田 濤，張樂躍，李玉賽，楊鵬乾，吳 燕

(天津科技大學(xué)化工與材料學(xué)院，天津 300457)

隨著我國工業(yè)化進程以及疏浚工程的不斷推進，我國年疏浚量已逾10 億m3.疏浚底泥呈流塑狀，承載力差，直接利用困難，需經(jīng)脫水干化處理[1-2]，且疏浚底泥的堆積會造成環(huán)境二次污染[3-4]，因此疏浚底泥的資源化利用已成為亟待解決的問題.此外，目前我國建材的需求量與日俱增，過度消耗碎石等礦產(chǎn)資源會將山體切割成峭壁，嚴(yán)重影響生態(tài)環(huán)境[5-6]，由此，國家于2000—2013 年發(fā)布多項政策鼓勵使用固體廢棄物作為綠色建材[7].疏浚底泥作為綠色建材制備路面磚，可同時解決疏浚底泥安置和礦產(chǎn)資源消耗這兩個方面的困擾.

目前，國內(nèi)外將疏浚底泥制備成路面磚采用直接摻混工藝，成型方法以燒結(jié)法為主[8-11].直接摻混因疏浚底泥易發(fā)生水化反應(yīng)而嚴(yán)重影響產(chǎn)品機械強度；且燒結(jié)法制磚因能耗高、產(chǎn)生大量CO2等缺點而受到限制.

為解決上述疏浚底泥制備路面磚的能耗及強度問題，本研究在前期研究的基礎(chǔ)上，提出將疏浚底泥制成改性免燒骨料，而后與膠凝材料混合，壓制成防水骨料磚和裹殼骨料磚.本研究采用濕法工藝，原料底泥無需干化，具有成本低、工藝簡單、節(jié)能環(huán)保等特點，不僅有效解決疏浚底泥處理難題，同時還可用于替代現(xiàn)行市場路面磚，保護我國礦產(chǎn)資源.

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗原泥取自太湖疏浚堆場，用湖水調(diào)制成含水率為40%的濕泥，原泥基本物理參數(shù)見表1.采用X射線熒光光譜技術(shù)對疏浚底泥的主要化學(xué)成分進行分析，結(jié)果見表2.實驗所采用的硅酸鹽水泥(42.5級)、粉煤灰(Ⅱ級)、磷石膏、生石灰，及燒結(jié)陶粒，均為市售工業(yè)級產(chǎn)品.市售磚選用荷蘭磚和混凝土實心磚.

表1 疏浚底泥基本物性Tab.1 Basic properties of dredged sediment

表2 疏浚底泥的主要化學(xué)成分Tab.2 Main chemical components of dredged sediment

1.2 實驗方法

采用底泥濕法工藝制備免燒磚[12-14]，先將濕泥(含水率40%)經(jīng)造粒并改性制得免燒的防水骨料和裹殼骨料.膠凝材料加水?dāng)嚢瑁度牍橇?，混合均勻，陳?0 min，選用2700 型液壓連鎖制磚機壓制成形，自然養(yǎng)護28 d.磚體尺寸為300 mm×150 mm×100 mm，質(zhì)量約為5.16 kg.磚體原料質(zhì)量比為：m(骨料)∶m(水泥)∶m(生石灰)∶m(石膏)∶m(粉煤灰)∶m(水)＝54∶12.5∶7∶2∶24.5∶25.

在壓磚工藝、水泥用量均相同的條件下，將骨料分別等量替換為干化泥粉、粉煤灰、燒結(jié)陶粒等壓制了3 種空白磚(1#直接摻泥磚、2#粉煤灰磚、3#燒結(jié)陶粒磚)及兩種免燒骨料磚(4#防水骨料磚、5#裹殼骨料磚).

依據(jù)建材標(biāo)準(zhǔn)[15-18]對免燒骨料的粒徑分布、堆密度、筒壓強度、吸水率及免燒骨料磚的密度、吸水性、抗壓強度、抗凍融性、抗鹽凍性、干燥收縮率、酸堿腐蝕性進行測試，并將免燒骨料磚、空白磚、市售磚(6#荷蘭磚、7#混凝土實心磚)的各項性能進行對比.

2 結(jié)果與討論

2.1 免燒骨料性能分析

免燒骨料的粒徑分布如圖1 所示，其基本性能見表3.由圖1 和表3 可知：兩種骨料均以球形為主，外形規(guī)整，結(jié)構(gòu)密實，密度對應(yīng)等級均為900.不同之處在于：防水骨料外表呈土黃色，粒徑以2.36～4.75 mm 為主(占65.46%)，而裹殼骨料呈灰色，且0～4.75 mm 粒徑降低，4.75～9.5 mm 粒徑增加(占50.05%)，前者堆密度略高于后者.

圖1 骨料粒徑分布Fig.1 Size distribution of aggregates

表3 免燒骨料基本性能Tab.3 Basic performance of non-sintered aggregates

由于裹殼骨料表面具有一定厚度的膠凝材料殼層與底泥骨料核層結(jié)合緊密，因此粒徑增加，并呈現(xiàn)與混凝土類似顏色，且能夠提升筒壓強度[19].而防水骨料經(jīng)防水劑改性處理，表面具有一層致密的防水膜結(jié)構(gòu)使其吸水率大幅度降低，但對粒徑和顏色影響不大.兩種骨料筒壓強度和吸水率均符合標(biāo)準(zhǔn)要求.

2.2 免燒骨料磚性能分析

2.2.1 密度

磚體的密度對建筑自身荷載以及施工便易性都有很大影響，實驗測定了免燒骨料磚的密度，結(jié)果如圖2 所示.免燒骨料磚密度約為1.7 g/cm3，高于空白磚10%，說明免燒骨料磚比空白磚結(jié)構(gòu)更致密；免燒骨料磚密度約為荷蘭磚密度的70%，這是因為荷蘭磚中骨料是碎石，密度遠(yuǎn)大于免燒骨料；免燒骨料磚密度與混凝土實心磚密度接近，這是由于混凝土實心磚中的高密度碎石被部分粉煤灰替代，且與蒸養(yǎng)成型方式密切相關(guān)[20-21].

圖2 磚體密度Fig.2 Density of the bricks

2.2.2 吸水性

磚體在使用中難免要遭受雨水的浸泡與侵蝕，而其吸水性的大小直接影響其耐久性，實驗測試了免燒骨料磚的吸水率及相對含水率，結(jié)果如圖3 所示.1#為直接摻泥空白磚，其吸水率及相對含水率均最高，不滿足建材標(biāo)準(zhǔn)要求(吸水率≤6.5%，相對含水率≤30%)；對于吸水率，5#裹殼骨料磚及6#荷蘭磚可滿足要求.

圖3 磚體吸水性Fig.3 Water absorption property of the bricks

由于直接摻泥過程中泥粉與膠凝材料界面面積大而使其極易發(fā)生水化反應(yīng)，因此1#耐水性能差，這會導(dǎo)致其抗凍融性能也差.2#燒結(jié)陶?？瞻状u、3#粉煤灰空白磚、7#市售混凝土實心磚則因為骨料性能和成型方式而導(dǎo)致吸水性各異.4#防水骨料磚的防水性能提升，是由于防水處理降低了泥水界面面積且表面的防水膜抑制了水分進入骨料，但防水膜與膠凝材料較差的結(jié)合性會使部分水滲入骨料中.5#裹殼骨料磚則在降低泥水界面面積的同時具有與膠凝材料更好的結(jié)合性能，因此整體結(jié)構(gòu)更為致密，耐水性優(yōu)于4#，但是與6#還有一定的差距.

2.2.3 抗壓強度

免燒骨料磚抗壓強度測試結(jié)果如圖4 所示，橫線為MU15(≥12 MPa)和MU10(≥8 MPa)的抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)要求下限.由圖4 可知：3 組空白磚的強度均未達(dá)標(biāo).4#、5#抗壓強度分別為9.15 MPa、12.11 MPa，均高于空白磚，5#已達(dá)到 MU15 要求，4#亦滿足MU10 的要求.在相同測試條件下，市售荷蘭磚測試強度為8.35 MPa，7#則由于原料及成型方式而高達(dá)18.48 MPa.

圖4 磚體抗壓強度Fig.4 Compressive strength of the bricks

2.2.4 抗凍融性

免燒骨料磚凍融55 次的質(zhì)量損失率隨凍融次數(shù)的變化曲線如圖5 所示，凍融55 次后的抗壓強度損失率見表4.

圖5 磚體凍融質(zhì)量損失率圖Fig.5 Mass loss rate of the bricks

由圖5 可知：所有免燒磚的質(zhì)量損失率隨凍融次數(shù)的提升而增加.其中，直接摻泥磚的凍融質(zhì)量損失率均最大，經(jīng)35 次凍融實驗后，質(zhì)量損失率已超過標(biāo)準(zhǔn)要求(≤5%).與之類似，燒結(jié)陶粒空白磚在歷經(jīng)45 次凍融實驗后，質(zhì)量損失率也超過5%，沒有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求.經(jīng)55 次凍融實驗，免燒骨料磚及市售磚的質(zhì)量損失率均低于5%(其中，4#損失4.32%，5#損失2.42%).依照標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)凍融55 次后，免燒磚的強度損失應(yīng)不大于25%.對比表4 中的參數(shù)，除直接摻泥磚外，其余免燒磚經(jīng)凍融的抗壓強度損失率均滿足要求.

表4 磚體經(jīng)凍融的抗壓強度損失率Tab.4 Compression strength loss rate of the bricks after freezing and thawing

2.2.5 抗鹽凍性

各種免燒磚在NaCl 溶液中歷經(jīng)28 次凍融后的質(zhì)量損失率和平均剝落量如圖6 所示.由圖6 可知：抗鹽凍性能的規(guī)律與抗凍融性能基本一致，其中直接摻泥磚的性能最差，平均剝落量達(dá)到1 688 g/m2，不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求(≤1 000 g/m2).裹殼骨料磚抗鹽凍性能最好，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，其質(zhì)量損失率與市售磚類似，僅為0.87%，而防水骨料磚次之，為1.67%.

圖6 磚體抗鹽凍性Fig.6 Salt freezing resistance of the bricks

鹽凍過程中，由于NaCl 的存在，免燒磚內(nèi)部的滲透壓、飽水度、結(jié)冰壓力增大，進而會加劇磚體的鹽凍剝蝕破壞.由于鹽的濃度差，受凍時磚體將產(chǎn)生更高的滲透壓，以及分層結(jié)冰產(chǎn)生更大的壓力差，相比清水凍融的破壞力增加，導(dǎo)致磚體從表面發(fā)生逐層剝落.此外，由于進入免燒磚內(nèi)的NaCl 難以排出，NaCl 結(jié)晶的產(chǎn)生也會破壞免燒磚的內(nèi)部結(jié)構(gòu).所以，鹽凍測試時免燒磚結(jié)構(gòu)破壞多為外部剝落和內(nèi)部侵蝕的雙重作用.免燒骨料磚具有良好的抗鹽凍性，主要是因其吸水率低，外部剝落和內(nèi)部侵蝕的作用均較弱，因而具有優(yōu)異的抗鹽凍性能.

2.2.6 干燥收縮率

實驗測試了樣品磚在干燥環(huán)境(18～25 ℃，相對濕度≤50%)下的干燥收縮率，結(jié)果如圖7 所示，所示橫線為JC/T 862—2008 標(biāo)準(zhǔn)要求.由圖7 可知：除直接摻泥磚的干燥收縮率數(shù)值不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求外，其他類型的免燒磚均能滿足要求.裹殼骨料磚的收縮率僅為0.022%，與市售荷蘭磚和混凝土實心磚相差不大.其主要原因是由于裹殼骨料磚的含水率較低，水分蒸發(fā)的影響最小.裹殼骨料表面包裹有水泥殼層，其成分與膠凝材料接近，故骨料與磚體擁有一致的水分蒸發(fā)速率和干燥收縮率，不會因干燥收縮而引起骨料剝離.

圖7 磚體干燥收縮率Fig.7 Drying shrinkage of the bricks

2.2.7 耐酸堿腐蝕性

通過浸泡液的紫外透過率、固體懸浮物、免燒磚質(zhì)量損失率來評判免燒磚的耐酸堿腐蝕性能.研究結(jié)果表明：防水骨料磚的浸泡溶液紫外透過率為98.6%，固體懸浮物為9～10 mg/L，質(zhì)量損失率為1.13%；裹殼骨料磚的浸泡溶液紫外透過率為99.2%，固體懸浮物為6～8 mg/L，質(zhì)量損失率為0.67%.由此可知，兩種免燒骨料磚的質(zhì)量損失率均低于標(biāo)準(zhǔn)要求的1.5%，且裹殼骨料磚的耐酸堿腐蝕性優(yōu)于防水骨料磚.

2.3 界面機理

4#及5#免燒骨料磚的整體及截面實物照片如圖8 所示.由圖8 可以看出：免燒磚表面平整，骨料在膠凝材料中的分布均勻，彼此間基本沒有粘連或團聚的現(xiàn)象.當(dāng)磚體承受荷載增加到一定程度后，內(nèi)部橫向變形達(dá)到其極限值并產(chǎn)生縱向裂紋，隨之?dāng)U大和延伸而使磚體結(jié)構(gòu)破壞并喪失承載能力.骨料的截面積占總面積的70%以上，而膠凝材料則形成了完整且連續(xù)的膠凝相.此外，形成具有一定強度的膠凝相的必要條件之一，是建材在養(yǎng)護過程中充分地發(fā)生火山灰反應(yīng)[22-23].疏浚底泥中的主要無機成分不能與水反應(yīng)固化，反而遇水極易水化.若將底泥與混凝土膠凝材料直接摻混制磚，將嚴(yán)重影響火山灰反應(yīng)的程度及范圍，從而降低建材強度.因此，我國對水泥土中泥土或底泥的摻雜量及摻雜顆粒尺寸有著嚴(yán)格的限定[24].圖4 中的強度測試結(jié)果驗證了這個結(jié)論，直接摻泥磚的抗壓強度最低，僅為1.70 MPa.

圖8 免燒骨料磚的整體及截面圖Fig.8 The integral and sectional drawing of non-sintered aggregate bricks

直接摻泥磚和免燒骨料磚的結(jié)構(gòu)機理如圖9 所示，截面示意圖表示的是不同制備方式中，底泥與膠凝材料的位置關(guān)系；其放大部分描述的是底泥與膠凝材料的界面關(guān)系.

圖9 直接摻泥磚和免燒骨料磚的結(jié)構(gòu)機理示意圖Fig.9 Schema of the mechanism of dry mud bricks and non-sintered aggregate bricks

采用直接摻混法制備的免燒磚，底泥與膠凝材料混合均勻；而在免燒骨料磚中，骨料內(nèi)的底泥相與殼層外的膠凝相是彼此隔離的.放大圖中，深色線條表示的為“混凝土-底泥”的兩固相接觸界面.由此可看出，直接摻泥磚中該類界面面積極大，底泥與膠凝材料接觸充分，嚴(yán)重影響了混凝土膠凝材料的火山灰反應(yīng)的發(fā)生，進而使該類免燒磚的強度較低.在免燒骨料磚中，“混凝土-底泥”接觸面被裹殼層或防水層所取代，因此，骨料為分散相，膠凝材料呈連續(xù)相，其火山灰反應(yīng)充分，由此免燒骨料磚的強度得以保障.

綜上所述，當(dāng)膠凝材料與填料混合制備免燒建材時，如果填料不參與火山灰反應(yīng)且易水化，那么降低“混凝土-底泥”界面面積能有效提升免燒磚的強度.將疏浚底泥制備成骨料是最好的降低“混凝土-底泥” 界面面積的方法，因而免燒骨料磚具備理想的強度性能.

3 結(jié) 語

將疏浚底泥制成改性免燒骨料，而后與膠凝材料混合，壓制成防水骨料磚和裹殼骨料磚.采用濕法工藝，原料底泥無需干化，大幅降低了疏浚底泥干燥處理的設(shè)備投入和能源消耗.所制備的疏浚底泥免燒骨料磚的性能參數(shù)符合國家及建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，防水骨料磚與裹殼骨料磚的抗壓強度、55 次凍融質(zhì)量損失率、28 次鹽凍質(zhì)量損失率依次分別為9.15 MPa、4.32%、1.67%和12.11 MPa、2.42%、0.87%.由此可知，裹殼骨料磚綜合性能優(yōu)于防水骨料磚，且均優(yōu)于空白磚，與市售磚性能相差不大.這不僅有效解決疏浚底泥處理難題，同時還可用于替代現(xiàn)行市場免燒磚，保護我國礦產(chǎn)資源.

當(dāng)膠凝材料與填料混合制備免燒建材時，如果填料不參與火山灰反應(yīng)且易水化，那么降低“混凝土-底泥”界面面積能有效提升免燒磚的強度.將疏浚底泥制備成骨料是最好的降低“混凝土-底泥” 界面面積的方法，因而免燒骨料磚具備理想的強度性能.