赤泥制備燒結磚的抗壓強度研究

房小萌，寇明月，袁雯雯，房洪鑫，隨玉軒，宋文華，張媛媛

（山東石油化工學院環(huán)境工程系，山東東營 257061）

隨著我國工業(yè)化程度越來越高，工業(yè)固體廢棄物產量越來越多，易造成地下水污染和土壤鹽堿化[1]，既侵占了土地空間的同時又嚴重污染了自然環(huán)境。赤泥是制鋁工業(yè)的典型工業(yè)固廢，每年的排放量約達1 億t，而其綜合利用率僅為4%，大部分處于堆存狀態(tài)。河道底泥也被列為一般工業(yè)固廢的范疇[2]，是黑臭水體亟待治理的對象。底泥中的重金屬、有機物成為影響水體環(huán)境質量的重要污染物[3]。同時，我國作為煤炭消耗大國，該行業(yè)的工業(yè)固廢有1/3 是煤矸石[4]，若棄置不用不僅占用土地，其中的硫化物浸出或逸出還會污染大氣、農田和水體，甚至危害人體健康。諸如以上工業(yè)固廢產生的問題頗多，因此，如何妥善處理并實現(xiàn)其資源化已成為社會和行業(yè)的焦點問題[5-6]。

目前，一些學者在利用赤泥、河道底泥以及煤矸石等固體廢棄物制備燒結磚方面進行了大量研究[7-9]，結果顯示對固體廢物進行燒結是最經濟可行且安全環(huán)保的固廢資源處置方式之一。本課題采用赤泥、河道底泥以及煤矸石為原料分別制成赤泥-河道底泥（RMRS）、赤泥-煤矸石（RM-CG）的燒結磚，測試磚的抗壓強度、吸水率和浸出液COD，探究燒結磚的最佳燒結工藝條件，為循環(huán)經濟和建筑節(jié)能提供技術支撐[10]。

1 材料和方法

1.1 實驗材料與儀器

本實驗采用赤泥、河道底泥、煤矸石作為燒結磚的原材料（化學成分見表1），其中赤泥的主要成分為Fe2O3、Al2O3、CaO、SiO2，河道底泥、煤矸石的主要成分為SiO2、Al2O3。

表1 原材料的主要化學成分%

實驗所需儀器：YAW-2000 微機控制壓力試驗機（上海浦予工業(yè)科技有限公司）、SR-5-12Y 陶瓷纖維箱式電阻爐（上海舍巖儀器有限公司）、6B-9 型智能消解儀（上海重逢科學儀器有限公司）、PHDJ-5 型pH 計（上海儀電科學儀器有限公司）等。

1.2 實驗方法

本實驗制備的磚坯為圓柱形，由模擬制磚模具（直徑35 mm、高15 mm）壓制而成。將赤泥、河道底泥以及煤矸石在烘箱內105 ℃干燥24 h，并按照不同比例加入適量水進行充分混合，隨后制成約50 g 的磚坯；再次置于105 ℃烘箱中干燥24 h 后，放于陶瓷纖維箱式電阻爐燒制，升溫至1 050 ℃，保溫時間1～2.5 h，制備流程如圖1 所示。

圖1 燒結磚的制備流程圖

RM-RS 燒結磚的制備，赤泥和河道底泥的原料配比分別為1∶9、3∶7、5∶5、7∶3、9∶1。RM-CG 燒結磚的燒結中，赤泥和煤矸石原料配比分別為1∶9、3∶7、5∶5、7∶3、9∶1。

本實驗采用的升溫程序依據(jù)文獻［1］：從室溫升溫到260 ℃保溫30 min，繼續(xù)加熱到600 ℃保溫30 min，最后加熱到1 050 ℃，分別保溫1 h、1.5 h、2 h、2.5 h，之后進行自動降溫。

吸水率采用干重法105 ℃恒溫24 h；抗壓強度使用微機控制壓力試驗儀，載荷速率為0.3 kN/s；按照《固體廢物浸出毒性浸出方法水平振蕩法》（HJ 557—2010）獲得浸出液，采用《水質化學需氧量的測定重鉻酸鹽法》（HJ 828—2017）中的重鉻酸鹽法對浸出液COD 進行檢測。

2 結果與討論

2.1 RM-RS 燒結磚對抗壓強度的影響分析

不同保溫時間下RM-RS 燒結磚的抗壓強度如圖2 所示。當保溫時間增加時，RM-RS 燒結磚的抗壓強度升高，在2 h 達到峰值，隨后逐漸降低，因此可將2 h作為最佳保溫時長，此時所對應的最佳抗壓強度可達到33.06 MPa。造成保溫時間在1～2.5 h 內先增加后降低的原因是：在保溫時間較短時，物料的擴散程度隨著保溫時間的增加而增大，液相的流動性增加，進而對離子和空位的擴散起到了促進作用，也導致了顆粒重排和粘、塑性流動等物質傳遞，因此物料的密度隨之變大，故適當延長燒結時間有利于抗壓強度的增加。然而不恰當?shù)匮娱L保溫時間，有時會促進二次結晶的發(fā)生，不利于燒結磚致密性能的形成，導致抗壓強度降低。

圖2 不同保溫時間下RM-RS 燒結磚的抗壓強度

汪凱舉等[11]在論文中得出了類似的結果，其抗壓強度峰值對應的保溫時間也為2 h，當超過2 h 后，坯體顏色發(fā)黑且產生裂痕。范玉晶[12]研究表明保溫時間由30 min 增加至70 min 時，抗壓強度呈上升的趨勢，這與文中研究結果也吻合。楊理清[13]在考察保溫時間對金剛石工具產品性能的影響時，也得出同樣的結論：保溫時間過長或過短，對產品性能都會產生不利影響。

不同赤泥摻量下RM-RS 燒結磚的抗壓強度如圖3 中“標準”柱圖所示。依據(jù)《燒結普通磚》（GB/T 5101—2017） 的規(guī)范要求，將MU10、MU15、MU20、MU25、MU30 5 個等級分別表示燒結磚的抗壓強度超過10 MPa、15 MPa、20 MPa、25 MPa、30 MPa。從圖3 中可以看出：赤泥摻量為10%、50%、90%時可達到MU10；當赤泥摻量30%的磚符合MU20，而赤泥摻量70%的磚符合MU30。

圖3 不同赤泥摻量下RM-RS 燒結磚的抗壓強度

由此可知，在不同保溫時間內，赤泥摻量為70%時所制得燒結磚的抗壓強度最好，為33.06 MPa，這與汪凱舉[11]的研究結果一致。當燒結磚中的赤泥摻量為10%時抗壓強度最差，為11.02 MPa。根據(jù)抗壓強度由大到小排列，得到燒結磚中赤泥摻量比例排序為70%＞30%＞50%＞90%＞10%。

2.2 RM-CG 燒結磚對抗壓強度的影響分析

不同保溫時間下RM-CG 燒結磚的抗壓強度如圖4 所示。當保溫時間的增加時，RM-CG 燒結磚的抗壓強度升高，在2 h 達到峰值，隨后逐漸降低。當赤泥摻量為70%、保溫時間為2 h 時，所制燒結磚的抗壓強度最好，為20.20 MPa；赤泥摻量10%時所制燒結磚的抗壓強度最差，為7.35 MPa。

圖4 不同保溫時間下RM-CG 燒結磚的抗壓強度

在赤泥摻量不同的條件下，燒結時的保溫時間對燒結磚抗壓強度的影響趨勢大致相同；在同一保溫時間時，赤泥摻量10%時磚的抗壓強度最小，而赤泥摻量為70%時，磚的抗壓強度普遍高于其他摻量，例如，保溫時間2 h 時，燒結磚抗壓強度按照由大到小排列，赤泥摻量比例70%＞50%＞90%＞30%＞10%。

從圖5 中可以看出：赤泥與煤矸石組合，燒出的磚抗壓等級最高滿足MU20，此時赤泥摻量為70%。對比圖3 和圖5 可知，赤泥摻量均為70%時抗壓強度最好，且赤泥-河道底泥比赤泥-煤矸石燒結磚的抗壓強度效果更好。通過與燒結磚的抗壓標準對比發(fā)現(xiàn)，當赤泥摻量為90%時，燒結磚符合MU10 標準的抗壓強度；當摻量為50%、70%時，燒制得到的燒結磚均符合MU15 標準。

圖5 不同赤泥摻量下RM-CG 燒結磚的抗壓強度

2.3 燒結磚浸出液COD 的結果分析

在分析了燒結磚作為建筑材料最重要的指標抗壓強度后，由于燒結磚的原料屬于工業(yè)固廢，因此，對燒結磚浸出液的COD 進行了測試，COD 在39～90 mg/L，符合I 類一般工業(yè)固廢COD 低于100 mg/L 的要求。

3 結論

通過對比RM-RS 和RM-CG 兩種燒結磚發(fā)現(xiàn)：RM-RS 整體抗壓強度高于RM-CG。在1 050 ℃的燒結溫度、赤泥摻量相同下，保溫時間在1～2.5 h 增加時，其抗壓強度先增加后降低，確定了最佳保溫時間為2 h。在保溫時間2 h 時，RM∶RS=7∶3 時，燒結磚的抗壓強度最高，可達33.06 MPa，抗壓等級達到MU30，浸出液COD 為52 mg/L，符合環(huán)保要求。