河道底泥制免燒磚技術(shù)研究

李 楊

(深圳市碩創(chuàng)環(huán)?？萍加邢薰?，廣東 深圳 518115)

1 引言

隨著城市工業(yè)化水平的提高，城市河道受到不同程度的污染。大量生活污水、工業(yè)廢水、建筑垃圾和其它固體廢棄物排入河道水體，造成河道水質(zhì)惡化和底泥堆積，最終影響城市河道發(fā)揮正常的社會和生態(tài)功能，例如水土保持、空氣凈化、防洪排澇等。污染的底泥還是河道水質(zhì)得不到徹底改善的主要原因，所以對底泥的治理十分重要[1～3]。

底泥具有高含水率、高流動性等缺點，很難被直接利用，且底泥會對環(huán)境造成污染，如何將底泥進行減量化、無害化、資源化處置，已經(jīng)成為環(huán)保領(lǐng)域研究的熱點。目前底泥的處置與資源化方法主要有堆肥利用[4，5]、干化焚燒[6，7]、造陸利用[8，9]、建筑材料利用等[10～14]。堆肥利用，主要是通過微生物的作用將底泥中的有機物進行分解代謝，生產(chǎn)有機肥料。該法在國內(nèi)外已經(jīng)廣泛得到工業(yè)應(yīng)用，但是底泥中的有害物質(zhì)，例如，重金屬、一些病菌、二噁英等，并不能通過堆肥徹底消除，會對環(huán)境造成二次污染。干化焚燒法是對底泥減量化和無害化處理最好的方法，但是其較高的運營成本和排放大量的二氧化碳，不符合國家碳減排碳中和的政策。造陸利用，主要是將疏浚底泥輸送到圍堤中，經(jīng)過沉積固化處理，形成大面積陸地的方法。該法能夠大量消耗疏浚底泥，但是對設(shè)備和工藝的要求高，限制了它大規(guī)模應(yīng)用。底泥含有大量無機質(zhì)如SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO等，其化學(xué)成分及物理性能與黏土極為類似，能夠部分替代黏土制備建材產(chǎn)品。此外，為保護耕地資源，國家相繼出臺多項“禁實限黏”政策，限制黏土質(zhì)磚的開發(fā)使用。這也為底泥替代黏土用于制磚材料開發(fā)提供了政策支持。底泥建材化處理是目前綜合利用率較高的處理方式。

本文是以深圳龍西河底泥為主要原料，研究了不同摻量的水泥、細砂、1～4石和減水劑對制備底泥免燒磚抗壓強度的影響，確定了最優(yōu)的物料配比，為以后疏浚底泥資源化利用提供可行的研究工藝。

2 試驗部分

2.1 原材料

(1)底泥：采自深圳龍西河主河道，基本物理與化學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表1和2所示。該底泥總鉛、總砷、總汞、總銅、總鋅及總鎳等指標(biāo)均未超過《河湖淤泥處理處置技術(shù)導(dǎo)則》(T/CWEA7-2019)中的Ⅰ類泥體總量限值。

表1 底泥主要無機組分指標(biāo)

(2)水泥：P·C32.5水泥，東莞華潤水泥廠有限公司。

表2 底泥主要重金屬指標(biāo) mg/kg

(3)減水劑：聚羧酸高性能減水劑，上海亨創(chuàng)化工有限公司。

(4)早強劑：硫酸鈉、氯化鈣、三乙醇胺，均購于國藥集團化學(xué)試劑有限公司。

2.2 試驗儀器

精密電子天平，賽多利斯BSA1245-CW；行星式砂漿攪拌機，河北潤聯(lián)NJ-160；砌塊成型機，山東金利QMR2-45砌塊成型機；萬能壓力試驗機，長春新特GNT-200。

2.3 試驗方法

按照不同的底泥、水泥、1-4石、聚羧酸減水劑與細砂的質(zhì)量分數(shù)比，采用單因素變量法，依次按不同物料配比加入底泥、1-4石、細砂、水泥、聚羧酸減水劑，攪拌均勻后，填充入試驗設(shè)計尺寸為(50 mm×50 mm×100 mm)模具中壓制成型，成型壓力為20 MPa。然后，將得到的免燒磚在自然條件下養(yǎng)護3 d、7 d、14 d、28 d，最后根據(jù)GB/T4111-2013《混凝土砌塊和磚試驗方法》檢測相應(yīng)底泥免燒磚的抗壓強度,具體實驗流程如圖1所示。

圖1 底泥免燒磚實驗流程

3 結(jié)果與討論

3.1 不同底泥摻量對免燒磚抗壓強度的影響

在底泥與細砂總質(zhì)量分數(shù)為44.5%，水泥摻量為15%、1-4石摻量為40%、聚羧酸減水劑摻量為0.5%的條件下，底泥摻量分別為5%、15%、25%、35%，考察底泥摻量對免燒磚抗壓強度的影響，具體實驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同底泥摻量對免燒磚抗壓強度的影響

從圖2可以看出，隨著底泥摻量的增加，不同齡期免燒磚的抗壓強度都明顯降低，在底泥摻量為5%時，7 d齡期免燒磚的抗壓強度達到了36.2 MPa，摻入量為 15%時，免燒磚抗壓強度下降到32.5 MPa，降低了10.2%；底泥摻量從25%增大到35%時，磚體抗壓強度從18.6下降到6.8 MPa，相比15%底泥摻量降低了42.8%和79.1%。由此可見，底泥對磚體抗壓強度有明顯影響，原因是底泥顆粒很小，當(dāng)摻量在5%～15% 時其充當(dāng)了細集料的作用，填充在磚體的空隙中，增加了磚體的緊密性；當(dāng)?shù)啄鄵搅勘壤龃蟮?5%時，由于底泥細顆粒太多使砂子之間出現(xiàn)了離散，進而使試塊的強度下降。結(jié)果顯示15%摻量的底泥，14 d齡期抗壓強度達到了45.6 MPa，符合免燒磚MU40強度等級的要求。在保障免燒磚抗壓強度的前提下，最大限度地利用底泥制免燒磚，其最佳摻量為15%。

3.2 不同水泥摻量對免燒磚抗壓強度的影響

在水泥與細砂總質(zhì)量分數(shù)為44.5%，底泥摻量為15%、1-4石摻量為40%、聚羧酸減水劑摻量為0.5%的條件下，水泥摻量分別為5%、10%、15%、20%，考察水泥摻量對免燒磚抗壓強度的影響，具體實驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 水泥摻量對免燒磚抗壓強度的影響

從圖3可以看出，隨著水泥摻量的增加，不同齡期免燒磚抗壓強度逐漸增大。其中，當(dāng)水泥摻量5%時，免燒磚抗壓強度為6.5 MPa；水泥摻量10%時，抗壓強度達到28.9 MPa，相比5%增加了345%。當(dāng)水泥摻量從15%到20%時，抗壓強度從43.6 MPa上升到45.5 MPa，相比10%增加了50.9%和57.4%，滿足MU40強度等級要求，可見水泥對免燒磚抗壓強度提升作用大。因為水泥是膠凝材料的主要成分，通過水化反應(yīng)形成凝膠，將底泥中的微小泥粉顆粒包裹起來，形成致密的固化結(jié)構(gòu)?？紤]到底泥資源化率最大、經(jīng)濟成本最低和磚體強度高等因素，水泥最佳摻量為15%。

3.3 不同1-4石摻量對免燒磚抗壓強度的影響

在1-4石與細砂總質(zhì)量分數(shù)為69.5%，水泥摻量為15%、底泥摻量為15%、聚羧酸減水劑摻量為0.5%的條件下，1-4石摻量分別為20%、30%、40%、50%，考察1-4石摻量對免燒磚抗壓強度的影響，具體實驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 1-4石對免燒磚抗壓強度的影響

從圖4可以看出，隨著1-4石摻量的增加，不同齡期底泥免燒磚抗壓強度先增大后減小，當(dāng)1-4石摻量為20%時，7 d和28 d抗壓強度分別為12.7 MPa和14.8 MPa；當(dāng)1-4石摻量30%時，7 d和28 d抗壓強度達到16.7 MPa和36.6 MPa，相比20%增加了31.5%和147.3%；當(dāng)1-4石摻量從40%到50%時，28 d抗壓強度從48.7降低到36.1 MPa。1-4石在磚體中主要起到支撐和抵抗變形的作用，從而增強了磚體的自身強度。當(dāng)摻量從20%增大到40%時，微小的細砂和底泥顆粒能夠填充到石子之間的空隙中，這樣使得孔隙率越來越小，形成磚體的堆積越質(zhì)密，相應(yīng)免燒磚的抗壓強度越來越高，同時，小石子因自身彈性模量較高，剛性也較大，也能夠有效地提高免燒磚的強度。

但是當(dāng)摻量達到50%時，細砂的摻量降低到19.5%，沒有足夠的細顆粒物料填充空隙，導(dǎo)致磚體抗壓強度降低。對于研究的物料配比，1-4石摻量40%時，免燒磚能夠滿足MU40磚的強度要求。

3.4 不同聚羧酸減水劑摻量對免燒磚抗壓強度的影響

在聚羧酸減水劑與細砂總質(zhì)量分數(shù)為30%，水泥摻量為15%、底泥摻量為15%、1-4石摻量為40%的條件下，減水劑摻量分別為0.1%、0.3%、0.5%、0.7%，考察減水劑摻量對免燒磚抗壓強度的影響，具體實驗結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看出，隨著聚羧酸減水劑摻量的增加，免燒磚抗壓強度都呈現(xiàn)快速上升趨勢，當(dāng)減水劑摻量為0.1%時，14 d和28 d抗壓強度分別為21.2 MPa和28.7 MPa；當(dāng)減水劑摻量0.3%時，14 d和28 d抗壓強度達到25.4 MPa和35.8 MPa，相比0.1%增加了19.8%和24.7%；當(dāng)減水劑摻量從0.5%到0.7%時，28 d抗壓強度從43.9升高到47.0 MPa。聚羧酸減水劑在磚體中主要體現(xiàn)減水分散性能，它是由的長側(cè)鏈相互作用產(chǎn)生的空間位阻效應(yīng)和聚羧酸分子的陰離子基團產(chǎn)生的靜電斥力效應(yīng)的協(xié)調(diào)作用產(chǎn)生的。當(dāng)加入適量的減水劑時，能夠快速分散底泥和水泥顆粒，加快水泥水化反應(yīng)速率，從而提高免燒磚的早期抗壓強度。從圖5可知，0.5%摻量的減水劑所制備的免燒磚28 d抗壓強度達到了43.9 MPa，滿足相關(guān)磚強度要求。

圖5 聚羧酸減水劑摻量對免燒磚抗壓強度的影響

3.5 早強劑對免燒磚抗壓強度的影響

根據(jù)上述實驗結(jié)果，確定了最佳物料配比，底泥資源化利用制免燒磚，考慮實際生產(chǎn)效率，需要提高免燒磚早期抗壓強度。在水泥、底泥、1-4石、減水劑和細砂摻量分別為15%、15%、40%、0.5%、29.5%條件下，添加0.3%的3種早強劑，硫酸鈉、氯化鈣、三乙醇胺。將得到的免燒磚在自然條件下養(yǎng)護1 d、3 d、5 d、7 d，最后根據(jù)GB/T4111-2013《混凝土砌塊和磚試驗方法》檢測相應(yīng)底泥免燒磚的抗壓強度,具體實驗結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同早強劑對免燒磚抗壓強度的影響

從圖6可知，添加3種早強劑都能夠提高底泥免燒磚的抗壓強度，其中，三乙醇胺增強效果最明顯，1d和7d的抗壓強度分別為23.6和55.2MPa，相比未加早強劑增大118.5%和79.8%。與未加早強劑相比，硫酸鈉1d和7d抗壓強度增大71.3%和29.3%，氯化鈣1d和7d抗壓強度增大37.0%和7.8%，氯化鈣增強效果最差。早強劑同水泥礦物C3A、C4AF形成能促凝的復(fù)雜化合物，這些化合物能為C3S、CaS的水化、結(jié)晶提供晶核，加速水泥組分的溶解，促進水化反應(yīng)進行，最終提高免燒磚抗壓強度。

4 結(jié)論

(1)通過本次試驗，確定最優(yōu)的物料配比，底泥、水泥、1-4石、細砂與聚羧酸減水劑質(zhì)量比為15%∶15%∶40%∶29.5%∶0.5%，所制出免燒磚的28 d抗壓強度為45.6 MPa,達到普通混凝土磚MU40的強度等級要求，能滿足新型墻體建筑材料的性能需求。

(2)添加硫酸鈉、氯化鈣、三乙醇胺三種早強劑都能夠不同程度增強底泥免燒磚的抗壓強度，其中，三乙醇胺效果最好，7 d抗壓強度高達55.2 MPa，所制免燒磚可以作為棧道、碼頭、港口地面磚使用。