園林垃圾對工程棄土燒結磚性能的影響

高 琦 ， 肖建莊 ， 沈劍羽

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

目前中國每年產生的工程棄土超過 30 億 t［1］，且大量工程棄土未經過資源化處理，多采取填埋或臨時堆放的形式，從而帶來大氣、水體污染或滑坡等風險［2-3］，因此，工程棄土的高品質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，制備燒結磚［4-7］、免燒結磚［8-9］，堆山造景［10］和制備陶粒［11］等.其中，燒結工藝可以消除棄土中混雜的有機質并形成孔隙，進而提高燒結磚的保溫性能［12-14］；另外燒結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］.因此燒結磚制備工藝常被用于協同處理來自農林業的固體廢棄物［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.雖然將農業固廢物直接摻入棄土中燒結處理的工藝較為簡單，但所制備的燒結磚力學性能降幅較大，因此適當對此類固廢物進行預處理是較好的辦法.

園林垃圾的主要成分是木質素和纖維素［23］.全中國每年約產生 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磚不僅可以同時處理2 種固廢物，而且園林垃圾作為燒結磚的內燃料和造孔劑，能夠提升磚的保溫性能、減少制磚能耗.但簡單采用粉碎處理可能對燒結磚的基本力學性能產生較大負面影響［12-13］.為剖析園林垃圾對燒結磚品質的影響規律，本文同時對比了破碎、碳化和腐熟3 種預處理方法對工程棄土燒結磚性能的影響，以探索經濟可行的園林垃圾與工程棄土協同處置方法.

1 試驗

1.1 原材料

1.1.1 工程棄土

工程棄土（CS）來源于中國中部地區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 種方式對其進行預處理，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，在密封罐中進行，環境溫度為（20±2）℃，保持原料潮濕，全程持續3 個月，期間每隔7 d 取出原料，翻動攪拌并補充水分.

CS 和 3 種預處理 GW 的 外觀如圖 1 所 示 .

圖 1 CS 與 3 種預處理 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、半纖維素和木質素含量（質量分數，文中涉及的含量、組成等均為質量分數）.表 2 為 CS 與 GW 的化學組成 .圖 2 為 CS 與 GW 的顆粒級配.依據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、半纖維素和木質素含量均較低，可能是由于機械破碎過程不能破壞纖維素、半纖維素和木質素的膠合狀態；CGW 的木質素含量最高，明顯高于纖維素和半纖維素含量；DGW 的纖維素、半纖維素和木質素含量相近.總體來說，PGW 的有機質破壞程度最低，有機質含量最高，而CGW 的有機質含量最低.

表1 GW 的纖維素、半纖維素和木質素含量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GW 顆粒細化的效果最弱.

圖2 CS 與GS 的顆粒級配曲線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；而黏土礦物含量僅為19.7%，其中以伊利石為主，占總質量的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 試驗方法

1.2.1 工程棄土燒結磚的制備

以CS 質量為基準，將3 種GW 按照質量分數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 磚（GW-SCSB）.GW-SCSB 試件的編號和配方如表3 所示，制備流程如圖4 所示.相較于壓制成型方式，試驗采用的真空擠出成型方式對泥胚的可塑性要求更高，當可塑性偏低時，容易造成磚坯在擠出過程中發生開裂現象.另外考慮到GW 的摻入會影響未燒結CS 與GW 混合物（簡稱混合物料）的界限含水率及制備過程中產生的水分損耗，故基于混合物料的實測塑限（wP）值來調配試驗加水量（w）.經前期測驗，所有試驗組的加水量（w）均統一按w=wP+2%來控制.為保證磚坯擠出時不出現開裂，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，使其可塑性進一步提高；然后將其放入普通小型搟面機中擠壓成1 mm 厚的泥土薄片，糅合并再次擠壓，反復5 次完成練泥過程；接著采用真空擠出機將該泥土薄片在-80～-90 kPa 的真空環境下緩慢擠成泥條；再將泥條切割為等長泥塊，放入電子干燥箱中進行干燥，干燥分2 個階段——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行燒結，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

依據JTG E40—2007《公路土工試驗規程》，采用LP-100D 型液塑限聯合測定儀測試混合物料的界限含水率（塑限（wp）、液限（wl））和塑性指數（Ip）.

1.2.3 工程棄土燒結磚的物理力學性能

依據GB/T 2542—2012《砌墻磚試驗方法》進行GW-SCSB 的物理力學性能試驗，包括燒結磚的24 h吸水率（W24）、煮沸 3 h 吸水率（W3）、飽和系數（K）、表觀密度（ρ）、體積收縮（S）、質量損失（ΔW）、抗壓強度和抗折強度等.

1.2.4 工程棄土燒結磚的微觀形貌

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

2 結果與討論

2.1 混合物料的界限含水率、塑性指數

圖5 為混合物料的界限含水率、塑性指數.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性.（2）3種GW 對混合物料塑性指數的影響有所不同——CGW降低了混合物料的塑性指數；PGW大幅提高了混合物料的塑性指數，主要是因為PGW 中的有機質含量較高；DGW對混合物料塑性指數的影響不明顯.

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

2.2 工程棄土燒結磚的物理性能

圖6 為GW-SCSB 的物理性能試驗結果.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.這主要是因為GW-SCSB在制備過程中添加的水分隨著GW 摻量的增加而增加，更多的水分導致磚坯在干燥時產生更大的收縮，整體收縮率主要由干燥時的體積收縮所決定，燒結過程的體積變化不明顯；當GW 摻量達到12%時，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構，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，能夠吸附的水分更多所致.（3）GW-SCSB 燒結過程中的質量損失（ΔW）（包含干燥時的水分損失（ΔWd）、燒結時的結構水脫水、有機質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（K）整體呈下降趨勢，但降幅不大.由此說明GW 導致SCSB 產生孔隙，且其摻量越大，SCSB 的孔隙數量和大小也越大 .（5）隨 著 GW 摻 量 的 增 加 ，GW-SCSB 燒 結 前（干燥后）的表觀密度（ρd）和燒結后的表觀密度（ρs）均有所下降.這是因為GW 自身密度低于CS，在混合過程中，GW 使得CS 不易壓實，殘留了孔隙，以及在燒結過程中GW 中的有機質分解產生孔隙所致.

圖6 GW-SCSB 的物理性能試驗結果Fig.6 Physical performance test results of GW-SCSB

2.3 工程棄土燒結磚的力學性能

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

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

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

2.4 燒結前后工程棄土燒結磚的礦物含量變化

圖 8 為 未 摻 GW 和 摻 12%GW 燒 結 磚 的 XRD 圖譜.CS 與GW-SCSB 的礦物含量見表4.由表4 可見：（1）GW0 在燒結后，黏土礦物基本消失，這是因為多種黏土礦物在燒結過程中熔化，產生低共熔物，在燒結結束后，原本的黏土礦物反應生成了新的礦物相；（2）燒結后的新產物主要為鉀長石、斜長石、赤鐵礦等，摻 CGW 和 DGW 后還額外產生了莫來石；（3）燒結后，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 燒結磚的XRD 圖譜Fig.8 XRD patterns of SCSB without and with 12% GW

對比 PGW、CGW 和 DGW 的摻入對 SCSB 產物的影響，發現主要區別在于莫來石礦物相的產生，摻入DGW 后，燒結產生了最多的莫來石；同時石英含量最低，鉀長石含量最低，與不摻GW 時的礦物含量最接近，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，從而促進部分化學反應的進行.

對比摻入PGW 和CGW 后的產物結果，可以看到石英含量和鉀長石含量均較不摻時更高，說明破碎和碳化更有助于鉀長石的生成.考慮到制磚試驗和XRD檢測中可能存在的誤差，不同處理后的GW 對SCSB的影響機理及化學反應過程，需要更多后續研究.

2.5 工程棄土燒結磚的微觀結構

圖9 為未摻GW 和摻12%GW 燒結磚斷面的SEM 照片 .由圖9 可以看出：GW0 的孔隙數量最少、孔隙尺寸最小、微觀結構最為致密；PGW12-SCSB 的孔隙尺寸最大、結構最松散，存在較大的裂隙；CGW12-SCSB 的孔隙尺寸最小，結構最緊密，DGW12-SCSB 次之.CGW 本身顆粒更加細小，且經過碳化處理后，自身的有機質含量是3 種情況中最低的，DGW 次之，而PGW 的有機質含量最高，有機質在燒結時會分解并留下孔洞，所產生的氣體還會擴大孔洞.因此燒結后，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 燒結磚斷面的SEM 照片Fig.9 SEM images of cross section of SCSB without and with 12% GW

3 結論

（1）3 種預處理的 GW 摻入 CS 中制備 SCSB 時，均可提高混合物料的塑限和液限.燒結后主要新產物為鉀長石、斜長石、赤鐵礦和莫來石等.隨著GW摻量的增加，SCSB 的微觀孔隙數量增加，微觀結構更加松散，吸水率增大，混合物料經干燥和燒結后密度降低、質量損失增大、體積收縮增大.當GW 摻量為12%時，SCSB 的體積收縮因為纖維骨架作用而減小，導致其抗折強度降低.

（2）PGW 中的有機質含量高，可以提升CS 和GW 混合物料的塑性指數，燒結后不產生莫來石，微觀結構最松散，微觀孔隙最多；隨著PGW 摻量的增加，GW-SCSB 的抗壓強度和抗折強度逐漸降低，當PGW 摻量為12%時，GW-SCSB 的抗壓強度降低48.5%，抗折強度降低66.0%.

（3）CGW的顆粒最細，能夠降低混合物料的塑性指數，燒結后可以產生少量莫來石，使得SCSB 的微觀結構較為緊密，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，且抗折強度始終最大，抗壓強度隨著CGW 摻量的提升而先增大后減小. 與GW0-SCSB 相比，當 CGW 摻量為 6% 時，GW-SCSB的抗壓強度提升15.4%；當CGW 摻量為12% 時，GW-SCSB 的抗壓強度降低6.5%，抗折強度降低34.8%.

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

（5）當 CGW 摻量為 6% 時，所制備的 GW-SCSB抗壓強度提升，抗折強度降低不明顯，效果最好.從微觀角度來看，是因為CGW-SCSB 的孔隙最少，結構更加致密；從礦物組成角度來看，燒結產物中產生了莫來石，當CGW 摻量較少時，燒結產物的強度提升作用占主導因素，當CGW 摻量較大時，SCSB 微觀孔隙增多對強度的降低作用轉為主導因素.