河道底泥制免烧砖技术研究

李 杨

(深圳市硕创环保科技有限公司，广东 深圳 518115)

1 引言

随着城市工业化水平的提高，城市河道受到不同程度的污染。大量生活污水、工业废水、建筑垃圾和其它固体废弃物排入河道水体，造成河道水质恶化和底泥堆积，最终影响城市河道发挥正常的社会和生态功能，例如水土保持、空气净化、防洪排涝等。污染的底泥还是河道水质得不到彻底改善的主要原因，所以对底泥的治理十分重要[1～3]。

底泥具有高含水率、高流动性等缺点，很难被直接利用，且底泥会对环境造成污染，如何将底泥进行减量化、无害化、资源化处置，已经成为环保领域研究的热点。目前底泥的处置与资源化方法主要有堆肥利用[4，5]、干化焚烧[6，7]、造陆利用[8，9]、建筑材料利用等[10～14]。堆肥利用，主要是通过微生物的作用将底泥中的有机物进行分解代谢，生产有机肥料。该法在国内外已经广泛得到工业应用，但是底泥中的有害物质，例如，重金属、一些病菌、二噁英等，并不能通过堆肥彻底消除，会对环境造成二次污染。干化焚烧法是对底泥减量化和无害化处理最好的方法，但是其较高的运营成本和排放大量的二氧化碳，不符合国家碳减排碳中和的政策。造陆利用，主要是将疏浚底泥输送到围堤中，经过沉积固化处理，形成大面积陆地的方法。该法能够大量消耗疏浚底泥，但是对设备和工艺的要求高，限制了它大规模应用。底泥含有大量无机质如SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO等，其化学成分及物理性能与黏土极为类似，能够部分替代黏土制备建材产品。此外，为保护耕地资源，国家相继出台多项“禁实限黏”政策，限制黏土质砖的开发使用。这也为底泥替代黏土用于制砖材料开发提供了政策支持。底泥建材化处理是目前综合利用率较高的处理方式。

本文是以深圳龙西河底泥为主要原料，研究了不同掺量的水泥、细砂、1～4石和减水剂对制备底泥免烧砖抗压强度的影响，确定了最优的物料配比，为以后疏浚底泥资源化利用提供可行的研究工艺。

2 试验部分

2.1 原材料

(1)底泥：采自深圳龙西河主河道，基本物理与化学性质指标如表1和2所示。该底泥总铅、总砷、总汞、总铜、总锌及总镍等指标均未超过《河湖淤泥处理处置技术导则》(T/CWEA7-2019)中的Ⅰ类泥体总量限值。

表1 底泥主要无机组分指标

(2)水泥：P·C32.5水泥，东莞华润水泥厂有限公司。

表2 底泥主要重金属指标 mg/kg

(3)减水剂：聚羧酸高性能减水剂，上海亨创化工有限公司。

(4)早强剂：硫酸钠、氯化钙、三乙醇胺，均购于国药集团化学试剂有限公司。

2.2 试验仪器

精密电子天平，赛多利斯BSA1245-CW；行星式砂浆搅拌机，河北润联NJ-160；砌块成型机，山东金利QMR2-45砌块成型机；万能压力试验机，长春新特GNT-200。

2.3 试验方法

按照不同的底泥、水泥、1-4石、聚羧酸减水剂与细砂的质量分数比，采用单因素变量法，依次按不同物料配比加入底泥、1-4石、细砂、水泥、聚羧酸减水剂，搅拌均匀后，填充入试验设计尺寸为(50 mm×50 mm×100 mm)模具中压制成型，成型压力为20 MPa。然后，将得到的免烧砖在自然条件下养护3 d、7 d、14 d、28 d，最后根据GB/T4111-2013《混凝土砌块和砖试验方法》检测相应底泥免烧砖的抗压强度,具体实验流程如图1所示。

图1 底泥免烧砖实验流程

3 结果与讨论

3.1 不同底泥掺量对免烧砖抗压强度的影响

在底泥与细砂总质量分数为44.5%，水泥掺量为15%、1-4石掺量为40%、聚羧酸减水剂掺量为0.5%的条件下，底泥掺量分别为5%、15%、25%、35%，考察底泥掺量对免烧砖抗压强度的影响，具体实验结果如图2所示。

图2 不同底泥掺量对免烧砖抗压强度的影响

从图2可以看出，随着底泥掺量的增加，不同龄期免烧砖的抗压强度都明显降低，在底泥掺量为5%时，7 d龄期免烧砖的抗压强度达到了36.2 MPa，掺入量为 15%时，免烧砖抗压强度下降到32.5 MPa，降低了10.2%；底泥掺量从25%增大到35%时，砖体抗压强度从18.6下降到6.8 MPa，相比15%底泥掺量降低了42.8%和79.1%。由此可见，底泥对砖体抗压强度有明显影响，原因是底泥颗粒很小，当掺量在5%～15% 时其充当了细集料的作用，填充在砖体的空隙中，增加了砖体的紧密性；当底泥掺量比例增大到35%时，由于底泥细颗粒太多使砂子之间出现了离散，进而使试块的强度下降。结果显示15%掺量的底泥，14 d龄期抗压强度达到了45.6 MPa，符合免烧砖MU40强度等级的要求。在保障免烧砖抗压强度的前提下，最大限度地利用底泥制免烧砖，其最佳掺量为15%。

3.2 不同水泥掺量对免烧砖抗压强度的影响

在水泥与细砂总质量分数为44.5%，底泥掺量为15%、1-4石掺量为40%、聚羧酸减水剂掺量为0.5%的条件下，水泥掺量分别为5%、10%、15%、20%，考察水泥掺量对免烧砖抗压强度的影响，具体实验结果如图3所示。

图3 水泥掺量对免烧砖抗压强度的影响

从图3可以看出，随着水泥掺量的增加，不同龄期免烧砖抗压强度逐渐增大。其中，当水泥掺量5%时，免烧砖抗压强度为6.5 MPa；水泥掺量10%时，抗压强度达到28.9 MPa，相比5%增加了345%。当水泥掺量从15%到20%时，抗压强度从43.6 MPa上升到45.5 MPa，相比10%增加了50.9%和57.4%，满足MU40强度等级要求，可见水泥对免烧砖抗压强度提升作用大。因为水泥是胶凝材料的主要成分，通过水化反应形成凝胶，将底泥中的微小泥粉颗粒包裹起来，形成致密的固化结构。考虑到底泥资源化率最大、经济成本最低和砖体强度高等因素，水泥最佳掺量为15%。

3.3 不同1-4石掺量对免烧砖抗压强度的影响

在1-4石与细砂总质量分数为69.5%，水泥掺量为15%、底泥掺量为15%、聚羧酸减水剂掺量为0.5%的条件下，1-4石掺量分别为20%、30%、40%、50%，考察1-4石掺量对免烧砖抗压强度的影响，具体实验结果如图4所示。

图4 1-4石对免烧砖抗压强度的影响

从图4可以看出，随着1-4石掺量的增加，不同龄期底泥免烧砖抗压强度先增大后减小，当1-4石掺量为20%时，7 d和28 d抗压强度分别为12.7 MPa和14.8 MPa；当1-4石掺量30%时，7 d和28 d抗压强度达到16.7 MPa和36.6 MPa，相比20%增加了31.5%和147.3%；当1-4石掺量从40%到50%时，28 d抗压强度从48.7降低到36.1 MPa。1-4石在砖体中主要起到支撑和抵抗变形的作用，从而增强了砖体的自身强度。当掺量从20%增大到40%时，微小的细砂和底泥颗粒能够填充到石子之间的空隙中，这样使得孔隙率越来越小，形成砖体的堆积越质密，相应免烧砖的抗压强度越来越高，同时，小石子因自身弹性模量较高，刚性也较大，也能够有效地提高免烧砖的强度。

但是当掺量达到50%时，细砂的掺量降低到19.5%，没有足够的细颗粒物料填充空隙，导致砖体抗压强度降低。对于研究的物料配比，1-4石掺量40%时，免烧砖能够满足MU40砖的强度要求。

3.4 不同聚羧酸减水剂掺量对免烧砖抗压强度的影响

在聚羧酸减水剂与细砂总质量分数为30%，水泥掺量为15%、底泥掺量为15%、1-4石掺量为40%的条件下，减水剂掺量分别为0.1%、0.3%、0.5%、0.7%，考察减水剂掺量对免烧砖抗压强度的影响，具体实验结果如图5所示。

从图5可以看出，随着聚羧酸减水剂掺量的增加，免烧砖抗压强度都呈现快速上升趋势，当减水剂掺量为0.1%时，14 d和28 d抗压强度分别为21.2 MPa和28.7 MPa；当减水剂掺量0.3%时，14 d和28 d抗压强度达到25.4 MPa和35.8 MPa，相比0.1%增加了19.8%和24.7%；当减水剂掺量从0.5%到0.7%时，28 d抗压强度从43.9升高到47.0 MPa。聚羧酸减水剂在砖体中主要体现减水分散性能，它是由的长侧链相互作用产生的空间位阻效应和聚羧酸分子的阴离子基团产生的静电斥力效应的协调作用产生的。当加入适量的减水剂时，能够快速分散底泥和水泥颗粒，加快水泥水化反应速率，从而提高免烧砖的早期抗压强度。从图5可知，0.5%掺量的减水剂所制备的免烧砖28 d抗压强度达到了43.9 MPa，满足相关砖强度要求。

图5 聚羧酸减水剂掺量对免烧砖抗压强度的影响

3.5 早强剂对免烧砖抗压强度的影响

根据上述实验结果，确定了最佳物料配比，底泥资源化利用制免烧砖，考虑实际生产效率，需要提高免烧砖早期抗压强度。在水泥、底泥、1-4石、减水剂和细砂掺量分别为15%、15%、40%、0.5%、29.5%条件下，添加0.3%的3种早强剂，硫酸钠、氯化钙、三乙醇胺。将得到的免烧砖在自然条件下养护1 d、3 d、5 d、7 d，最后根据GB/T4111-2013《混凝土砌块和砖试验方法》检测相应底泥免烧砖的抗压强度,具体实验结果如图6所示。

图6 不同早强剂对免烧砖抗压强度的影响

从图6可知，添加3种早强剂都能够提高底泥免烧砖的抗压强度，其中，三乙醇胺增强效果最明显，1d和7d的抗压强度分别为23.6和55.2MPa，相比未加早强剂增大118.5%和79.8%。与未加早强剂相比，硫酸钠1d和7d抗压强度增大71.3%和29.3%，氯化钙1d和7d抗压强度增大37.0%和7.8%，氯化钙增强效果最差。早强剂同水泥矿物C3A、C4AF形成能促凝的复杂化合物，这些化合物能为C3S、CaS的水化、结晶提供晶核，加速水泥组分的溶解，促进水化反应进行，最终提高免烧砖抗压强度。

4 结论

(1)通过本次试验，确定最优的物料配比，底泥、水泥、1-4石、细砂与聚羧酸减水剂质量比为15%∶15%∶40%∶29.5%∶0.5%，所制出免烧砖的28 d抗压强度为45.6 MPa,达到普通混凝土砖MU40的强度等级要求，能满足新型墙体建筑材料的性能需求。

(2)添加硫酸钠、氯化钙、三乙醇胺三种早强剂都能够不同程度增强底泥免烧砖的抗压强度，其中，三乙醇胺效果最好，7 d抗压强度高达55.2 MPa，所制免烧砖可以作为栈道、码头、港口地面砖使用。