河湖淤泥制備燒結(jié)磚的試驗(yàn)研究

倪亞玲，蘭明章，崔敬軒，邸楊，何捷

（1.北京工業(yè)大學(xué)材料與制造學(xué)部，北京 100124；2.中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院有限公司，北京 100024）

0 引 言

我國(guó)地域廣闊，河湖眾多，河湖資源豐富[1]，但同時(shí)河湖淤泥產(chǎn)生量大，淤泥堆積情況相當(dāng)嚴(yán)重。河湖淤泥具有強(qiáng)度低、壓縮性大、成分復(fù)雜、性質(zhì)不穩(wěn)定、氣味惡臭等特性，不經(jīng)處理很難直接利用[2]。河湖淤積不僅影響河流的通航和儲(chǔ)水能力，還導(dǎo)致水體變質(zhì)，形成黑臭水體[3]，環(huán)境污染大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅湖泊、河道的淤泥清理量每年就達(dá)7000 余萬(wàn)t，此外，城市下水道也會(huì)產(chǎn)生大量的淤泥[4]。如此巨量的河湖淤泥如果不進(jìn)行有效處理，不僅會(huì)造成自然資源的浪費(fèi)，同時(shí)易產(chǎn)生二次污染對(duì)環(huán)境造成危害，且由于淤泥中含有重金屬物質(zhì)，可能通過(guò)生物富集對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類健康構(gòu)成潛在威脅[5]。因此，河湖淤泥的科學(xué)處理以及資源化綜合利用已經(jīng)逐漸成為一個(gè)亟待解決的熱點(diǎn)及難點(diǎn)。目前，河湖淤泥主要的處置途徑包括：填埋處置、土地再利用、建材資源化利用等[6]。填埋作為河湖淤泥處置方法，雖然成本相對(duì)較低，但直接將淤泥填埋易造成二次污染，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生較大危害，且填埋還會(huì)占用較多的土地。土地利用也存在二次污染的危害，同時(shí)對(duì)淤泥的消納量有限[6]。建材利用則可以實(shí)現(xiàn)河湖淤泥的資源化處置，主要應(yīng)用于磚材、水泥、陶粒等方面。

針對(duì)河湖淤泥用作燒結(jié)磚原料，國(guó)內(nèi)外多學(xué)者開(kāi)展了大量的研究工作，涵蓋了不同來(lái)源的河湖淤泥。CUSIDO J A 等[7]以淤泥為原料制備燒結(jié)磚，并對(duì)燒結(jié)磚的浸出毒性進(jìn)行了研究。祝志雄等[8]將3 種不同的頁(yè)巖與河道淤泥混合制備燒結(jié)磚。以河湖淤泥為原料制備燒結(jié)磚，河湖淤泥經(jīng)高溫?zé)坪罂蛇_(dá)到無(wú)害化，降低淤泥造成二次污染的危害，同時(shí)淤泥中的有機(jī)物作為燃料，在燒制磚坯時(shí)能降低能耗[9]。但由于河湖淤泥本身來(lái)源波動(dòng)較大，對(duì)不同地區(qū)河湖淤泥性質(zhì)研究不足，不同地區(qū)獲得的淤泥組成和性質(zhì)也有所不同，導(dǎo)致淤泥對(duì)燒結(jié)磚制備過(guò)程要求和產(chǎn)品性能影響極為復(fù)雜[10]。本文選取氿江淤泥用于燒結(jié)磚的制備，經(jīng)變量試驗(yàn)，得到最佳工藝條件，并對(duì)該條件下制備的燒結(jié)磚的重金屬浸出及放射性進(jìn)行考察，確定其環(huán)境安全性。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

淤泥：江蘇氿江，經(jīng)干化處理，表面呈深褐色，含水率為62.1%，其化學(xué)組成見(jiàn)表1。用X 射線衍射（X-ray diffraction，XRD）儀測(cè)試淤泥中的礦物成分，所得XRD 圖譜見(jiàn)圖1，從測(cè)試結(jié)果可知，氿江淤泥主要由石英和長(zhǎng)石類等礦物組成。參照GB/T 25031—2010《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置制磚用泥質(zhì)》，測(cè)試氿江淤泥中的重金屬含量，結(jié)果見(jiàn)表2，氿江淤泥重金屬含量遠(yuǎn)低于GB/T 25031—2010 規(guī)定的限值。頁(yè)巖和煤矸石：安徽省淮南市某磚廠。水：自來(lái)水。

表1 氿江淤泥的主要化學(xué)成分 %

圖1 氿江淤泥的XRD 圖譜

表2 氿江淤泥中的重金屬含量 mg/kg

1.2 試樣制備

（1）將試樣材料（淤泥、頁(yè)巖、煤矸石）在105 ℃下烘干，粉粹制備成粒度在40～150 目的粉料備用。

（2）按試驗(yàn)設(shè)計(jì)配方，稱量原材料。

（3）原料混合均勻后加入攪拌機(jī)，邊攪拌邊加入設(shè)定量的水。充分?jǐn)嚢枰孕纬删鶆蝾w粒狀混合料。

（4）啟動(dòng)壓力機(jī)，將攪拌好的混合料放入模具，以6 kN/s的加載速率進(jìn)行壓制，施加不同壓力，將其混合料擠壓成240 mm×115 mm×50 mm 的磚坯。

（5）將磚坯置于室內(nèi)自然干燥5～7 d，再將其放入105 ℃的干燥箱中烘24 h，然后根據(jù)所設(shè)定的不同燒結(jié)溫度制備燒結(jié)磚。

1.3 性能測(cè)試

抗壓強(qiáng)度：依據(jù)GB/T 2542—2012《砌墻磚試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試。

吸水率：吸水率指樣品在室溫下在水中浸泡24 h 所增加的質(zhì)量百分率，參照GB/T 2542—2012 進(jìn)行測(cè)試。

環(huán)境安全性：重金屬浸出根據(jù)GB 5085.3—2007《危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)浸出毒性鑒別》進(jìn)行測(cè)試；放射性參照GB 6566—2010《建筑材料放射性核素限量》進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 河湖淤泥制燒結(jié)磚的試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1.1 淤泥摻量對(duì)燒結(jié)磚抗壓強(qiáng)度、吸水率的影響

本試驗(yàn)以頁(yè)巖為主體原料，制坯成型壓力為4 MPa，燒結(jié)溫度為1000 ℃，在該溫度下保溫1.5 h，探究氿江淤泥摻量對(duì)燒結(jié)磚抗壓強(qiáng)度、吸水率的影響。其原料配比見(jiàn)表3，試驗(yàn)結(jié)果如表4 所示。

表3 不同淤泥摻量燒結(jié)磚的原材料配比 %

表4 淤泥摻量對(duì)燒結(jié)磚抗壓強(qiáng)度和吸水率的影響

由表4 可見(jiàn)，在成型壓力、最高燒結(jié)溫度相同的條件下，隨著河湖淤泥摻量的增加，淤泥燒結(jié)磚的抗壓強(qiáng)度急劇降低。這是由于：（1）隨著淤泥摻量的增加，磚坯中有機(jī)成分增加，經(jīng)高溫焙燒，磚坯中有機(jī)成分發(fā)生分解，磚體內(nèi)部收縮，從而影響淤泥燒結(jié)磚的抗壓強(qiáng)度[11]；（2）隨著淤泥摻量的增加，淤泥內(nèi)部的脊化作用增強(qiáng)，混合物料的粘結(jié)性和密實(shí)度相應(yīng)降低，這是因?yàn)榇u坯在干燥燒制時(shí)發(fā)生收縮現(xiàn)象，出現(xiàn)裂紋等微觀缺陷[12]，因而磚體抗壓強(qiáng)度降低；（3）在燒制前磚坯干燥不完全，使得磚體的含水量略高，磚體燒制時(shí)收縮嚴(yán)重，致使磚體抗壓強(qiáng)度降低；或坯料的均勻性相對(duì)較差，燒結(jié)磚焙燒過(guò)程中局部收縮，造成燒結(jié)磚的抗壓強(qiáng)度降低。由此，在制備淤泥燒結(jié)磚時(shí)，既要考慮淤泥摻量，淤泥摻量不能無(wú)限增大，還要確保燒制前含水量較低，坯料均勻。根據(jù)GB/T 5101—2017《燒結(jié)普通磚》對(duì)抗壓強(qiáng)度的要求，優(yōu)質(zhì)燒結(jié)磚的強(qiáng)度等級(jí)至少應(yīng)為MU10 級(jí)，抗壓強(qiáng)度至少達(dá)10 MPa。并使燒結(jié)磚具有輕質(zhì)保溫的性能[13]，選擇淤泥摻量為40%以下較為合理。

吸水率是影響磚體耐久性的關(guān)鍵因素之一，滲入磚中的水越多，即吸水率越高，磚就越容易被凍結(jié)而損壞[14]。由表4可見(jiàn)，隨著氿江淤泥摻量的增加，燒結(jié)磚的吸水率顯著增大。這是由于，隨著淤泥摻量的增加，混合物料的內(nèi)聚力降低，經(jīng)焙燒增大了內(nèi)孔徑，導(dǎo)致吸水率增加[15]。同時(shí)，淤泥中含有的有機(jī)成分經(jīng)高溫?zé)坪螅诖u體內(nèi)部及表面形成較多的微孔，致使磚體吸水率增大。依據(jù)GB/T 5101—2017 對(duì)優(yōu)質(zhì)燒結(jié)磚的要求，吸水率不應(yīng)超過(guò)20%，因此，淤泥摻量應(yīng)控制在40%以下為宜。

2.1.2 成型壓力對(duì)燒結(jié)磚抗壓強(qiáng)度、吸水率的影響

研究氿江淤泥摻量30%、頁(yè)巖摻量40%、煤矸石摻量30%的磚坯在燒結(jié)溫度為1000 ℃，并在1000 ℃下保溫1.5 h，成型壓力分別為2、4、6、8、10 MPa 時(shí)對(duì)燒結(jié)磚抗壓強(qiáng)度、吸水率的影響。試驗(yàn)結(jié)果如表5 所示。

由表5 可見(jiàn)：

（1）在淤泥摻量、最高燒結(jié)溫度相同的條件下，隨著成型壓力的增大，淤泥燒結(jié)磚的抗壓強(qiáng)度逐漸提高。這主要是由于成型壓力越大，淤泥顆粒接觸越緊實(shí)，淤泥燒結(jié)磚密實(shí)度越大，空隙率越低，因而抗壓強(qiáng)度越高，吸水率越低。但成型壓力過(guò)大時(shí)，淤泥燒結(jié)磚與模具間的粘結(jié)力增大，造成脫模困難[16]，脫模時(shí)淤泥燒結(jié)磚的結(jié)構(gòu)易被破壞。此外，會(huì)使磚坯表面出現(xiàn)細(xì)小裂紋，在高溫?zé)齐A段，磚體發(fā)生膨脹，細(xì)小裂紋變大，進(jìn)而影響磚體形狀、結(jié)構(gòu)。

（2）在淤泥摻量、最高燒結(jié)溫度相同的條件下，隨著成型壓力的增大，淤泥燒結(jié)磚的吸水率減小。這是由于成型壓力越大，混合料壓得越密實(shí)，內(nèi)部空隙越小，燒結(jié)后的磚體越密實(shí)，從而使得燒結(jié)磚的吸水率減小。然而，當(dāng)達(dá)到一定的成型壓力時(shí)，混合料顆粒就無(wú)法再被壓制縮小，此時(shí)坯體的密實(shí)度不會(huì)隨成型壓力增加無(wú)限增大，反而有所減低。因此，根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果得出最佳成型壓力為6～8 MPa。

2.1.3 燒結(jié)溫度對(duì)燒結(jié)磚抗壓強(qiáng)度和吸水率的影響

研究氿江淤泥摻量30%、頁(yè)巖摻量40%、煤矸石摻量30%的磚坯在成型壓力為6 MPa，在最高溫度下保溫1.5 h，最高燒結(jié)溫度分別為900、1000、1050、1100 ℃時(shí)對(duì)燒結(jié)磚抗壓強(qiáng)度、吸水率的影響。試驗(yàn)結(jié)果如表6 所示。

表6 燒結(jié)溫度對(duì)燒結(jié)磚抗壓強(qiáng)度和吸水率的影響

由表6 可見(jiàn)：

（1）在淤泥摻量、成型壓力相同的條件下，燒結(jié)磚的抗壓強(qiáng)度隨燒結(jié)溫度的變化而顯著變化，在不同燒結(jié)溫度下，磚坯的抗壓強(qiáng)度有較大差異，隨著燒結(jié)溫度的升高，磚坯收縮增大，抗壓強(qiáng)度提高。當(dāng)燒結(jié)溫度為900 ℃時(shí)，在進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，磚體中心呈現(xiàn)深褐色，出現(xiàn)磚坯燒結(jié)不充分、未燒透現(xiàn)象，導(dǎo)致磚塊的抗壓強(qiáng)度較低；當(dāng)燒結(jié)溫度為1000、1050 ℃時(shí)，磚坯中的一些低熔點(diǎn)物質(zhì)由固相轉(zhuǎn)化為液相，熔融現(xiàn)象使液相填充磚坯內(nèi)部孔隙，提高了磚坯的致密度[17]，其抗壓強(qiáng)度提高。然而，當(dāng)燒結(jié)溫度升高到1100 ℃時(shí)，一些礦物在相變過(guò)程中發(fā)生體積膨脹，磚坯出現(xiàn)裂紋、磚體顏色變黑，出現(xiàn)過(guò)燒現(xiàn)象，使得磚體的抗壓強(qiáng)度明顯降低[13]。保證燒結(jié)效果的首要條件是燒結(jié)溫度適宜，通過(guò)綜合對(duì)比不同燒結(jié)溫度時(shí)磚坯燒結(jié)后的宏、微觀性質(zhì)，燒結(jié)溫度為1050 ℃較適宜。

（2）在淤泥摻量、成型壓力相同的條件下，隨著燒結(jié)溫度的升高，淤泥燒結(jié)磚的吸水率呈先減小后增大的趨勢(shì)。其中1050 ℃燒結(jié)溫度下磚坯吸水率最小，1100 ℃下吸水率稍大，900 ℃下吸水率最大。這是由于，隨著燒結(jié)溫度的升高，磚坯中熔融相逐漸增多，磚坯產(chǎn)生收縮，密度增加，吸水率下降。當(dāng)燒結(jié)溫度過(guò)高，達(dá)到過(guò)燒溫度時(shí)，過(guò)多的熔融相破壞了磚坯中的孔隙結(jié)構(gòu)，使吸水率增大。

2.2 燒結(jié)磚環(huán)境安全評(píng)價(jià)

氿江淤泥制備燒結(jié)磚的環(huán)境安全評(píng)價(jià)主要考慮放射性及重金屬浸出毒性2 個(gè)方面。選擇淤泥摻量30%，燒結(jié)溫度1050 ℃及成型壓力8 MPa 下的燒結(jié)磚進(jìn)行環(huán)境安全評(píng)價(jià)分析試驗(yàn)。

2.2.1 放射性

參照GB 6566—2010 對(duì)河湖淤泥制備的燒結(jié)磚放射性進(jìn)行檢測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果為內(nèi)照射指數(shù)、外照射指數(shù)分別為0.2、0.5，符合GB 6566—2010 規(guī)定的內(nèi)照射指數(shù)和外照射指數(shù)≤1.0 的要求，表明氿江淤泥燒結(jié)磚對(duì)環(huán)境及人體不會(huì)造成危害。然而，由于環(huán)境條件的不同，不同地區(qū)的河湖淤泥的放射性也不同，在資源化利用河湖淤泥的過(guò)程中，應(yīng)考慮放射性對(duì)生態(tài)環(huán)境及人體健康的影響。

2.2.2 重金屬浸出

通過(guò)測(cè)試淤泥磚坯燒結(jié)前后浸出液中Zn、Hg、Cr、Cd、Ni、Pb、Cu、As 的濃度，研究燒結(jié)過(guò)程對(duì)重金屬的固化作用，以此評(píng)價(jià)河湖淤泥制備燒結(jié)磚的環(huán)境安全性。測(cè)試結(jié)果如表7 所示。

表7 磚坯燒結(jié)前后重金屬浸出濃度 mg/L

本研究的淤泥磚坯燒結(jié)前浸出濃度均較低，8 種重金屬元素的浸出濃度均小于0.3 mg/L，Hg 和Pb 均未檢出，遠(yuǎn)低于GB 5085.3—2007 規(guī)定的限制。經(jīng)過(guò)1050 ℃焙燒后，重金屬浸出濃度都有了不同程度的降低，大多數(shù)的重金屬都得到了很好的固化，其中減少量最大的為Ni（97.23%）。重金屬Zn 和Ni屬于易富集金屬，在高溫作用下，它能與其它物質(zhì)反應(yīng)形成共熔物或不易析出的化合物[18]；Cr 屬于親氧元素，在高溫條件下易發(fā)生氧化反應(yīng)，將Cr3+轉(zhuǎn)化為Cr6+，最終形成易溶鈣鹽[19]，且易發(fā)生遷移；Cd 屬于半揮發(fā)性元素，在焙燒過(guò)程中部分揮發(fā)，浸出濃度降低。

3 結(jié) 論

（1）氿江淤泥是以SiO2等為主的黏土質(zhì)材料，利用氿江淤泥制作淤泥燒結(jié)磚，經(jīng)干燥后焙燒，可生產(chǎn)性能優(yōu)良的燒結(jié)磚，實(shí)現(xiàn)氿江淤泥無(wú)害化、減量化、資源化處置。

（2）成型壓力、燒結(jié)溫度一定時(shí)，隨著淤泥摻量的增加，淤泥燒結(jié)磚抗壓強(qiáng)度降低，吸水率增大；淤泥摻量、燒結(jié)溫度一定時(shí)，隨著成型壓力的增大，燒結(jié)磚抗壓強(qiáng)度先提高后降低，吸水率逐漸減??；淤泥摻量、成型壓力一定時(shí)，隨著燒結(jié)溫度的增加，燒結(jié)磚抗壓強(qiáng)度先提高后降低，吸水率先減小后增大。

（3）氿江淤泥替代部分頁(yè)巖制備燒結(jié)磚的最優(yōu)制備條件為：淤泥摻量30%、成型壓力8 MPa、最高燒結(jié)溫度1050 ℃、最高燒結(jié)溫度保溫1.5 h。最優(yōu)條件下制得的氿江淤泥燒結(jié)磚的吸水率、抗壓強(qiáng)度等性能符合GB/T 2542—2012 要求。

（4）氿江淤泥燒結(jié)磚的放射性和重金屬浸出毒性均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，重金屬可以得到有效固化。