水庫底泥制備免燒磚試驗研究

劉德志，王曉磊，李軍，李彥蒼，劉歷波

（河北工程大學 土木工程學院，河北 邯鄲 056038）

隨著時間的推移水庫中會產(chǎn)生大量的底泥，底泥會對水質(zhì)及水產(chǎn)的生存環(huán)境等造成巨大的威脅，同時過厚的底泥也會對水庫的蓄洪能力產(chǎn)生不利的影響，因此處理水庫底泥變得刻不容緩。傳統(tǒng)的方法處理底泥大多是將其堆積或者掩埋，不僅耗費大量的人力物力，還會對環(huán)境造成二次破壞。因此對底泥進行資源化利用，使用底泥為主要材料，摻加石灰、粉煤灰等材料混合制成免燒磚，避免了傳統(tǒng)燒結(jié)磚能耗高和污染環(huán)境等問題，達到節(jié)約資源、綠色循環(huán)經(jīng)濟的目的。

免燒磚受力變形以及耐久性是建筑材料研究的關(guān)鍵問題，為了研究可滿足南方地區(qū)使用條件的免燒磚，對其強度與耐久性進行了測試。本試驗采用的水庫底泥含大量的惰性SiO2和Al2O3，因此選用堿性的石灰來激發(fā)活性，并在盡可能經(jīng)濟的基礎(chǔ)上摻加粉煤灰來增強其性能，制備出滿足使用要求的綠色環(huán)保建筑材料。

1 試驗

1.1 試驗材料

（1）底泥：邯鄲市岳城水庫現(xiàn)堆存的底泥，主要氧化物為SiO2、Al2O3、Fe2O3等，含水率為147%，進行自然晾曬后含水率為0.04%，使用球磨機將大塊的底泥破碎，篩分后粒徑小于0.075 mm。

（2）粉煤灰：產(chǎn)自鞏義市，Ⅰ級。根據(jù)ASTM C618—05[1]，由于CaO含量遠小于10%，僅為5.6%，屬于低鈣灰，故試驗所用粉煤灰被認為是F類粉煤灰，具有良好的火山灰特性，其自身不具水硬性，被堿性激發(fā)劑激活潛在活性后可生成具有水硬性膠凝能力的水化物，能夠產(chǎn)生一定的水硬性。

（3）石灰：鈣含量（95±3）%，產(chǎn)自江西新余。

（4）骨料：中粗河砂，細度模數(shù)2.6。

（5）水玻璃：堿性硅酸鈉，模數(shù)2.3。

1.2 試驗配合比

底泥免燒磚試驗配合比見表1。本試驗選用石灰、粉煤灰作為主要激發(fā)劑，水玻璃為外摻，摻量為材料總質(zhì)量的3%，水料比為0.16，固定膠砂比（石灰、粉煤灰、底泥與砂的質(zhì)量比）為1∶1。配合比中主要調(diào)整石灰與粉煤灰的摻量，其他材料的摻量不變，共設(shè)計9組配合比。主要配合比見表1。

表1 底泥免燒磚的試驗配合比 %

1.3 試驗儀器

本試驗主要研究了免燒磚的無側(cè)限抗壓強度、吸水率、抗石灰爆裂以及抗凍融循環(huán)性能，主要設(shè)備如表2所示。

表2 主要試驗設(shè)備及用途

1.4 試件成型及養(yǎng)護方法

使用水泥膠砂攪拌機將混合料攪拌充分，攪拌時間不少于15 min，然后將混合料放入預(yù)先準備好的直徑為100 mm、高120 mm的模具中，使用電液式抗壓試驗機壓制成型，利用壓力使免燒磚物料產(chǎn)生滑動位移，使試塊更為密實[2]，從而提高免燒磚的強度，成型壓力定為20 MPa，持壓20 s?？紤]到水玻璃需在高溫高壓下的蒸汽中才能溶解，且底泥中含有常態(tài)下為惰性的SiO2及Al2O3，因此初期養(yǎng)護采用蒸壓養(yǎng)護，使免燒磚試塊能夠達到較高的早期強度[3]。免燒磚成型后脫模放入蒸壓釜內(nèi)進行蒸壓養(yǎng)護，養(yǎng)護溫度為216℃，壓力為2 MPa，養(yǎng)護時間為3h。蒸壓養(yǎng)護結(jié)束后取出自然放置3 d。制備免燒磚的模具和免燒磚試塊如圖1、圖2所示。

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 激發(fā)劑摻量對免燒磚抗壓強度的影響

2.1.1 單摻石灰對免燒磚抗壓強度的影響（見表3）

表3 石灰摻量對底泥-石灰免燒磚抗壓強度的影響

由表3可知，單摻石灰時免燒磚的抗壓強度普遍較低，石灰摻量為9%時抗壓強度僅為1.47 MPa，隨著石灰摻量的增加，免燒磚的抗壓強度逐漸提高。當石灰摻量達到36%時，抗壓強度為7.59 MPa，石灰摻量增加到45%時，抗壓強度緩慢提高至8.69 MPa。底泥-石灰免燒磚的強度機理主要是石灰中Ca2+的含量較高，而且底泥中含有的SiO2、Al2O3與石灰中所含有的Ca（OH）2發(fā)生化學反應(yīng)，生成不溶于水的水化硅酸鈣與水化鋁酸鈣，可以充分地將底泥顆粒膠結(jié)起來，從而提高免燒磚的強度。所涉及的化學反應(yīng)方程式如式（1）、式（2）所示。增加石灰的摻量可以提高免燒磚的抗壓強度，但抗壓強度的增長僅依賴于石灰中的Ca（OH）2與底泥中所含有的SiO2、Al2O3反應(yīng)生成的C（A）-S-H凝膠產(chǎn)生的有限的膠結(jié)作用[4]，且提高石灰用量無疑會減少底泥的使用量，因此為了盡可能地節(jié)約經(jīng)濟成本以及使底泥達到最大化地利用，將石灰摻量定為36%。

2.1.2 石灰和粉煤灰雙摻對免燒磚抗壓強度的影響

固定石灰摻量為36%，在底泥-石灰體系中摻加粉煤灰后免燒磚的抗壓強度如表4所示。

表4 底泥-石灰-粉煤灰免燒磚的抗壓強度

由表4可知，雙摻石灰和粉煤灰后免燒磚的抗壓強度較單摻石灰時顯著提高，粉煤灰摻量僅為6%時，抗壓強度提高至10.23 MPa，粉煤灰摻量提高至12%、18%、24%時，抗壓強度則分別達到13.53、15.84、19.04 MPa。這種現(xiàn)象歸因于粉煤灰具有良好的火山灰特性，在蒸壓養(yǎng)護過程中可加速火山灰反應(yīng)的速度和程度，其自身本不具水硬性，被作為堿性激發(fā)劑的石灰激活了潛在活性后可生成具有水硬性膠凝能力的水化物[5]，其反應(yīng)機理與式（1）、式（2）相同，從而能夠產(chǎn)生一定的水硬性，可作為膠凝材料用以提高免燒磚的強度。

2.2 吸水率試驗結(jié)果分析（見表5）

表5 免燒磚的吸水率

由表5可知，隨著粉煤灰摻量的增加，底泥-石灰-粉煤灰免燒磚的吸水率顯著減小。在粉煤灰摻量為6%時，吸水率為16.15%；粉煤灰摻量為12%時，吸水率為14.37%；當粉煤灰摻量分別為18%、24%時，免燒磚的吸水率則繼續(xù)減小至13.24%、11.50%。這是由于高壓力壓制成型的過程中，促使粉煤灰的玻璃微珠效應(yīng)不斷放大，玻璃微珠狀的粉煤灰能夠填充孔隙比較大的底泥顆粒。其次，由火山灰反應(yīng)生成的C-SH凝膠會逐漸地包裹黏結(jié)底泥顆粒，填充顆粒之間的孔隙，從而改變免燒磚的微觀結(jié)構(gòu)[6]。故隨著粉煤灰摻量的增加，免燒磚磚體的密實程度提高，從而降低了免燒磚的吸水率，提高了其耐水性。

2.3 石灰爆裂現(xiàn)象分析

石灰爆裂現(xiàn)象多發(fā)生于免燒磚的后期使用中，由于免燒磚中存在未完全反應(yīng)的生石灰在磚體內(nèi)吸水膨脹，從而導致磚體產(chǎn)生膨脹破壞，對建筑產(chǎn)生不利影響，因此這種免燒磚無法在工程中使用。石灰爆裂試驗將不同粉煤灰摻量的4組免燒磚試塊F6、F12、F18、F24放入蒸煮箱進行6 h的蒸煮，4組試塊均完好無損，磚體未出現(xiàn)開裂、剝落現(xiàn)象。由此可見，在216℃高溫及2 MPa高壓的蒸壓過程中，水分能夠在磚體中充分傳輸，能夠充分地與石灰發(fā)生反應(yīng)，所以免燒磚在后期的使用過程中不會出現(xiàn)石灰爆裂現(xiàn)象[7]。

2.4 抗凍性試驗結(jié)果分析（見表6）

表6 15次凍融循環(huán)后免燒磚的質(zhì)量和強度損失率

由表6可知：（1）不同粉煤灰摻量的免燒磚在經(jīng)歷15次凍融循環(huán)后均未有較大的質(zhì)量損失。在5次及10次凍融循環(huán)試驗后，各組試塊均無異常。在第15次凍融循環(huán)結(jié)束后，F(xiàn)6、F12兩組試塊表面出現(xiàn)輕微剝落及細微裂縫，隨著使用時間延長，破壞程度會加劇，已不能應(yīng)用在工程中。F18、F24兩組試塊表面均無明顯變化。（2）隨著粉煤灰摻量的增加，免燒磚的強度損失率逐漸減小。摻6%粉煤灰的F6組免燒磚15次凍融循環(huán)后的強度損失率為19.26%，抗凍性較差。而F12、F18、F24試塊抗凍性則顯著提高。這是由于高壓成型及粉煤灰的摻入而產(chǎn)生的火山灰效應(yīng)提高了免燒磚的密實性，減小了免燒磚整體的孔隙率，降低了其吸水率，由低溫導致的結(jié)晶水產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力無法對免燒磚的內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成破壞，故免燒磚的抗凍性能得到提高。

3 結(jié)論

（1）單摻石灰制備的石灰-水庫底泥免燒磚強度較低，不足以應(yīng)用到實際工程中。

（2）雙摻粉煤灰、石灰較單摻石灰制備的免燒磚具有更好的力學性能，當粉煤灰、石灰、水庫底泥的質(zhì)量比為24∶36∶40時，免燒磚的抗壓強度可達到19.04 MPa，15次凍融循環(huán)后質(zhì)量損失率及強度損失率分別為0.73%、3.41%，滿足使用要求。

（3）使用216℃、2 MPa蒸壓養(yǎng)護可提高免燒磚的早期強度，且養(yǎng)護時間較短即可投入使用，滿足工業(yè)化生產(chǎn)要求。