楊鵬乾，安新茹，彭瑜洲，王雨，吳燕

（天津科技大學 化工與材料學院，天津 300457）

0 引言

我國每年要開釆多達100億t的砂、石材料用于建材生產，天然骨料的大量開采，造成了嚴重的資源枯竭和生態(tài)破壞問題[1]；天然骨料是不可再生資源，日益稀缺，我國“十三五”規(guī)劃綱要鼓勵推廣可再生建材的使用，指出綠色建筑比例要大幅提高。另一方面，合理處置疏浚底泥是世界范圍內的一個環(huán)境問題：美國從2011年至今每年的疏浚量多達240萬m3[2]；德國不來梅港每年產生的疏浚泥砂大致為60萬m3[3]；巴西2009年從港口疏浚了800萬m3的沉積物[4]。近些年，我國也開展大規(guī)模的疏浚清淤工作：2015年傾倒于海洋的疏浚物達到近1.4億m3[5]、珠江三角洲年疏浚量達到8000萬m3[6]；清出的底泥量大、組分復雜、污染物含量高，若不妥善處置，不僅會占用大量土地，而且會引起二次污染。

如將疏浚底泥應用到建材中不僅解決了底泥量大難處理的問題，而且將減少建筑業(yè)對天然骨料的消耗，符合國家政策，起到變廢為寶、節(jié)能減排的綜合社會效益。疏浚底泥的建材化利用日益受到關注，已被看作是一種可持續(xù)發(fā)展、資源化利用的新途徑。王發(fā)洲[7]、張國偉[8]、何世華[9]等分別利用東湖淤泥、上海河道底泥、海底底泥為主要原料制得陶粒；Mun[10]利用疏浚底泥為原料燒制的輕質骨料安全無污染；González－Corrochano B[11]以污泥為原料，利用燒結回轉窯制備燒結陶粒。

為解決底泥燒制陶粒（骨料）產生的能耗高、CO2排放大的問題，本題組首次提出免燒法制備疏浚底泥陶粒的關鍵技術[12－13]，探究了底泥制備免燒裹殼骨料的工藝及強度形成機理，制備的骨料符合GB/T 17431.1—2010《輕集料及其試驗方法第1部分：輕集料》標準要求[14]，對疏浚底泥免燒裹殼骨料在免燒磚上的應用展開了研究[15－16]。本研究在此基礎上首次提出了將疏浚底泥免燒裹殼骨料（WSLAs）作為粗骨料制備混凝土路面磚的工藝，制備的路面磚性能符合相關國家標準。

1 試驗

1.1 原材料

（1）底泥：試驗底泥取自太湖疏浚堆場，其基本物性參數(shù)如表1所示。經X射線熒光光譜技術分析，疏浚底泥的主要化學成分如表2所示。

表1 太湖底泥的基本物性

表2 太湖底泥的化學成分 %

（2）水泥：天津建邦建材有限公司生產的P·O42.5水泥。

（3）骨料：自制疏浚底泥免燒裹殼骨料（WSLAs）和市售碎石骨料（CSAs），其基本性能見表3，圖1為2種粗骨料的級配分布，均符合5～16 mm連續(xù)級配。

表3 骨料的基本性能

圖1 粗骨料級配分布

1.2 試驗配比

以硅酸鹽水泥為膠凝材料，采用連續(xù)級配的WSLAs、CSAs作為粗骨料，2種骨料在磚中所占體積相等，單塊磚按照表4比例配料，混凝土拌合物偏干，采用壓力成型。

表4 2種骨料制磚物料配比

1.3 試件制備

首先將骨料浸水5 min后瀝干，然后將骨料、水泥、中砂混合，邊混合邊加入水，拌合時間為2 min，隨后將拌合好的物料裝入200 mm×100 mm×50 mm的模具中，以10 MPa的成型壓力進行壓制，保壓1 min；完成壓制后覆膜靜置24 h，進行脫模處理，脫模后的試件標準養(yǎng)護28 d，完成養(yǎng)護后進行磚體性能測試。

1.4 性能測試方法

按GB/T 17431.2—2010《輕集料及其試驗方法第2部分：輕集料試驗方法》和GB/T 14685—2011《建筑用卵石、碎石》對WSLAs和CSAs的堆積密度、表觀密度、空隙率、吸水率和筒壓強度性能進行測試；依據(jù)GB/T 21144—2007《混凝土實心磚》測試免燒磚的密度、抗壓強度、吸水率、抗凍性，采用濟南思達測試技術有限公司生產的YAW－300C的壓力試驗機作為磚體抗壓強度的主要測試設備，加荷速度為0.4 MPa/s；依據(jù)GB 28635—2012《混凝土路面磚》對路面磚的耐磨度和摩擦系數(shù)進行測試，其對應的測試設備分別為天津三思試驗儀器制造有限公司生產的NS－2滾珠軸承式耐磨試驗機、江蘇沭陽中科公路儀器有限公司生產的BM－Ⅲ型擺式摩擦系數(shù)測定儀。

2 結果分析

2.1 骨料結構及性能（見圖2、表3）

圖2 WSLAs的外觀形貌和結構

從圖2可以看出，WSLAs呈圓球狀，外殼呈現(xiàn)銀灰色，顆粒外形規(guī)整，結構密實，碰撞擠壓無破損；從結構上看WSLAs具有獨特的核殼結構：內核為改性底泥，具有一定的強度和抗泥漿化能力；外殼是由膠凝材料經水化反應形成，質地堅硬，厚度為240.15 μm，僅占整個骨料直徑的0.32%。

由表3可見，WSLAs的堆積密度、吸水率、筒壓強度均符合GB/T 17431.2—2010規(guī)定的人造輕骨料的高強骨料標準；CSAs符合GB/T 21144—2007規(guī)定的Ⅱ類建筑用碎石標準。WSLAs的堆積密度約為CSAs的2/3，表觀密度略低于CSAs，空隙率高于CSAs，筒壓強度約為CSAs的2/3，吸水率為CSAs的5倍以上。與CSAs相比，WSLAs是一種輕質、高吸水率、低強度的骨料。

對2種骨料的接觸角進行測試，結果如圖3所示。

由圖3可以看出，水滴剛接觸WSLAs就迅速鋪展開，水膜被骨料吸收，對于CSAs而言，水膜一直存在，直到被蒸發(fā)。這與WSLAs的球型外觀結構相關，球型的外觀結構有利于水滴在其表面的鋪展，同時WSLAs表面眾多微孔結構的存在，使得水分可以滲透進骨料內核，被改性底泥吸附。

圖3 骨料的接觸角

采用掃描電鏡對WSLAs、CSAs的表面和內部的微觀形貌進行了觀察，結果見圖4。

圖4 骨料表面和內部的微觀形貌

由圖 4 可見：WSLAs表面[圖 4（a）]布滿許多未水化的水泥顆粒，構成微孔結構；WSLAs內部[圖4（c）]經膠凝材料改性后的底泥顆粒團聚膠結，由于改性底泥比表面積大，內部孔隙多，具有很強的吸附性，能夠將水保存在縫隙中，WSLAs表層的多孔微觀結構和內部吸附水的特性相互結合，使得WSLAs具有較高的吸水率；CSAs表面[圖4（b）]布有碎屑狀和團簇狀的石粉，但未形成內外聯(lián)通的孔洞，整體較為致密；從CSAs內部[圖4（d）]可以看出，碎石斷裂形式主要是穿晶斷裂和沿晶斷裂，整個骨料內部的碎石顆粒排列緊密，壓實程度大，極少存在孔洞結構容納水分，因此CSAs的吸水率較低。

2.2 路面磚的性能

2.2.1 密度與抗壓強度

抗壓強度是混凝土路面磚最主要的性能之一，其強度與磚體自身的密度呈正相關。WSLAB與CSB的密度分別為2128、2215 kg/m3，二者密度相近且均高于 2100 kg/m3，達到了混凝土實心磚密度等級A級標準；WSLAB與CSB的抗壓強度分別為30.1和30.3 MPa，達到了混凝土實心磚Cc30等級。

對強度測試破壞后的WSLAB與CSB進行取樣，采用偏光顯微鏡對其斷裂面進行觀察，結果見圖5。

圖5WSLAB和CSB的斷面

從圖5能明顯看出，磚體是由骨料和水泥石2部分組成，因此磚體的強度不僅與骨料和水泥石的自身強度有關，而且兩者的結合方式也會顯著影響其強度。明顯看到CSB斷裂面凹凸不一，內部結構松散，存在大而繁多的孔洞，破壞形式主要以界面剝落為主，且大部分CSAs結構完整，沒有發(fā)生破壞，說明CSAs與水泥石的界面結合力差，CSAs的強度優(yōu)勢沒有完全貢獻到磚體強度中；而WSLAB的斷裂面層較為平滑規(guī)整，其中的改性底泥被骨料外殼嚴實的包裹嵌入磚體結構中，這一緊密的結合方式很好地減少了骨料破損所產生的外泄底泥量，進而避免了外泄底泥阻礙膠凝材料水化反進程的現(xiàn)象產生；同時，與CSB相反，WSLAB的斷裂面橫穿WSLAs，說明WSLAs的強度完全作用到了磚體強度中，界面處WSLAs與水泥石粘結牢固，不存在界面處剝離的破壞狀態(tài)，這表明WSLAs與水泥石的界面結合力強。

2.2.2 吸水率與抗凍性

抗凍融性決定了混凝土路面磚在寒冷地區(qū)的使用性能，磚體的吸水率與抗凍性緊密相連，經測試，WSLAB、CSB的吸水率分別為2.4%、2.2%，遠低于11%，凍融循環(huán)50次后質量損失率分別為2.6%、2.4%，低于5%，符合GB/T 21144—2007標準要求，滿足嚴寒地區(qū)的使用要求。

2.2.3 界面性能

通過光學顯微鏡對WSLAB和CSB微觀形貌進行觀察，磚體截面的微觀形貌見圖6。

圖6 磚體截面的微觀形貌

由圖 6（a）可見，WSLAB 中 WSLAs通過 150～200 μm 厚度的水泥石相互粘結在一起，而且水泥在水化過程中形成的纖維狀水化物晶體有部分已經延伸進入骨料的外殼結構中，使得作為分散相的WSLAs與連續(xù)相的水泥石連接成一個整體，整體結構更加密實；WSLAs的高吸水特性也有助于包裹于骨料外層的水泥石能延伸入外殼結構中。

由圖6（b）可見，CSB中CSAs與水泥石界面分隔明顯，由于CSAs的天然惰性和致密的巖層，水泥石無法延伸進入骨料內部，粘接力以物理吸附為主。

界面過渡區(qū)（ITZ）是混凝土結構中的薄弱環(huán)節(jié)，是影響混凝土宏觀力學性能和耐久性能的重要因素。通過不同實驗測試和數(shù)值模擬等分析表明ITZ厚度主要集中在15～50 μm之間[17]，采用SEM對骨料－水泥石界面過渡區(qū)的微觀形貌進行觀察，結果見圖7。

圖7 骨料－水泥石界面過渡區(qū)的微觀形貌

由圖7可見，CSB的ITZ結構較疏松，孔隙較多，且具有強度的鈣礬石（AFt）與氫氧化鈣（CH）是以粗大晶體的形態(tài)富集在ITZ，經過壓載荷后的ITZ產生了明顯的微裂紋；而WSLAB的整個ITZ更為緊密規(guī)整，經過壓載荷后，ITZ中出現(xiàn)的裂紋寬度明顯較窄，且AFt、CH主要分布于ITZ邊緣及外圍部分。

從磚體內部結構看：CSAs具有較光滑的表面，碎石與膠凝材料之間不具備發(fā)生化學反應的條件或者化學反應極其微弱，導致碎石與水泥石之間的作用是以范德華力為主的物理作用。同時，在混凝土拌合過程中，由于CSAs吸水率低，其表面會吸附一層水膜，導致局部水灰比提高，Ca2+、OH－、Al3+、SO42–等可溶性離子從水泥漿體和集料表面向水膜擴散，水膜中離子濃度低，因此形成的AFt與CH晶核少，晶體顆粒粗大，形成水化晶體的富集與定向排列，進而形成比水泥石本體相更多的微裂紋和孔隙。因此，在過壓荷載作用下，ITZ產生應力集中，出現(xiàn)裂紋，導致混凝土結構破壞，而CSAs由于自身強度較高，沒有發(fā)生破裂，可以完整地從結構中剝離出來。

WSLAs具有獨特的核殼結構，其球型的外圍結構能更大面積的與膠凝材料接觸形成更為密實的整體。且WSLAs外殼的微孔、微管系統(tǒng)在新拌混凝土中具有“吸放水”特性：吸水作用使得WSLAs附近處于局部低水灰比狀態(tài)，避免了ITZ處Ca（OH）2的富集和定向排列，提高了WSLAs與水泥的界面粘結力；供水作用使得骨料附近的水泥石能夠充分水化，從而增加了ITZ的密實性。正是核殼結構的“吸放水”特性使得WSLAs能更好與基料中的膠凝材料發(fā)生水化反應，并于ITZ之外形成眾多均勻分散的AFt、CH。因此，在WSLAs的筒壓強度僅為CSAs的1/3（見表3）的情況下，WSLAB的強度與CSB幾乎一致。

2.2.4 耐磨性

在實際使用過程中免燒磚面層的磨損率[（磨損區(qū)域面積/面層面積）×100%]隨時間的變化關系見圖8。

圖8 路面磚面層的磨損率

由圖8可以看出，隨時間的延長，WSLAB與CSB面層的磨損率均呈上升趨勢，且前期上升速率最大，95～200 d免燒磚面層的磨損率已不再上升，CSB面層磨損率為6.9%，WSLAB面層磨損率為4.3%，說明CSB面層結構的緊實性以及強度不如WSLAB，原因是CSAs的吸水率較低，在CSB壓制成型過程中，混凝土拌料中的自由水會上溢至面層，導致面層水灰比上升，使面層結構松散，強度較低，磨損率增大。

將實際使用200 d后的路面磚取出，依據(jù)標準進行性能測試，并與未鋪設前的結果進行對比（見表5）。

表5 路面磚實際使用200 d前后的性能

由表5可以看出，密度、抗壓強度、吸水率、50次凍融循環(huán)強度損失的波動幅度均小于3%，說明使用穩(wěn)定性優(yōu)異；耐磨度提升明顯，這是由于踩踏200 d后，免燒磚面層結構中不緊實的部分已被磨損掉，對此再進行凍融循環(huán)，面層受凍脹力影響的剝落量就會下降；由于面層出現(xiàn)磨損區(qū)域，形成了紋理結構，增加了免燒磚的防滑性，WSLAB與CSB的BPN分別提升到了90和80，這對雨天行走是有利的。從外觀形貌到性能測試結果來看，所研制的路面磚能滿足人行道的實際使用要求，且WSLAB的性能更優(yōu)異。

3 結語

本研究首次提出將疏浚底泥制成WSLAs，而后與膠凝材料混合，壓制成混凝土路面磚；其性能參數(shù)符合國家及建材行業(yè)標準，具有成本低、工藝簡單、節(jié)能環(huán)保等特點；不僅有效解決了疏浚底泥處理難題，同時還可用于替代現(xiàn)行市售的混凝土路面磚，保護我國礦產資源。

（1）以WSLAs為粗骨料制備得到的WSLAB，其密度達到A級混凝土實心磚標準，強度等級達到Cc30，最大吸水率和抗凍性能表現(xiàn)優(yōu)異，符合GB/T 21144—2007要求，可滿足在嚴寒地區(qū)的使用。

（2）得益于WSLAs的“吸放水”特性，提升了其與水泥石的界面粘結力，避免了WSLAB界面過渡區(qū)處Ca（OH）2的富集和定向排列，使得WSLAB的強度得到提升，彌補了WSLAs自身強度的缺陷。

（3）依據(jù)GB 28635—2012對路面磚的耐磨度和摩擦系數(shù)進行了測試，WSLAs的耐磨度2.2，摩擦系數(shù)為80，滿足實際使用要求。

（4）將WSLAB鋪設在人行道上，在自然條件和人為踩踏雙重條件下，觀測200 d，WSLAB的整體結構完整，性能損失小，可以滿足人行道的使用要求。