河道底泥制免燒磚技術研究

李 楊

(深圳市碩創環保科技有限公司，廣東 深圳 518115)

1 引言

隨著城市工業化水平的提高，城市河道受到不同程度的污染。大量生活污水、工業廢水、建筑垃圾和其它固體廢棄物排入河道水體，造成河道水質惡化和底泥堆積，最終影響城市河道發揮正常的社會和生態功能，例如水土保持、空氣凈化、防洪排澇等。污染的底泥還是河道水質得不到徹底改善的主要原因，所以對底泥的治理十分重要[1～3]。

底泥具有高含水率、高流動性等缺點，很難被直接利用，且底泥會對環境造成污染，如何將底泥進行減量化、無害化、資源化處置，已經成為環保領域研究的熱點。目前底泥的處置與資源化方法主要有堆肥利用[4，5]、干化焚燒[6，7]、造陸利用[8，9]、建筑材料利用等[10～14]。堆肥利用，主要是通過微生物的作用將底泥中的有機物進行分解代謝，生產有機肥料。該法在國內外已經廣泛得到工業應用，但是底泥中的有害物質，例如，重金屬、一些病菌、二噁英等，并不能通過堆肥徹底消除，會對環境造成二次污染。干化焚燒法是對底泥減量化和無害化處理最好的方法，但是其較高的運營成本和排放大量的二氧化碳，不符合國家碳減排碳中和的政策。造陸利用，主要是將疏浚底泥輸送到圍堤中，經過沉積固化處理，形成大面積陸地的方法。該法能夠大量消耗疏浚底泥，但是對設備和工藝的要求高，限制了它大規模應用。底泥含有大量無機質如SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO等，其化學成分及物理性能與黏土極為類似，能夠部分替代黏土制備建材產品。此外，為保護耕地資源，國家相繼出臺多項“禁實限黏”政策，限制黏土質磚的開發使用。這也為底泥替代黏土用于制磚材料開發提供了政策支持。底泥建材化處理是目前綜合利用率較高的處理方式。

本文是以深圳龍西河底泥為主要原料，研究了不同摻量的水泥、細砂、1～4石和減水劑對制備底泥免燒磚抗壓強度的影響，確定了最優的物料配比，為以后疏浚底泥資源化利用提供可行的研究工藝。

2 試驗部分

2.1 原材料

(1)底泥：采自深圳龍西河主河道，基本物理與化學性質指標如表1和2所示。該底泥總鉛、總砷、總汞、總銅、總鋅及總鎳等指標均未超過《河湖淤泥處理處置技術導則》(T/CWEA7-2019)中的Ⅰ類泥體總量限值。

表1 底泥主要無機組分指標

(2)水泥：P·C32.5水泥，東莞華潤水泥廠有限公司。

表2 底泥主要重金屬指標 mg/kg

(3)減水劑：聚羧酸高性能減水劑，上海亨創化工有限公司。

(4)早強劑：硫酸鈉、氯化鈣、三乙醇胺，均購于國藥集團化學試劑有限公司。

2.2 試驗儀器

精密電子天平，賽多利斯BSA1245-CW；行星式砂漿攪拌機，河北潤聯NJ-160；砌塊成型機，山東金利QMR2-45砌塊成型機；萬能壓力試驗機，長春新特GNT-200。

2.3 試驗方法

按照不同的底泥、水泥、1-4石、聚羧酸減水劑與細砂的質量分數比，采用單因素變量法，依次按不同物料配比加入底泥、1-4石、細砂、水泥、聚羧酸減水劑，攪拌均勻后，填充入試驗設計尺寸為(50 mm×50 mm×100 mm)模具中壓制成型，成型壓力為20 MPa。然后，將得到的免燒磚在自然條件下養護3 d、7 d、14 d、28 d，最后根據GB/T4111-2013《混凝土砌塊和磚試驗方法》檢測相應底泥免燒磚的抗壓強度,具體實驗流程如圖1所示。

圖1 底泥免燒磚實驗流程

3 結果與討論

3.1 不同底泥摻量對免燒磚抗壓強度的影響

在底泥與細砂總質量分數為44.5%，水泥摻量為15%、1-4石摻量為40%、聚羧酸減水劑摻量為0.5%的條件下，底泥摻量分別為5%、15%、25%、35%，考察底泥摻量對免燒磚抗壓強度的影響，具體實驗結果如圖2所示。

圖2 不同底泥摻量對免燒磚抗壓強度的影響

從圖2可以看出，隨著底泥摻量的增加，不同齡期免燒磚的抗壓強度都明顯降低，在底泥摻量為5%時，7 d齡期免燒磚的抗壓強度達到了36.2 MPa，摻入量為 15%時，免燒磚抗壓強度下降到32.5 MPa，降低了10.2%；底泥摻量從25%增大到35%時，磚體抗壓強度從18.6下降到6.8 MPa，相比15%底泥摻量降低了42.8%和79.1%。由此可見，底泥對磚體抗壓強度有明顯影響，原因是底泥顆粒很小，當摻量在5%～15% 時其充當了細集料的作用，填充在磚體的空隙中，增加了磚體的緊密性；當底泥摻量比例增大到35%時，由于底泥細顆粒太多使砂子之間出現了離散，進而使試塊的強度下降。結果顯示15%摻量的底泥，14 d齡期抗壓強度達到了45.6 MPa，符合免燒磚MU40強度等級的要求。在保障免燒磚抗壓強度的前提下，最大限度地利用底泥制免燒磚，其最佳摻量為15%。

3.2 不同水泥摻量對免燒磚抗壓強度的影響

在水泥與細砂總質量分數為44.5%，底泥摻量為15%、1-4石摻量為40%、聚羧酸減水劑摻量為0.5%的條件下，水泥摻量分別為5%、10%、15%、20%，考察水泥摻量對免燒磚抗壓強度的影響，具體實驗結果如圖3所示。

圖3 水泥摻量對免燒磚抗壓強度的影響

從圖3可以看出，隨著水泥摻量的增加，不同齡期免燒磚抗壓強度逐漸增大。其中，當水泥摻量5%時，免燒磚抗壓強度為6.5 MPa；水泥摻量10%時，抗壓強度達到28.9 MPa，相比5%增加了345%。當水泥摻量從15%到20%時，抗壓強度從43.6 MPa上升到45.5 MPa，相比10%增加了50.9%和57.4%，滿足MU40強度等級要求，可見水泥對免燒磚抗壓強度提升作用大。因為水泥是膠凝材料的主要成分，通過水化反應形成凝膠，將底泥中的微小泥粉顆粒包裹起來，形成致密的固化結構。考慮到底泥資源化率最大、經濟成本最低和磚體強度高等因素，水泥最佳摻量為15%。

3.3 不同1-4石摻量對免燒磚抗壓強度的影響

在1-4石與細砂總質量分數為69.5%，水泥摻量為15%、底泥摻量為15%、聚羧酸減水劑摻量為0.5%的條件下，1-4石摻量分別為20%、30%、40%、50%，考察1-4石摻量對免燒磚抗壓強度的影響，具體實驗結果如圖4所示。

圖4 1-4石對免燒磚抗壓強度的影響

從圖4可以看出，隨著1-4石摻量的增加，不同齡期底泥免燒磚抗壓強度先增大后減小，當1-4石摻量為20%時，7 d和28 d抗壓強度分別為12.7 MPa和14.8 MPa；當1-4石摻量30%時，7 d和28 d抗壓強度達到16.7 MPa和36.6 MPa，相比20%增加了31.5%和147.3%；當1-4石摻量從40%到50%時，28 d抗壓強度從48.7降低到36.1 MPa。1-4石在磚體中主要起到支撐和抵抗變形的作用，從而增強了磚體的自身強度。當摻量從20%增大到40%時，微小的細砂和底泥顆粒能夠填充到石子之間的空隙中，這樣使得孔隙率越來越小，形成磚體的堆積越質密，相應免燒磚的抗壓強度越來越高，同時，小石子因自身彈性模量較高，剛性也較大，也能夠有效地提高免燒磚的強度。

但是當摻量達到50%時，細砂的摻量降低到19.5%，沒有足夠的細顆粒物料填充空隙，導致磚體抗壓強度降低。對于研究的物料配比，1-4石摻量40%時，免燒磚能夠滿足MU40磚的強度要求。

3.4 不同聚羧酸減水劑摻量對免燒磚抗壓強度的影響

在聚羧酸減水劑與細砂總質量分數為30%，水泥摻量為15%、底泥摻量為15%、1-4石摻量為40%的條件下，減水劑摻量分別為0.1%、0.3%、0.5%、0.7%，考察減水劑摻量對免燒磚抗壓強度的影響，具體實驗結果如圖5所示。

從圖5可以看出，隨著聚羧酸減水劑摻量的增加，免燒磚抗壓強度都呈現快速上升趨勢，當減水劑摻量為0.1%時，14 d和28 d抗壓強度分別為21.2 MPa和28.7 MPa；當減水劑摻量0.3%時，14 d和28 d抗壓強度達到25.4 MPa和35.8 MPa，相比0.1%增加了19.8%和24.7%；當減水劑摻量從0.5%到0.7%時，28 d抗壓強度從43.9升高到47.0 MPa。聚羧酸減水劑在磚體中主要體現減水分散性能，它是由的長側鏈相互作用產生的空間位阻效應和聚羧酸分子的陰離子基團產生的靜電斥力效應的協調作用產生的。當加入適量的減水劑時，能夠快速分散底泥和水泥顆粒，加快水泥水化反應速率，從而提高免燒磚的早期抗壓強度。從圖5可知，0.5%摻量的減水劑所制備的免燒磚28 d抗壓強度達到了43.9 MPa，滿足相關磚強度要求。

圖5 聚羧酸減水劑摻量對免燒磚抗壓強度的影響

3.5 早強劑對免燒磚抗壓強度的影響

根據上述實驗結果，確定了最佳物料配比，底泥資源化利用制免燒磚，考慮實際生產效率，需要提高免燒磚早期抗壓強度。在水泥、底泥、1-4石、減水劑和細砂摻量分別為15%、15%、40%、0.5%、29.5%條件下，添加0.3%的3種早強劑，硫酸鈉、氯化鈣、三乙醇胺。將得到的免燒磚在自然條件下養護1 d、3 d、5 d、7 d，最后根據GB/T4111-2013《混凝土砌塊和磚試驗方法》檢測相應底泥免燒磚的抗壓強度,具體實驗結果如圖6所示。

圖6 不同早強劑對免燒磚抗壓強度的影響

從圖6可知，添加3種早強劑都能夠提高底泥免燒磚的抗壓強度，其中，三乙醇胺增強效果最明顯，1d和7d的抗壓強度分別為23.6和55.2MPa，相比未加早強劑增大118.5%和79.8%。與未加早強劑相比，硫酸鈉1d和7d抗壓強度增大71.3%和29.3%，氯化鈣1d和7d抗壓強度增大37.0%和7.8%，氯化鈣增強效果最差。早強劑同水泥礦物C3A、C4AF形成能促凝的復雜化合物，這些化合物能為C3S、CaS的水化、結晶提供晶核，加速水泥組分的溶解，促進水化反應進行，最終提高免燒磚抗壓強度。

4 結論

(1)通過本次試驗，確定最優的物料配比，底泥、水泥、1-4石、細砂與聚羧酸減水劑質量比為15%∶15%∶40%∶29.5%∶0.5%，所制出免燒磚的28 d抗壓強度為45.6 MPa,達到普通混凝土磚MU40的強度等級要求，能滿足新型墻體建筑材料的性能需求。

(2)添加硫酸鈉、氯化鈣、三乙醇胺三種早強劑都能夠不同程度增強底泥免燒磚的抗壓強度，其中，三乙醇胺效果最好，7 d抗壓強度高達55.2 MPa，所制免燒磚可以作為棧道、碼頭、港口地面磚使用。