園林垃圾對(duì)工程棄土燒結(jié)磚性能的影響

高 琦 ， 肖建莊 ， 沈劍羽

（1.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092；2.許昌金科資源再生股份有限公司，河南許昌 461000）

目前中國(guó)每年產(chǎn)生的工程棄土超過 30 億 t［1］，且大量工程棄土未經(jīng)過資源化處理，多采取填埋或臨時(shí)堆放的形式，從而帶來大氣、水體污染或滑坡等風(fēng)險(xiǎn)［2-3］，因此，工程棄土的高品質(zhì)資源化問題亟待解決.目前，工程棄土的資源化路徑主要有地基填埋，制備燒結(jié)磚［4-7］、免燒結(jié)磚［8-9］，堆山造景［10］和制備陶粒［11］等.其中，燒結(jié)工藝可以消除棄土中混雜的有機(jī)質(zhì)并形成孔隙，進(jìn)而提高燒結(jié)磚的保溫性能［12-14］；另外燒結(jié)工藝還可以固定棄土中的重金屬污染物，大幅降低重金屬浸出率［15-18］.因此燒結(jié)磚制備工藝常被用于協(xié)同處理來自農(nóng)林業(yè)的固體廢棄物［7，19］，如麥秸、葵花籽餅［12］、藤條木屑［13］、甘蔗渣與植物纖維［14］，或燃燒后的植物灰分［20］，如稻殼灰［21］和甘蔗渣灰［22］等.上述制備工藝已被廣泛證明是有效可行的.雖然將農(nóng)業(yè)固廢物直接摻入棄土中燒結(jié)處理的工藝較為簡(jiǎn)單，但所制備的燒結(jié)磚力學(xué)性能降幅較大，因此適當(dāng)對(duì)此類固廢物進(jìn)行預(yù)處理是較好的辦法.

園林垃圾的主要成分是木質(zhì)素和纖維素［23］.全中國(guó)每年約產(chǎn)生 4×107t 園林垃圾［24］，其主要處理方式為填埋或堆肥，占用了大量土地［24］.將園林垃圾與工程棄土混合制備成燒結(jié)磚不僅可以同時(shí)處理2 種固廢物，而且園林垃圾作為燒結(jié)磚的內(nèi)燃料和造孔劑，能夠提升磚的保溫性能、減少制磚能耗.但簡(jiǎn)單采用粉碎處理可能對(duì)燒結(jié)磚的基本力學(xué)性能產(chǎn)生較大負(fù)面影響［12-13］.為剖析園林垃圾對(duì)燒結(jié)磚品質(zhì)的影響規(guī)律，本文同時(shí)對(duì)比了破碎、碳化和腐熟3 種預(yù)處理方法對(duì)工程棄土燒結(jié)磚性能的影響，以探索經(jīng)濟(jì)可行的園林垃圾與工程棄土協(xié)同處置方法.

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

1.1.1 工程棄土

工程棄土（CS）來源于中國(guó)中部地區(qū)某建筑工地的基坑開挖土.將其自然晾曬、烘干、破碎和篩分，得到粒徑小于0.075 mm 的棄土原料，用于制備工程棄土燒結(jié)磚（SCSB）.

1.1.2 園林垃圾

園林垃圾（GW）來自于某園林采集的落葉和枯枝，其中落葉包括女貞樹葉、桐樹葉、香樟樹葉和柳樹葉等.采用破碎、碳化和腐熟3 種方式對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，分別得到破碎園林垃圾（PGW）、碳化園林垃圾（CGW）和腐熟園林垃圾（DGW）.其中，破碎垃圾過篩后粒徑小于1.0 mm；碳化使用250 mm×250 mm×100 mm 的帶蓋方形坩堝進(jìn)行，在電爐中先以5 ℃/min的速率升溫至270 ℃且保溫2 h，再以相同速率繼續(xù)升溫至570 ℃且保溫2 h，然后自然冷卻；腐熟使用腐熟專菌種，在密封罐中進(jìn)行，環(huán)境溫度為（20±2）℃，保持原料潮濕，全程持續(xù)3 個(gè)月，期間每隔7 d 取出原料，翻動(dòng)攪拌并補(bǔ)充水分.

CS 和 3 種預(yù)處理 GW 的 外觀如圖 1 所 示 .

圖 1 CS 與 3 種預(yù)處理 GW 的外觀Fig.1 Appearance of construction spoil and three kinds of treated garden waste

1.1.3 工程棄土和園林垃圾的基本性能

表1 為GW 的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，文中涉及的含量、組成等均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)）.表 2 為 CS 與 GW 的化學(xué)組成 .圖 2 為 CS 與 GW 的顆粒級(jí)配.依據(jù)SY/T 5163—2018《沉積巖中黏土礦物總量和常見非黏土礦物X 射線衍射定量分析方法》得到CS 的礦物組成（見圖3）.

由表1 可知：PGW 的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量均較低，可能是由于機(jī)械破碎過程不能破壞纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的膠合狀態(tài)；CGW 的木質(zhì)素含量最高，明顯高于纖維素和半纖維素含量；DGW 的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量相近.總體來說，PGW 的有機(jī)質(zhì)破壞程度最低，有機(jī)質(zhì)含量最高，而CGW 的有機(jī)質(zhì)含量最低.

表1 GW 的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量Table 1 Content of cellulose，hemicellulose and lignin in garden waste

由表 2 可見：CS 和 GW 的化學(xué)組成以硅、鋁、鈣和鐵為主，說明CS 中硅酸鹽、硅鋁酸鹽或氧化硅含量較高；而GW 中的硅和鈣含量最高，其次為鋁和鐵.

表2 CS 與GW 的化學(xué)組成Table 2 Chemical compositions of construction spoil and garden waste

由圖2 可見：CS 的顆粒明顯小于GW 的顆粒；碳化處理可以大幅降低GW 的顆粒大小，破碎處理其次，腐熟處理對(duì)GW 顆粒細(xì)化的效果最弱.

圖2 CS 與GS 的顆粒級(jí)配曲線Fig.2 Particle gradation curves of construction spoil and garden waste

由圖3 可以看出：CS 的礦物組成中石英含量為48.3%，這是CS 中硅含量高的主要原因；而黏土礦物含量?jī)H為19.7%，其中以伊利石為主，占總質(zhì)量的10.8%，沒有蒙脫石，說明該土的吸水能力差、可塑性低、黏性不高.

圖3 CS 的礦物組成Fig.3 Mineral composition of construction spoil

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 工程棄土燒結(jié)磚的制備

以CS 質(zhì)量為基準(zhǔn)，將3 種GW 按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)0%、3%、6%、9%和12%分別摻入CS 中，制備得到園 林 垃 圾 - 工 程 棄 土 燒 結(jié) 磚（GW-SCSB）.GW-SCSB 試件的編號(hào)和配方如表3 所示，制備流程如圖4 所示.相較于壓制成型方式，試驗(yàn)采用的真空擠出成型方式對(duì)泥胚的可塑性要求更高，當(dāng)可塑性偏低時(shí)，容易造成磚坯在擠出過程中發(fā)生開裂現(xiàn)象.另外考慮到GW 的摻入會(huì)影響未燒結(jié)CS 與GW 混合物（簡(jiǎn)稱混合物料）的界限含水率及制備過程中產(chǎn)生的水分損耗，故基于混合物料的實(shí)測(cè)塑限（wP）值來調(diào)配試驗(yàn)加水量（w）.經(jīng)前期測(cè)驗(yàn)，所有試驗(yàn)組的加水量（w）均統(tǒng)一按w=wP+2%來控制.為保證磚坯擠出時(shí)不出現(xiàn)開裂，GW-SCSB 含水量要盡量小，以提高其干燥成功率.

圖4 GW-SCSB 的制備流程Fig.4 Preparation process of GW-SCSB

表3 GW-SCSB 試件的編號(hào)和配方Table 3 Number and formula of GW-SCSB specimens

首先將加水后的混合物料在30～40 ℃的密封條件下陳化3 d，使其可塑性進(jìn)一步提高；然后將其放入普通小型搟面機(jī)中擠壓成1 mm 厚的泥土薄片，糅合并再次擠壓，反復(fù)5 次完成練泥過程；接著采用真空擠出機(jī)將該泥土薄片在-80～-90 kPa 的真空環(huán)境下緩慢擠成泥條；再將泥條切割為等長(zhǎng)泥塊，放入電子干燥箱中進(jìn)行干燥，干燥分2 個(gè)階段——先在40 ℃下慢速干燥12 h，再在100～105 ℃下快速干燥8 h；最后取出干燥泥塊放入電子窯爐中進(jìn)行燒結(jié)，以200 ℃/h 的速率升溫至900 ℃，并在900 ℃下保溫8 h，自然冷卻得到GW-SCSB 試件.

1.2.2 混合物料的界限含水率和塑性指數(shù)

依據(jù)JTG E40—2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》，采用LP-100D 型液塑限聯(lián)合測(cè)定儀測(cè)試混合物料的界限含水率（塑限（wp）、液限（wl））和塑性指數(shù)（Ip）.

1.2.3 工程棄土燒結(jié)磚的物理力學(xué)性能

依據(jù)GB/T 2542—2012《砌墻磚試驗(yàn)方法》進(jìn)行GW-SCSB 的物理力學(xué)性能試驗(yàn)，包括燒結(jié)磚的24 h吸水率（W24）、煮沸 3 h 吸水率（W3）、飽和系數(shù)（K）、表觀密度（ρ）、體積收縮（S）、質(zhì)量損失（ΔW）、抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度等.

1.2.4 工程棄土燒結(jié)磚的微觀形貌

采用ZEISS Gemini300 型掃描電子顯微鏡（SEM）進(jìn)行GW-SCSB 的微觀形貌分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 混合物料的界限含水率、塑性指數(shù)

圖5 為混合物料的界限含水率、塑性指數(shù).由圖5 可見：（1）整體上，無論摻入何種GW，混合物料的塑限和液限均隨其摻量增大而增大，說明摻入GW 后，混合物料需要更多的水分來保持可塑性或者流動(dòng)性.（2）3種GW 對(duì)混合物料塑性指數(shù)的影響有所不同——CGW降低了混合物料的塑性指數(shù)；PGW大幅提高了混合物料的塑性指數(shù)，主要是因?yàn)镻GW 中的有機(jī)質(zhì)含量較高；DGW對(duì)混合物料塑性指數(shù)的影響不明顯.

圖5 混合物料的界限含水率、塑性指數(shù)Fig.5 Limit moisture content and plasticity index of mixed materials

2.2 工程棄土燒結(jié)磚的物理性能

圖6 為GW-SCSB 的物理性能試驗(yàn)結(jié)果.由圖6（a）可見：（1）隨著 GW 摻量的增加，GW-SCSB 的體積收縮（S）先增后降.這主要是因?yàn)镚W-SCSB在制備過程中添加的水分隨著GW 摻量的增加而增加，更多的水分導(dǎo)致磚坯在干燥時(shí)產(chǎn)生更大的收縮，整體收縮率主要由干燥時(shí)的體積收縮所決定，燒結(jié)過程的體積變化不明顯；當(dāng)GW 摻量達(dá)到12%時(shí)，GW-SCSB 的S 下降最為顯著，這可能是由于過量GW 纖維組成了一種能夠抵抗收縮的骨架結(jié)構(gòu)，其中DGW-SCSB（采用DGW 制備的SCSB）的體積收縮大于CGW-SCSB（采用CGW 制備的SCSB）和 PGW-SCSB（采用 PGW 制備的 SCSB）.（2）整體上，隨著 GW 摻量的增加，GW-SCSB 在干燥時(shí)的損失（ΔWd）逐漸增加；DGW-SCSB 的 ΔWd較 CGW-SCSB 和 PGW-SCSB 更 大 ，這 可 能 是DGW 的親水性更強(qiáng)，能夠吸附的水分更多所致.（3）GW-SCSB 燒結(jié)過程中的質(zhì)量損失（ΔW）（包含干燥時(shí)的水分損失（ΔWd）、燒結(jié)時(shí)的結(jié)構(gòu)水脫水、有機(jī)質(zhì)分解和方解石分解等）隨著GW 摻量的增加而增大；3 種 GW-SCSB 的 ΔW 值相差較小，且與ΔWd的變化趨勢(shì)相差不大 .（4）隨著 GW 摻量的增加，GW-SCSB 的 24 h 吸水率（W24）和煮沸 3 h 吸水率（W3）均逐漸增大，而飽和系數(shù)（K）整體呈下降趨勢(shì)，但降幅不大.由此說明GW 導(dǎo)致SCSB 產(chǎn)生孔隙，且其摻量越大，SCSB 的孔隙數(shù)量和大小也越大 .（5）隨 著 GW 摻 量 的 增 加 ，GW-SCSB 燒 結(jié) 前（干燥后）的表觀密度（ρd）和燒結(jié)后的表觀密度（ρs）均有所下降.這是因?yàn)镚W 自身密度低于CS，在混合過程中，GW 使得CS 不易壓實(shí)，殘留了孔隙，以及在燒結(jié)過程中GW 中的有機(jī)質(zhì)分解產(chǎn)生孔隙所致.

圖6 GW-SCSB 的物理性能試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Physical performance test results of GW-SCSB

2.3 工程棄土燒結(jié)磚的力學(xué)性能

GW-SCSB 是一種可用于砌體結(jié)構(gòu)的建筑材料，因此抗壓強(qiáng)度是最重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一.圖7 為GW-SCSB 的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度曲線.由圖7（a）可見：（1）當(dāng)摻入 PGW 時(shí)，GW-SCSB 的抗壓強(qiáng)度隨著其摻量的增加而下降.（2）當(dāng)摻入DGW 或CGW 且摻量低于6%時(shí)，GW-SCSB 的抗壓強(qiáng)度隨其摻量的增加而增大，而當(dāng)DGW 或CGW 摻量高于6% 時(shí)，GW-SCSB 的抗壓強(qiáng)度隨其摻量的增加而下降，最終低于未摻GW 時(shí)的抗壓強(qiáng)度.GW-SCSB 抗壓強(qiáng)度下降的主要原因是摻入GW 帶來了大量孔隙，導(dǎo)致SCSB 內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松，從而更容易產(chǎn)生開裂和破壞.而當(dāng)GW 摻量較低時(shí)，少量的孔隙所帶來的強(qiáng)度降低效應(yīng)并不明顯.另外因CGW 和DGW 的摻入而產(chǎn)生的莫來石礦物相可能是GW 在低摻量時(shí)SCSB 強(qiáng)度提升的一個(gè)重要原因.（3）當(dāng)GW 摻量為12%時(shí)，PGW-SCSB、CGW-SCSB 和 DGW-SCSB 的抗壓強(qiáng)度較未摻 GW 的 SCSB 分別降低 48.5%、6.5% 和30.2%；當(dāng) GW 摻量為 6% 時(shí)，上述 3 種 GW-SCSB 的抗壓強(qiáng)度分別提高-20.8%、15.4%和20.0%.

不同于抗壓強(qiáng)度，GW-SCSB 抗折強(qiáng)度的變化趨勢(shì)較為簡(jiǎn)單 .由圖 7（b）可見：（1）隨著 GW 摻量的增加，3 種GW-SCSB 的抗折強(qiáng)度均呈降低趨勢(shì)，其中當(dāng)GW 摻量小于12%時(shí)，普遍存在CGW-SCSB 的抗折強(qiáng)度最高，DGW-SCSB 的抗折強(qiáng)度次之，PGW-SCSB 的抗折強(qiáng)度最低的關(guān)系.這可能是由于CGW 顆粒更細(xì)；PGW 雖然顆粒比 DGW 小，但有機(jī)質(zhì)含量更高，且反應(yīng)后沒有產(chǎn)生提高強(qiáng)度的莫來石礦 物 相 .（2）當(dāng) GW 摻 量 為 12% 時(shí) ，PGW-SCSB、CGW-SCSB 和DGW-SCSB 的抗折強(qiáng)度分別較未摻GW 的 SCSB 降低 66.0%、34.8% 和 42.8%.

圖7 GW-SCSB 的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度曲線Fig.7 Compressive strength and flexural strength curves of GW-SCSB

2.4 燒結(jié)前后工程棄土燒結(jié)磚的礦物含量變化

圖 8 為 未 摻 GW 和 摻 12%GW 燒 結(jié) 磚 的 XRD 圖譜.CS 與GW-SCSB 的礦物含量見表4.由表4 可見：（1）GW0 在燒結(jié)后，黏土礦物基本消失，這是因?yàn)槎喾N黏土礦物在燒結(jié)過程中熔化，產(chǎn)生低共熔物，在燒結(jié)結(jié)束后，原本的黏土礦物反應(yīng)生成了新的礦物相；（2）燒結(jié)后的新產(chǎn)物主要為鉀長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石、赤鐵礦等，摻 CGW 和 DGW 后還額外產(chǎn)生了莫來石；（3）燒結(jié)后，黏土中的赤鐵礦含量增加，這是由棄土中的鐵元素在高溫下反應(yīng)生成的，而原先這些鐵元素可能存在于黏土礦物如綠泥石中.赤鐵礦顯紅色，這也是棄土在燒結(jié)后顏色變紅的主要原因.

表4 CS 與GW-SCSB 的礦物含量Table 4 Mineral content of CS and GW-SCSB

圖8 未摻GW 和摻12%GW 燒結(jié)磚的XRD 圖譜Fig.8 XRD patterns of SCSB without and with 12% GW

對(duì)比 PGW、CGW 和 DGW 的摻入對(duì) SCSB 產(chǎn)物的影響，發(fā)現(xiàn)主要區(qū)別在于莫來石礦物相的產(chǎn)生，摻入DGW 后，燒結(jié)產(chǎn)生了最多的莫來石；同時(shí)石英含量最低，鉀長(zhǎng)石含量最低，與不摻GW 時(shí)的礦物含量最接近，這可能是部分黏土受到了某種催化作用.GW 中含有大量鈣，而3 種GW-SCSB 較SCSB 中的方解石含量均大幅降低，這是由于方解石在高溫下分解產(chǎn)生氧化鈣和二氧化碳，鈣是一種有效的助熔劑，可以降低棄土中礦物的熔點(diǎn)，從而促進(jìn)部分化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行.

對(duì)比摻入PGW 和CGW 后的產(chǎn)物結(jié)果，可以看到石英含量和鉀長(zhǎng)石含量均較不摻時(shí)更高，說明破碎和碳化更有助于鉀長(zhǎng)石的生成.考慮到制磚試驗(yàn)和XRD檢測(cè)中可能存在的誤差，不同處理后的GW 對(duì)SCSB的影響機(jī)理及化學(xué)反應(yīng)過程，需要更多后續(xù)研究.

2.5 工程棄土燒結(jié)磚的微觀結(jié)構(gòu)

圖9 為未摻GW 和摻12%GW 燒結(jié)磚斷面的SEM 照片 .由圖9 可以看出：GW0 的孔隙數(shù)量最少、孔隙尺寸最小、微觀結(jié)構(gòu)最為致密；PGW12-SCSB 的孔隙尺寸最大、結(jié)構(gòu)最松散，存在較大的裂隙；CGW12-SCSB 的孔隙尺寸最小，結(jié)構(gòu)最緊密，DGW12-SCSB 次之.CGW 本身顆粒更加細(xì)小，且經(jīng)過碳化處理后，自身的有機(jī)質(zhì)含量是3 種情況中最低的，DGW 次之，而PGW 的有機(jī)質(zhì)含量最高，有機(jī)質(zhì)在燒結(jié)時(shí)會(huì)分解并留下孔洞，所產(chǎn)生的氣體還會(huì)擴(kuò)大孔洞.因此燒結(jié)后，PGW12-SCSB 的孔隙和裂縫最多，CGW12-SCSB的孔隙最少.

圖9 未摻GW 和摻12%GW 燒結(jié)磚斷面的SEM 照片F(xiàn)ig.9 SEM images of cross section of SCSB without and with 12% GW

3 結(jié)論

（1）3 種預(yù)處理的 GW 摻入 CS 中制備 SCSB 時(shí)，均可提高混合物料的塑限和液限.燒結(jié)后主要新產(chǎn)物為鉀長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石、赤鐵礦和莫來石等.隨著GW摻量的增加，SCSB 的微觀孔隙數(shù)量增加，微觀結(jié)構(gòu)更加松散，吸水率增大，混合物料經(jīng)干燥和燒結(jié)后密度降低、質(zhì)量損失增大、體積收縮增大.當(dāng)GW 摻量為12%時(shí)，SCSB 的體積收縮因?yàn)槔w維骨架作用而減小，導(dǎo)致其抗折強(qiáng)度降低.

（2）PGW 中的有機(jī)質(zhì)含量高，可以提升CS 和GW 混合物料的塑性指數(shù)，燒結(jié)后不產(chǎn)生莫來石，微觀結(jié)構(gòu)最松散，微觀孔隙最多；隨著PGW 摻量的增加，GW-SCSB 的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度逐漸降低，當(dāng)PGW 摻量為12%時(shí)，GW-SCSB 的抗壓強(qiáng)度降低48.5%，抗折強(qiáng)度降低66.0%.

（3）CGW的顆粒最細(xì)，能夠降低混合物料的塑性指數(shù)，燒結(jié)后可以產(chǎn)生少量莫來石，使得SCSB 的微觀結(jié)構(gòu)較為緊密，孔隙最少.基本上在各摻量條件下，SCSB的吸水率最低、密度最大，且抗折強(qiáng)度始終最大，抗壓強(qiáng)度隨著CGW 摻量的提升而先增大后減小. 與GW0-SCSB 相比，當(dāng) CGW 摻量為 6% 時(shí)，GW-SCSB的抗壓強(qiáng)度提升15.4%；當(dāng)CGW 摻量為12% 時(shí)，GW-SCSB 的抗壓強(qiáng)度降低6.5%，抗折強(qiáng)度降低34.8%.

（4）DGW 的顆粒最粗，對(duì)混合物料的塑性指數(shù)影響不明顯，燒結(jié)后產(chǎn)生相對(duì)最多的莫來石，所制備GW-SCSB 的抗壓強(qiáng)度隨著DGW 摻量的增加而先增大后減小.當(dāng)DGW 摻量為6%時(shí)，GW-SCSB 的抗壓強(qiáng)度提升20.0%；當(dāng)DGW 摻量為12%時(shí)，GW-SCSB的抗壓強(qiáng)度降低30.2%，抗折強(qiáng)度降低42.8%.

（5）當(dāng) CGW 摻量為 6% 時(shí)，所制備的 GW-SCSB抗壓強(qiáng)度提升，抗折強(qiáng)度降低不明顯，效果最好.從微觀角度來看，是因?yàn)镃GW-SCSB 的孔隙最少，結(jié)構(gòu)更加致密；從礦物組成角度來看，燒結(jié)產(chǎn)物中產(chǎn)生了莫來石，當(dāng)CGW 摻量較少時(shí)，燒結(jié)產(chǎn)物的強(qiáng)度提升作用占主導(dǎo)因素，當(dāng)CGW 摻量較大時(shí)，SCSB 微觀孔隙增多對(duì)強(qiáng)度的降低作用轉(zhuǎn)為主導(dǎo)因素.