guān)閉加熱裝置讓試樣自然冷卻，燒制完成。圖4為電阻爐，最高燒結(jié)溫度為1 200 ℃，功率5 kW，電壓220 V，爐膛尺寸為300 mm ×200 mm ×150 mm。燒結(jié)過程見圖5。燒結(jié)完成見圖6。

圖4 電阻爐

圖5 燒結(jié)過程

圖6 燒結(jié)完成

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

本次試驗(yàn)設(shè)置3種燒結(jié)溫度，分別為950、1 000、1 050 ℃，測試指標(biāo)有表觀密度、燒失率、線收縮率、吸水率及抗壓強(qiáng)度。通過對樣品的測試，當(dāng)溫度達(dá)1 050 ℃時試樣出現(xiàn)輕微過燒現(xiàn)象，對比試樣各項(xiàng)指標(biāo)發(fā)現(xiàn)，1 000 ℃為最佳燒結(jié)溫度。

2.1 表觀密度

圖7為不同燒結(jié)溫度下試樣表觀密度與堿渣含量的關(guān)系。從圖7可以看出，隨著堿渣含量的增加，試樣表觀密度略有降低，這是由于堿渣密度要小于淤泥質(zhì)土，堿渣含量增大，試樣密度降低。普通黏土磚表觀密度為1.7～1.9 g/cm3，與普通黏土磚相比試樣表觀密度降低約17%。在不同燒結(jié)溫度條件下，試樣表觀密度略有不同，燒結(jié)溫度為1 000 ℃時表觀密度最大，燒結(jié)溫度1 050 ℃時最小，這是由于過燒導(dǎo)致試樣體積輕微膨脹，致使表觀密度降低，而燒結(jié)溫度為950 ℃時燒結(jié)不夠充分，質(zhì)量損失小，致使其表觀密度略小。

圖7 表觀密度與堿渣含量的關(guān)系

2.2 燒失率

圖8為不同燒結(jié)溫度下試樣燒失率與堿渣含量的關(guān)系。從圖8可以看出，隨著堿渣含量的增加，試樣燒失率逐漸降低，因?yàn)閴A渣的增加導(dǎo)致淤泥質(zhì)土含量相對減少，有機(jī)質(zhì)的燒失量減少。不同燒結(jié)溫度條件下，樣品燒失率差別不大，均在10%附近。

圖8 燒失率與堿渣含量的關(guān)系

2.3 線收縮率

圖9為干燥線收縮率與堿渣含量的關(guān)系。從圖9可以看出，堿渣的摻入能夠降低試樣干燥收縮率，堿渣摻量由0增加至15%時，試樣干燥線收縮率由9.1%降低至7.2%。圖10為不同燒結(jié)溫度下試樣燒成線收縮率與堿渣含量的關(guān)系。從圖10可以看出，隨著堿渣含量的增加，試樣燒成線收縮率逐漸降低，因?yàn)閴A渣在高溫條件不僅沒有收縮，相反有輕微的膨脹。不同燒結(jié)溫度條件下，試樣燒成線收縮率均在3%附近。

圖9 干燥線收縮率與堿渣含量的關(guān)系

圖10 燒成線收縮率與堿渣含量的關(guān)系

2.4 吸水率

圖11為不同燒結(jié)溫度下試樣吸水率與堿渣含量的關(guān)系。從圖11可以看出，隨著堿渣含量的增加，試樣吸水率逐漸降低。不同燒結(jié)溫度條件下，樣品吸水率在15%～25%之間。

圖11 吸水率與堿渣含量的關(guān)系

2.5 抗壓強(qiáng)度

圖12為不同燒結(jié)溫度下試樣抗壓強(qiáng)度與堿渣含量的關(guān)系。從圖12可以看出，隨著堿渣含量的增加，試樣抗壓強(qiáng)度逐漸增大。其中，燒結(jié)溫度為1 000 ℃時抗壓強(qiáng)度最大，燒結(jié)溫度950 ℃次之，燒結(jié)溫度為1 050 ℃時最小，且燒結(jié)溫度為1 050 ℃時有輕微過燒現(xiàn)象。燒結(jié)溫度為1 000 ℃時，不摻入堿渣的試樣抗壓強(qiáng)度為14.28 MPa，隨著堿渣的增加，試樣抗壓強(qiáng)度逐漸增大，當(dāng)堿渣含量為15%時，試樣抗壓強(qiáng)度為21.42 MPa，說明堿渣能夠有效改善燒結(jié)磚的強(qiáng)度。

圖12 抗壓強(qiáng)度與堿渣含量的關(guān)系

2.6 堿渣燒結(jié)磚與粘土磚對比分析

圖13為堿渣淤泥磚與普通粘土磚對比。2種磚的燒結(jié)溫度均為1 000 ℃，且制備及燒結(jié)條件一致。普通粘土磚的抗壓強(qiáng)度為18.23 MPa。從圖13可以看出，隨著堿渣的摻入量達(dá)6%時，堿渣淤泥燒結(jié)磚的抗壓強(qiáng)度與普通粘土磚基本相當(dāng)，堿渣摻量繼續(xù)增加后，堿渣淤泥磚的抗壓強(qiáng)度要明顯高于普通粘土磚。

圖13 堿渣淤泥磚與普通黏土磚對比

2.7 凍融試驗(yàn)結(jié)果分析

本次試驗(yàn)參照GBT 2542—2012《砌墻磚試驗(yàn)方法》進(jìn)行凍融試驗(yàn)，共進(jìn)行了125次凍融循環(huán)。圖14為凍融試驗(yàn)結(jié)果。從圖14可以看出，在凍融循環(huán)次數(shù)分別為25、50、75、100次和125次時，不摻堿渣的淤泥燒結(jié)磚質(zhì)量損失率分別為0.13%、0.17%、0.28%、0.34%、0.45%，隨著堿渣含量的增加，凍融循環(huán)質(zhì)量損失率略有增加；當(dāng)堿渣含量為15%時，質(zhì)量損失分別為0.21%、0.32%、0.41%、0.58%、0.69%，均未超過規(guī)范要求的2%。說明各試樣均滿足燒結(jié)普通磚的技術(shù)要求，具有良好的抗凍性能。

圖14 凍融試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié) 語

通過本文燒結(jié)試驗(yàn)，在海相淤泥中摻入工業(yè)堿渣后，燒結(jié)磚的性能得到了明顯提高，各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足普通燒結(jié)磚的規(guī)范要求。在凍融循環(huán)試驗(yàn)中，各試樣質(zhì)量損失率均未超過2%。在本文試驗(yàn)條件下，摻入工業(yè)堿渣15%時，燒結(jié)磚的抗壓強(qiáng)度可達(dá)21.42 MPa，而普通粘土磚為18.23 MPa，抗壓強(qiáng)度提高約17.5%，說明工業(yè)堿渣的摻入有效提高了淤泥燒結(jié)磚的強(qiáng)度。為了保護(hù)耕地節(jié)約資源，我國大部分城市禁用粘土燒結(jié)制磚，因此利用工業(yè)堿渣及淤泥這種固體廢物燒結(jié)制磚是一舉多得之舉。