黑臭河道底泥燒結(jié)透水磚與性能研究

肖昭文，李翠梅，孫志康，唐一飛

(蘇州科技大學環(huán)境科學與工程學院，蘇州 215000)

0 引 言

一直以來，建筑行業(yè)中常規(guī)的磚體材料都是取自粘土，而市場的大量需求便造成了國土毀壞，生態(tài)受損的現(xiàn)象。在此背景下，國內(nèi)外不少學者開始研究如何使固體廢棄物實現(xiàn)再利用，將廢棄的固體材料用于建筑行業(yè)中,以此緩解城鎮(zhèn)土地過度采用的情形[1-2]。其特性恰好能滿足海綿城市對材料的要求，它可以增加城市的透水面積，讓雨水更好地存儲、滲透，有效地緩解城市內(nèi)澇及二次用水問題[3]。隨著海綿城市的建設(shè)和發(fā)展，透水性材料的作用顯得越發(fā)重要。故有不少學者開始投入到對透水性材料的研制當中，將污水廠污泥、粉煤灰、廢玻璃等廢棄材料制備成透水磚，并且取得了一定的研究成果。但是，目前有關(guān)利用黑臭河道底泥制備透水性材料的報道尚未可見。

從2016年起，為落實國務(wù)院“水十條”中對于城市黑臭水體整治工作的要求，有關(guān)部門開始對各個大小城市的黑臭河道進行排查和整治。在河道的治理工程中，黑臭底泥的清理和處置是工程中的重點和難點。傳統(tǒng)的方案是將河道的底泥通過外運填埋或者在沿海地區(qū)外運至深海地區(qū)傾倒。但是，這樣不僅造成了嚴重的二次環(huán)境污染，而且占用了大量的土地資源[4]。

本研究以黑臭河道清理出的底泥作為主要原料，輔以粉煤灰、廢玻璃等固體廢棄物作為添加劑，研制海綿城市建設(shè)所需的透水磚，不僅可以為海綿城市的建設(shè)提供一種透水性材料，還能夠有效地緩解黑臭底泥的處置難題，加快實現(xiàn)底泥處置的資源化。

1 實 驗

1.1 實驗材料

(1)黑臭底泥：取自蘇州虎丘區(qū)某條黑臭河道底泥，經(jīng)過10 d的暴曬后破碎,篩選出粒徑200目的底泥顆粒。

(2)粗骨料：碎卵石，經(jīng)過破碎篩選出粒徑為8～10 mm，清洗烘干。

(3)粉煤灰：購自匯豐材料有限公司，粒徑為325目。

(4)膠結(jié)材料：廢玻璃和水玻璃。廢玻璃取自學校裝修門窗廢棄的碎玻璃，經(jīng)過破碎篩選出200目；水玻璃購自南京化學試劑有限公司。各原材料的化學成分見表1。

表1 原材料各化學成分含量Table 1 Chemical composition of raw materials /wt%

1.2 實驗儀器

該項實驗使用的主要儀器有SXZ-14-16箱式電阻爐、全自動壓力試驗機(無錫東儀制造)、全自動強力試驗機(無錫東儀制造)、DHG-9053電熱恒溫干燥箱、JCM-7000臺式掃描電鏡。

1.3 試驗方法

1.3.1 透水磚的制備流程

透水磚的制備流程見圖1。具體情況如下，將采集的河道底泥晾曬干燥后，用球磨機破碎成粒徑為200目的底泥灰。將其分成2組，一組在550 ℃條件下煅燒2 h以便去除部分有機質(zhì)，一組不做煅燒處理。再分別以不同的比例配以其他的材料，將各種稱量好的材料混于一起，加入混合材料干重17%的純凈水，再用攪拌機以150 r/min速度攪拌3 min，整個過程加水和攪拌同時進行。待結(jié)束后，將混合材料置入40 mm×40 mm×40 mm的制磚模具中，用壓力機在一定的壓力下使得透水磚樣品成型。

成型的透水磚胚體在自然狀態(tài)下晾置24 h后，將試驗樣品放置在100 ℃的烘箱中干燥4 h，再將干燥后的樣品置于箱式電阻爐中高溫煅燒，達到指定溫度后停留保溫一段時間即可得到成品。圖2為上述流程下研制出的透水磚成品圖。

圖1 透水磚制備流程圖
Fig.1 Manufacturing process of permeable bricks

圖2 燒結(jié)的透水磚成品圖
Fig.2 Finished permeable brick

圖3 制磚模具(左)和透水系數(shù)測定儀(右)圖
Fig.3 Photoes of brick mold (left) and water permeability coefficient tester (right)

1.3.2 性能測試

按照JC/T 945—2005《透水磚》(表2)的要求，對該實驗的透水磚成品進行了抗壓強度、透水系數(shù)兩項測試(取三個平行樣本的平均值)。制定兩組試件，40 mm×40 mm×40 mm試件用于抗壓強度測試φ50 mm×15 mm試件用于透水系數(shù)測試。圖3為自制的40 mm×40 mm×40 mm的制磚模具和自制的透水系數(shù)測定儀。

表2 透水磚行業(yè)標準JC/T 945—2005Table 2 Permeable brick industry standard JC/T 945—2005

2 結(jié)果與討論

2.1 材料配比設(shè)計

主要探討底泥前處理方式(分底泥煅燒和未煅燒處理兩種)、底泥摻量、成型壓力、保溫時間四種因素對透水磚的性能影響情況。其各原材料配比方案如表3所示。

2.2 底泥摻量對透水磚的性能影響研究

控制透水磚樣品成型壓力20 MPa，燒結(jié)溫度1150 ℃，保溫時間為120 min的條件下，將煅燒處理和未煅燒處理的兩種底泥灰分別作為透水磚主原料進行對比實驗。采用方案一的原料配比，對不同底泥摻量燒結(jié)的透水磚進行分析和研究，其結(jié)果如圖4所示。

表3 原材料配比方案Table 3 Scheme of raw material ratio /%

注：表中數(shù)據(jù)均為占總材料干重的百分比,%。

圖4 底泥摻量對抗壓強度和透水系數(shù)的影響
Fig.4 Effect of sludge content on compressive strength and water permeability coefficient

從圖4(a)可以看出，未經(jīng)煅燒處理的底泥灰制成的透水磚，隨其摻量不斷增加，透水磚的抗壓強度逐漸降低，而透水系數(shù)則呈現(xiàn)出遞增的趨勢。這是因為黑臭河道的底泥含有較多的有機質(zhì)，隨著底泥摻量的增加，相應粉煤灰的摻量減少，兩者的總有機質(zhì)卻增加了[5]。當在1150 ℃的高溫下煅燒，透水磚樣品中的有機質(zhì)得到燒減，內(nèi)部結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)大量的孔隙，從而增加了透水系數(shù)，在底泥摻量為60%時，透水系數(shù)達到3.23×10-2cm/s。但是，透水磚有機質(zhì)燒減的同時，也影響到了透水磚內(nèi)部形成莫來石晶體的緊密程度，從而導致其抗壓強度的不斷降低。

這個解釋可以通過河道底泥和粉煤灰的SEM圖(圖5)對比得到證明，未經(jīng)煅燒的河道底泥因為內(nèi)含各種類別的有機質(zhì)，多呈現(xiàn)出不規(guī)則的形狀且粒徑較大。而粉煤灰多則呈現(xiàn)出規(guī)則的球狀體，這意味著粉煤灰顆粒上附著的有機質(zhì)含量較少。隨著底泥摻量的增加，透水磚通過高溫煅燒去除的有機質(zhì)含量會增多，透水磚的造孔率會增加，便呈現(xiàn)出透水系數(shù)遞增和抗壓強度遞減的趨勢。

從圖4(b)可以看出，550 ℃下煅燒處理后的底泥摻量從20%～36%，透水磚抗壓強度快速增加；在摻量36%～44%，抗壓強度增長速度漸緩，且在底泥摻量為44%時達到最高值37.5 MPa，同時透水系數(shù)達到1.68×10-2cm/s，符合透水磚的性能要求。這個可以通過圖5的SEM圖分析，經(jīng)過550 ℃的煅燒前處理，底泥灰的顆粒表面比未煅燒的底泥更加圓滑，且已呈現(xiàn)出少部分孔隙。這是因為在經(jīng)過煅燒處理的底泥已經(jīng)去除了一定量的有機質(zhì)，其性質(zhì)和粘土的性質(zhì)更為相近。在拌料混合的過程中，其與水玻璃和粉煤灰的水化反應也會更加徹底，高溫燒結(jié)下的莫來石晶體堆積會愈加緊密[6]。因此，隨著底泥摻料的增加其抗壓強度也會快速增加。但當?shù)啄鄵搅线_到44%時，由于粗骨料的含量一定，其對抗壓強度的貢獻值有限，使得整個透水磚的抗壓強度已達到上限。隨著摻料超過44%時，抗壓強度便開始以其緩慢的速度降低。故對于煅燒處理的底泥制備的透水磚，最適宜的底泥摻量是44%。

通過對比圖4(a)和圖4(b)，發(fā)現(xiàn)在同一底泥摻量的條件下，經(jīng)煅燒處理的底泥制備的透水磚與未經(jīng)煅燒處理的底泥制備的透水磚相比較，前者的抗壓強度要更高，但透水系數(shù)相對更低。前者最高抗壓強度最高可達37.5 MPa，達到了JC/T 945—2005《透水磚》的抗壓強度要求，而后者抗壓強度最高為22.8 MPa，透水系數(shù)為1.55×10-2cm/s，未達到JC/T 945—2005《透水磚》的抗壓強度要求。兩種透水磚的透水系數(shù)皆滿足JC/T 945—2005《透水磚》的最低要求1×10-2cm/s。經(jīng)煅燒處理的底泥制備的透水磚的透水系數(shù)在底泥摻量為44%，透水系數(shù)達1.68×10-2cm/s；底泥摻量為60%時，透水系數(shù)達1.92×10-2cm/s。這個可以從圖6透水磚的SEM圖得到解釋，底泥未煅燒處理制備的透水磚成孔數(shù)量相比較多，成孔率較高，這便造成在同一底泥摻量的條件下，其抗壓強度會受到一定的削減影響，導致抗壓強度相比較低。

圖5 未煅燒的底泥、煅燒的底泥、粉煤灰的SEM圖
Fig.5 SEM images of uncalcined sediment, calcined sediment and fly ash

圖6 底泥制備透水磚的SEM圖
Fig.6 SEM images of permeable brick

2.3 成型壓力對透水磚性能的影響研究

采用方案二的材料配比，在1150 ℃下煅燒，保溫120 min，不同成型壓力下燒結(jié)的透水磚性能測試結(jié)果見圖7。

圖7 成型壓力對透水磚的抗壓強度和透水系數(shù)的影響
Fig.7 Effect of molding pressure on compressive strength and water permeability coefficient of permeable bricks

從圖7中可知，隨著成型壓力的增加，透水磚的抗壓強度不斷升高，而透水系數(shù)則呈現(xiàn)出降低的趨勢。這是因為在壓力機的穩(wěn)壓下，透水磚胚體內(nèi)的顆粒受到物理作用力擠壓而重新開始排列堆積，內(nèi)部的水分和空氣不斷被擠出。而隨著成型壓力的增加，粗骨料的堆積會愈加趨于緊密，形成的空隙會不斷被擠壓和收縮，這時粒徑較小的底泥和粉煤灰在壓力的作用下逐漸滲入占據(jù)這些本已被擠壓的狹小空隙，從而使得整個透水磚胚體里的顆粒結(jié)合愈加穩(wěn)固[7-8]。這就導致了透水磚的抗壓強度增強，而由于胚體的孔隙減少，透水系數(shù)也隨之減少。

從圖7可以看出成型壓力從5～25 MPa，未經(jīng)煅燒處理的底泥制備的透水磚的抗壓強度快速升高、透水系數(shù)快速減小；從25～45 MPa，抗壓強度和透水系數(shù)有逐漸趨于平緩的趨勢。這是因為成型壓力達到25 MPa后，透水磚胚體內(nèi)顆粒緊密堆積的程度開始接近上限值，顆粒的排列變化已不再明顯，導致孔隙的變化也不再明顯[9]，故透水系數(shù)的下降速度開始減緩。綜上，對于未煅燒處理的底泥制備的透水磚最適宜的成型壓力是25 MPa。對于經(jīng)煅燒處理的底泥制備的透水磚同樣出現(xiàn)了上述的情況，但是因其有機質(zhì)的含量較少，高溫煅燒過程中成孔率較低，透水系數(shù)和抗壓強度是在21 MPa后開始有趨于平緩的趨勢。所以，對于經(jīng)煅燒處理的底泥制備的透水磚，其最佳成型壓力是21 MPa。

2.4 保溫時間對透水磚的性能影響研究

控制燒結(jié)溫度為1150 ℃、成型壓力20 MPa，采用方案二的材料配比制備不同保溫時間下的透水磚，其性能測試結(jié)果見圖8。從圖8(a)和8(b)可以看出透水磚的抗壓強度皆隨保溫時間的增加而增加，這是因為作為膠結(jié)材料的水玻璃在高溫下會加速發(fā)揮膠結(jié)凝固的特性[10]。而隨著保溫時間的增長，水玻璃與其他原材料會擁有更加充分的反應時間，各種粒徑不一的顆粒會連接愈加牢固，顆粒之間的粘結(jié)力會加大，故抗壓強度會持續(xù)增加[11]。

圖8 保溫時間對透水磚抗壓強度和透水系數(shù)的影響
Fig.8 Effect of holding time on compressive strength and water permeability coefficient of permeable bricks

圖9 不同保溫時間下燒結(jié)的透水磚樣品(底泥為煅燒處理過)SEM照片
Fig.9 SEM images of permeable bricks (calculated sediment) sintered with different holding time

而透水磚樣品的透水系數(shù)則呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，圖8(a)和圖8(b)表明透水磚的透水系數(shù)分別在保溫時間180 min、150 min達到了最大值為2.6×10-2cm/s、1.41×10-2cm/s，之后便開始呈現(xiàn)出遞減的趨勢。這可以解釋為隨著保溫時間的增加，底泥與粉煤灰顆粒中所含有的有機質(zhì)在高溫下持續(xù)地燒減，造成透水磚內(nèi)的孔隙直徑增大，水流更通暢，透水系數(shù)增加[11-12]。而當保溫達到了一定的時間(180 min或150 min)，有機質(zhì)的去處率達到了較高值，透水磚的成孔速度減緩，水玻璃在高溫下開始以液相的形式滲透進各個顆粒孔隙之間，造成了內(nèi)部細顆粒粘結(jié)收縮增大，孔隙率降低，固其透水系數(shù)開始減小[13]。這個可以從圖9的SEM照片進一步得到證明，透水磚樣品的孔隙直徑大小排列順序為(b)>(a)>(c)。

綜上，對于未經(jīng)煅燒處理的底泥制備的透水磚最佳保溫時間是180 min；對于經(jīng)煅燒處理的底泥制備的透水磚最佳保溫時間是150 min。

3 結(jié) 論

(1)底泥摻量在20%～60%區(qū)間，采用不做550 ℃煅燒處理的底泥制備的透水磚，其抗壓強度無法達到JC/T 945—2005《透水磚》最低要求Cc30。該成品不適用于承載力較大的道路鋪裝，如若通過后期的表觀處理，增加規(guī)則的磚面紋理，減少蜂窩、露石面積，亦可用作園藝小區(qū)、公園人行道、河道駁岸的透水鋪裝。

(2)當?shù)啄鄵搅繛?4%時，在成型壓力20 MPa，煅燒溫度1150 ℃，保溫120 min條件下，采用550 ℃煅燒處理的底泥制備出了透水磚成品。其抗壓強度可達到37.5 MPa，透水系數(shù)為1.68×10-2cm/s，滿足JC/T 945—2005《透水磚》Cc35抗壓強度和透水系數(shù)相關(guān)要求。該成品表面平整、棱角整齊，稍加表觀處理即可用作非機動車車行道、輕型車輛車行道、廣場、步行街的透水鋪裝。

(3)隨著成型壓力的增加，兩種透水磚的性能變化表現(xiàn)出相同的規(guī)律，抗壓強度遞增的速度先大后小，透水系數(shù)遞減的速度也是先大后小。對于采用未經(jīng)煅燒處理的底泥制備的透水磚，最佳的成型壓力為25 MPa；對于采用經(jīng)煅燒處理的底泥制備的透水磚，最佳成型壓力為21 MPa。

(4)隨著保溫時間的增長，兩種透水磚的性能變化表現(xiàn)出相同的規(guī)律，抗壓強強度遞增，透水系數(shù)先增大后減小。對于采用未經(jīng)煅燒處理的底泥制備的透水磚，最佳保溫時間為180 min；對于采用經(jīng)煅燒處理的底泥制備的透水磚，最佳保溫時間為150 min。