河湖淤泥制備燒結磚的研究進展

崔敬軒 何捷 聶卿 邸楊 楊占斌

（中國建筑材料科學研究總院有限公司，北京 100024）

我國河流湖泊眾多，底泥污染嚴重，為加快生態文明建設，河湖生態環境備受重視。從2015年4月頒布《水污染防治行動計劃》（簡稱“水十條”）以來，全國廣泛開展了以消除黑臭水體為主要目標的水環境綜合治理工程[1-5]，同時產生了數量巨大的河湖淤泥。河湖淤泥含水率高[6-7]、強度低，往往含有病原菌、重金屬[8]和有毒有害難降解有機物等有害成分，必須對其進行安全、妥善處理與處置[9-10]。

近年來，河湖淤泥的處理處置及資源化問題一直是學者研究的熱點，主要方向有填埋、土地利用、建材化利用等。底泥脫水填埋需占用大量寶貴的土地資源，實屬無奈之舉，土地利用則有二次污染的風險，同時消納量有限，而利用河湖淤泥生產新型建筑材料是其資源化利用的主要途徑之一。

燒結磚工業作為墻體材料行業的主體，是國家重要的原材料和基礎工業。隨著國家墻材革新與建筑節能改策的不斷調整，各級政府出臺了若干文件禁止采取耕地黏土生產磚等墻體材料[11]，燒結磚行業的制磚原料已從原來的單一黏土向資源綜合利用方向發展，有煤矸石、爐渣、粉煤灰、江河湖淤泥等各種工業廢棄物[12]。本文綜述了河湖淤泥制備燒結磚和非燒結磚的研究現狀，對淤泥制磚的生產工藝及產品性能進行了總結分析，并對淤泥制磚全過程環境風險控制提出展望，以期為磚瓦企業利用河湖淤泥制磚提供技術參考，為河湖淤泥建材化利用研究提供借鑒。

1 河湖淤泥制備燒結磚的可行性

燒結磚是傳統的主要建筑材料之一，主要包括燒結普通磚、多孔磚、空心磚和燒結空心砌塊等種類，根據主要原料分類主要有黏土磚、頁巖磚、煤矸石磚、粉煤灰磚等。其中，燒結磚原料的主要成分及含量范圍見表1。

河湖淤泥的主要成分為SiO2和Al2O3等氧化物，含量在40.00%-73.63%和10.09%-20.30%，其中，67%以上的淤泥樣品中SiO2的含量大于60%，同時含有一定含量的Na2O、K2O、CaO、MgO等助熔劑氧化物，與燒結磚的制備原料組分十分相似，具備建材資源化制磚的可能。表2列出了部分河湖淤泥的主要化學成分。

關于燒結磚的原料配比的研究較多，河湖淤泥的主要成分基本滿足制磚原料的要求，Liu等[22]通過優化以河道淤泥和固體廢料為主要原料制作的淤泥燒結多孔磚制磚方案，實現從20%～50%的河道淤泥摻量到100%使用量的突破。范冬冬[23]利用100%巢湖淤泥、翁晶晶[24]和王智宇[25]利用100%三江（甬江、奉化江、余姚江）河道淤泥制備燒結磚，均得到性能指標符合《燒結普通磚》要求的燒結磚產品。考慮到各地淤泥性質差異，可能存在部分淤泥組成成分偏離最佳范圍的情況（如SiO2含量偏低、Al2O3含量偏高、燒失量偏大等），研究人員通過摻加其他工業固廢，如粉煤灰[17，26-27]、木屑[28]、煤矸石[29]、生活污泥[30]等進行配比調節，以優化燒結磚的原材料化學組成，使其達到合適的范圍。總體來看，絕大部分河湖淤泥化學成分與燒結磚成分要求相符，可直接用于燒制淤泥磚；部分淤泥成分稍有偏差的，也可通過摻加輔料進行成分調節從而滿足要求。因而，利用河湖淤泥輔以其他工業固廢制備燒結磚是可行的。

表1 燒結磚原料的主要成分及含量范圍

注：*1.Al2O3/SiO2表示耐火度；*2.未檢測。

2 河湖淤泥制備燒結磚的主要影響因素

淤泥制備燒結磚的典型生產工藝流程為：物料預處理→淤泥性質分析→配料→成型→干燥→焙燒→冷卻→性能測試。

新采挖的淤泥含水率一般大于40%，需干燥至規定含水率。同時，淤泥中可能含有少量貝殼等雜質，也要盡量去除[31]。在物料預處理時，淤泥晾曬會占用大量土地，同時產生臭氣等污染物，需要同步采取治理措施以減少對環境的二次污染。經過除雜的干燥淤泥破碎后進行陳化等預處理備用。淤泥的含水率、顆粒度、塑性指數、化學成分、礦物成分等對淤泥磚的燒制有較大的影響，需要在燒制前對以上性質進行測定及分析[21]。配料時需要根據淤泥特性選擇是否添加瘠性料、粘結劑等輔助材料[24]。配好的原料混合料經陳化，提高混合料成型性能后，運送至磚機，由擠出機擠出成型。坯體成型后含有15%～25%的水分，需將其干燥至殘余水分不大于2%后方可進入焙燒工序[31]。焙燒溫度一般為800-1050℃，焙燒溫度和焙燒時間會因窯型和原材料的不同而在一定范圍內變化。冷卻后形成強度，制成成品，性能檢測合格后出廠。

在淤泥制備燒結磚的過程中，主要影響因素有原料組成和焙燒制度。

2.1 原料組成的影響

2.1.1 淤泥摻加量的影響

淤泥摻加量會對原料的塑性指數、干燥敏感系數、燒結磚的外觀和性能等產生影響。

研究表明，原料的塑性指數大小是燒結磚能否順利成型的關鍵[32]，一般要求燒結墻體材料混合料的塑性指數在7～15之間[23]。原料的另一個重要因素為干燥敏感系數，干燥敏感系數越大，坯體在干燥中就越易產生裂紋。研究顯示，隨著淤泥摻量的增加，原料的塑性指數和干燥敏感系數均增大，需要添加輔助材料來改善原料性能[17，32]。

耿飛等[33]采用太湖淤泥摻適量粉煤灰作為內燃料制備燒結磚的試驗發現，隨著淤泥摻加量的增加，磚體的抗壓強度降低，吸水率降低。朱哲等[17]利用東湖淤泥添加粉煤灰和氧化鐵制備燒結磚，隨著淤泥摻量增加，燒結磚表觀密度增大，吸水率降低，抗壓強度有所增加。蹇守衛等[32]采用武漢東湖淤泥與頁巖復合制備燒結墻體材料發現，底泥摻量超過85%的試樣不符合《燒結普通磚》（GB 5101-2003）的吸水率性能要求。在相同溫度制度下，85%湖泊底泥摻量其體積密度略小于10%摻量，且其吸水率高于10%摻量，小摻量湖泊底泥試塊的抗壓強度高于大摻量湖泊底泥的試塊，此外，底泥摻加量越多，直徑收縮率越大，而高度收縮率越小。祝志雄等[34]利用河道淤泥與三種不同的頁巖混合制備燒結磚，吸水率隨淤泥摻加量而增大，抗壓強隨淤泥摻量從15%增加到60%，燒結樣品的抗壓強度逐漸降低，而后繼續增加淤泥摻量至90%，燒結樣品的強度略有提高。

綜上，由于湖泊底泥中較多有機雜質燃燒產生孔隙，會對燒結磚的吸水率等性能產生影響，此外，河湖淤泥摻量對原料和產品的影響要綜合考慮淤泥特性和添加的輔料，例如，淤泥添加量對摻加粉煤灰制得的燒結磚的性能影響和對摻加頁巖制得的燒結磚的性能影響規律并不相同，企業需根據自身情況及處置淤泥的特性慎重選擇摻加比例。

2.1.2 添加輔料的影響

在實際應用中，直接采用河湖淤泥單獨制備燒結磚的相對較少，一般需要摻加部分工業廢物如粉煤灰、爐渣或其他粘結劑等以改善原料的可塑性和優化燒結磚性能。

粉煤灰作為內燃料有助于擴大焙燒范圍和提高燒結磚強度。粉煤灰中Al2O3含量高，燒成溫度比純粘土燒磚要高，如此較高的發熱量可以實現內燃燒磚，節省大量助燃煤，使粘土和粉煤灰中的一些礦物在此高溫下互相發生物理化學反應，生成高強度鈣鋁硅酸鹽類晶體，從而提高磚體強度[35]。研究表明，當粉煤灰比例為20%～30%時，可充分利用粉煤灰可燃性工業廢料，既節能降耗，又減少環境污染，還可加快輪窯焙燒速度，提高成品產量和質量[36]。此外，針對河湖淤泥塑性指數較高的特點，粉煤灰也可作為瘠性料[17，32]，用來調節淤泥原料塑性。粉煤灰吸水性強，顆粒較大，屬于瘠化料，添加越多，塑性降低越大。而塑性越低，顆粒越粗，排出單位水分磚坯的收縮量就越少，即收縮率越小。

此外，爐渣、煤矸石、煤渣等輔料作為內燃料燒或瘠性材料的作用與粉煤灰相似[37-38]。

由表1可知，河湖淤泥的耐火度偏低約為0.1-0.4，摻加含有Al2O3的輔料可以提高淤泥的耐火度，擴大焙燒溫度范圍。研究表明，以燒結體總成分為基準，Al2O3含量宜在20%以上[39]。為了進一步利廢，耿飛等[40]將自來水廠的污泥添加到河湖淤泥中，污泥中Al2O3含量較高，增加混合料的耐火度，但由于污泥燒失量大，其中有機質燃燒后形成大量微孔，導致表觀密度較小，吸水率也就較大，污泥摻加量小于40%時，吸水率能夠滿足燒結磚多孔磚吸水率小于25%的要求。

研究表明，鈣、鎂等在燒結磚時為有害物質，淤泥中含有貝殼、方解石、石灰石類物質等鈣質，容易產生石灰爆裂現象[41]。氧化鎂的危害主要表現為制品泛霜[42]，嚴重時可在磚體內膨脹，破壞其結構，導致產品強度下降，甚至出現廢品[41]。

He等[43]用黃河淤泥和赤泥作原料制備燒結磚的研究表明，赤泥能夠降低磚的燒結溫度。當赤泥含量為40%，燒結溫度為1050℃，低于僅用黃河淤泥制備燒結磚的溫度。

此外，淤泥含水量一般較高，會導致淤泥燒結磚能耗較大，為了節約能源并增加燒結磚的保溫性能，吳其勝等[45]將稻殼、木屑等農業廢物加入到淤泥中制備燒結保溫磚。同等摻量下，用稻殼比用木屑做成孔劑所得到的淤泥燒結磚強度、吸水率、孔洞率要高，而密度則相對較低。

綜上，由于淤泥成分的差異，在建材化準備燒結磚的過程中，需基于燒結磚的性能需求，合理選擇輔料的摻加，通過多次試驗研究確定最佳配比，從而制得性能更優的淤泥燒結磚。

2.2 焙燒制度的影響

焙燒制度中燒結溫度和焙燒保溫時間、升溫速率等是影響燒結磚性能的主要因素。下文主要從對抗壓強度、吸水率、外觀品質等的影響進行討論。

燒結磚的強度主要來源于磚體內結晶的新生骨架和玻璃相，高溫使低溫SiO2晶相變為高溫晶相，且有更多的玻璃體液相形成[46]，填充在晶體的間隙中，提高磚體的致密性，使磚體強度增大。研究表明，原料相同配比下，抗壓強度隨燒結溫度的升高而增強。朱哲等[17]采用正交試驗研究了焙燒溫度和焙燒時間對燒結磚性能的影響表明，在焙燒溫度1000℃時，抗壓強度最大，而焙燒時間對抗壓強度的影響不明顯。蹇守衛等[32]研究發現，淤泥與頁巖制備燒結磚，溫度達到1050℃時，試塊抗壓強度出現了降低現象，且隨著燒結保溫時間的增長，抗壓強度越低。在最佳燒結溫度950℃，燒結保溫時間6h，得到強度最高可達到40.9MPa的試樣。祝志雄等[34]研究表明，當燒結溫度為700～900℃時，抗壓強度逐漸增大，溫度為900～950℃后，抗壓強度趨于平穩或呈現降低趨勢，升高到1000℃時，樣品的抗壓強度又增大，得到淤泥和頁巖的燒成溫度均在800～950℃，實際生產中可將燒成溫度定在850～900℃左右。李國衛等[47]研究了燒結溫度和燒結時間對高摻量粉煤灰淤泥燒結磚抗壓強度的影響，焙燒溫度越高，燒結時間越長，強度越大，最適宜的焙燒溫度在1000-1050℃。

吸水性能是影響材料優劣和結構耐久性的重要因素之一，主要決定于燒結后磚體內部殘留的空隙，主要由坯料中有機物、碳酸鹽、硫酸鹽等在高溫中分解留下的氣孔，以及孔隙未能被玻璃液相完全填充所致。研究表明，隨著焙燒溫度的升高，同種配比的磚體吸水率減少[17，32-33]，原因是高溫有更多的熔融體形成，提高了磚體的致密性。

燒結時升溫速率和冷卻時降溫速率均會對燒結磚外觀品質產生影響。研究表明，為了保證燒結質量，低溫階段一般控制在70-90℃/h，中高溫階段，坯體內的粉煤灰已開始均勻燃燒，升溫速度可控制在100℃/h-120℃/h，升溫過快會導致磚坯內部應力不均勻，容易產生裂縫；高溫脫除的水分產生的氣體在內部迅速膨脹，使開裂現象加劇；磚坯內部有機質來不及充分燃燒從而導致黑芯產生。冷卻時降溫速度一般控制在100℃/h左右[26，28，35]。

綜上，不同原料配比時最佳燒結溫度、燒結時間不同，一般在800-1050℃，燒結時間隨原料不同差異較大；隨著焙燒溫度的升高，同種配比的磚體吸水率減少；為保證燒結質量，需同時考慮燒結溫度、燒結時間及燒結時升溫速率和冷卻時降溫速率等各個因素的影響。

3 淤泥制備燒結磚的環境安全性

3.1 淤泥燒結磚的環境安全性

淤泥建材化利用在利廢的同時還需關注產品的環境安全性。除產品的放射性外，這方面的現有研究較少，有學者對淤泥燒結磚浸出重金屬進行了分析，對比國家危險廢物浸出毒性標準，其浸出液重金屬濃度遠低于標準規定濃度限值[23，33，43，48]。研究表明，淤泥燒結磚的放射性均滿足《建筑材料放射性核素限量》GB6566限值要求[17，23，43]。此外，耿飛等[33]分析了淤泥燒結磚的腐蝕性，浸出液的pH值在7.0～8.4之間，微偏堿性，但對環境不會產生腐蝕性。

3.2 生產過程中的環境安全性

除淤泥磚的環境安全性外，利用淤泥生產燒結磚的工藝過程污染控制及環境安全同樣需要關注。2019年7月發布實施的團體標準《河湖淤泥處理處置技術導則》提出了對淤泥處理及檢驗的要求，16項必檢項包括9項重金屬、氟化物、氰化物、苯并[a]芘、多慮聯苯、甲醛、石油烴和苯酚，認為Ⅱ類泥體可用于制磚[49]。該標準從源頭控制的角度對用于制備燒結磚可能的環境風險提出控制要求。但據筆者調研，已有報道中未見淤泥燒結磚制備工藝過程的污染控制。有研究表明，具備監測條件的磚瓦企業滿足《磚瓦工業大氣污染物排放標準》（GB 29620-2013）表2大氣污染物排放限值[50]的僅占54%。從行業發展及環境保護的角度考慮，未來應更關注工藝過程中常規污染物、有機物、臭氣等污染物的排放與控制研究，并研究制定相關控制標準或技術規范，使行業實現綠色可持續發展。

4 總結

利用河湖淤泥代替黏土質原料制備燒結磚，不僅能節約不可再生資源，同時也是淤泥和其他固體廢物資源化利用的重要技術路線。目前國內關于淤泥制備燒結磚的研究取得了一定的成果，但仍存在一些問題有待進一步深入研究：

1）進一步研究淤泥摻加量及添加輔料種類對淤泥燒結磚的物理化學特性的影響機理；

2）加強焙燒制度對企業生產指導的研究，使理論更好服務于生產；

3）淤泥燒結磚產品的耐久性、環境安全性及產品應用等需要進一步深入研究；

4）系統研究工藝過程中的常規污染物、臭氣、有機物等環境風險，并在此基礎上制定相關技術規范，助力行業綠色發展。