淤泥免燒結建筑砌塊研制

徐鵬，董帥志，黃仁樂，房祥然，郎小偉，左小晗，詹炳根

（合肥工業大學土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009）

0 前言

淤泥是以含水鋁硅酸鹽為主的多種礦物的混合物，是-種資源量豐富且可大規模利用的新型礦產資源。其具有粒徑細、含沙量低、塑性指數較高等特點[1]。目前,國內較為常用的河湖清淤方法主要有干式清淤、半干式清淤和濕式清淤3種[2],然而清除出的大量淤泥卻得不到合適的處理，很有可能造成二次污染，因此淤泥的應用問題就顯得尤為重要。經調查，我國的污泥處置大部分以農用、填埋或焚燒處置,在制備建筑材料方面的應用很少。

湖沼等淤泥中摻入耐火原料,調整成分,可用作燒結磚的主要原料,提高其配合量,還有助于節省磚用黏土資源和減少對環境的影響[3],通常來說,河道每隔三四年就要清淤,國家每年都要拿出一部分專項資金用于淤泥處理，勞民傷財，還要解決淤泥堆放問題，而利用淤泥制磚，能使淤泥成為建材企業爭相競爭的原材料，成本低廉且來源廣泛。淤泥制磚的實施,可以解決清水河道工程中疏浚土方的出路,是保證河道整治工程順利開展的有效途徑[4]。但目前國內利用淤泥制磚基本都是靠燒結處理，而燒結流程造成污染且能耗嚴重。用淤泥燒制燒結磚過程中,一定細度的淤泥原料,通過摻入粉煤灰控制塑性指數,以適當的焙燒溫度（950～1050℃）保溫30min以上,原料內氧化鐵含量低于7%,基本都能制得良好的燒結磚[5]。但如果要求較高質量燒結磚的時候，就必須嚴格控制各種因素，這就限制了淤泥燒結磚的廣泛生產。

利用淤泥生產免燒結砌塊在國內可以說是相對空白的一部分，大部分是以脫水淤泥為主要原料，經系列免燒結工藝制得陶粒[6]，再以淤泥制成的陶粒為原材料制作砌塊，但該類砌塊具有強度低且耐水性差的缺點，很難運用到房屋建材中，目前運用的主要對象還是邊坡維護砌塊。但不容忽視的問題是，城市淤泥處置極為困難,淤泥制砌塊進行資源化利用具有重要意義,同時為解決砌塊應用問題[7]。因此解決淤泥砌塊強度低、耐水性差等問題顯得尤為重要，亦是變廢為寶的關鍵一步。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

實驗原材料以取自合肥逍遙津內湖泊的淤泥和實驗室的一種的新型膠凝材料以及一種高效減水劑。

本試驗將一定含水率的淤泥與膠凝材料混合攪拌均勻，制成淤泥改性料，測量淤泥和淤泥改性料的各項參數。（具體配合比見表1）

配合比 表1

1.2 試驗方法

①淤泥天然含水率測量方法參照《土工試驗方法標準》（GB/T50123-1999）；

②淤泥塑限指數測量方法參照《土工試驗方法標準》（GB/T50123-1999）；

③淤泥顆粒級配測量方法參照《土工試驗方法標準》（GB/T50123-1999）；

④淤泥改性料流動度測量利用砂漿擴展度測定儀；《水泥膠砂流動度測定方法》（GB/T2419-2005）；

⑤淤泥改性料抗折抗壓強度測量方法參照《水泥膠砂強度檢驗方法》（GB/T17671-1999）；

⑥淤泥改性料耐水性測量方法參照規范《混凝土實心磚》（GB/T21144-2007）。

2 試驗結果與分析

2.1 淤泥性能測試研究

2.1.1 顆粒級配

實驗所需的淤泥需經破碎、烘干、過篩（2mm），其粒徑級配見表2。

粒徑分布 表2

計算出該淤泥土的不均勻系數Cu=3.33；形狀曲率系數Cc=1.66；得出該土為級配不良。

2.1.2 液塑限指數

參照《土工試驗方法標準》（GB/T50123-1999）中液、塑限聯合測定法測定淤泥塑性指數，以圓錐儀下沉深度為橫坐標，含水率為縱坐標，建立雙對數坐標，計算出圓錐儀下沉深度分別為2mm、10mm時淤泥的含水率，即

塑限WP=23.20；

液限WL=37.50；

LP=14.3；LL=4.41;

對比規范《公路橋涵地基與基礎設計規范》（JTG D63-2007）得出該土天然狀態下為流塑狀態。

2.2 淤泥改性料試件強度

2.2.1 流動性

結合試驗得出，在淤泥改性料的制備時通過添加減水劑和控制淤泥含水率，使淤泥改性料在入模時能夠擁有適當的流動性，制得最終的淤泥改性料的流動性如圖1所示。

圖1 流動性隨含水率的變化曲線

分析數據得，淤泥改性料在一定的范圍內隨著膠凝材料摻入量的提高，改性料的稠度提高，且膠凝材料能把淤泥中的水分吸收，促使流動度逐漸降低，而隨著改性料含水率的提高改性料得到稀釋，膠凝材料將自由水固定的量，因此淤泥改性料的流動度有一定程度的提高，且在隨著流動度的提高，改性料制成的試件成型時間相對縮短。得到含水率為45%左右時能夠順利灌入試模中。

2.2.2 試件強度

根據試驗測出各組不同含水率，不同膠凝材料摻量的試件抗折抗壓強度，將試驗數據結果進行整理得到下列變化曲線圖如圖2、圖3所示。

圖2 28d抗折強度變化曲線圖

圖3 28d抗壓強度變化曲線圖

整合上述圖表和結論得，當膠凝材料摻入量相同時，隨著含水率的降低，試件中的自由水含量降低，改性料的稠度較低，但試件成型后，試件的28d抗折強度基本相同，抗壓強度有明顯的提高。值得一提的是當膠凝材料的摻量為8%，含水率為50%時，試件的抗壓強度在測試時，不斷被壓壞，無法測量試件抗壓強度。當淤泥改性料的含水率一定時，隨著膠凝材料的摻量增大時，膠凝材料結合淤泥中的自由水分增多，促使更多的自由水轉變為結合水，使試件的抗折抗壓強度相對提高。當膠凝材料的摻入量為10%時，含水率為40%的試件抗折抗壓強度相對于另外兩組有明顯提高，且此時的改性料的流動度相對較好，雖然膠凝材料摻入量為12%時試件的強度比摻入量為8%的同含水率試件強度要高，但考慮到膠凝材料的經濟性和改性料的流動度情況，選取膠凝材料摻量為15%、含水率為45%的改性料制作砌塊。

2.3 淤泥改性料耐水性實驗

由測出的軟化系數繪制出軟化系數隨含水率變化曲線如圖4所示。

圖4 軟化系數變化曲線

分析數據得，當膠凝材料摻入量一定時，隨著含水率的提高，試件中的自由水含量增大。進行耐水性實驗時，試件軟化相對嚴重，試件的軟化系數逐漸降低，耐水性下降，當含水率一定時，隨著膠凝材料的摻入量的增多，試件的軟化系數有顯著提高，耐水性逐漸變好，由此可知，膠凝材料對試件的耐水性有一定提高作用。

2.4 淤泥建筑砌塊的制作與性能

考慮到膠凝材料的經濟性和淤泥改性料的流動性的要求，選用膠凝材料摻入量為10%的膠凝材料參數和含水率為45%制成與淤泥建筑砌塊，建筑砌塊規格為，測定砌塊的抗壓強度平均值為3.82MPa。

3 結論

本文在對以合肥逍遙津湖泊淤泥為原材料的生產砌塊進行研究，在原材料的天然含水率、塑性指數和粒徑指數等理化性質分析的基礎上，得出淤泥的理化性質與粘土接近，但塑性指數較高，結合新型膠凝材料制成淤泥改性料試件，測試改性料的流動性，發現改性料的流動性較差，試件成型時間較長，緊接著分析試件的強度情況，整理試件強度和耐水性隨膠凝材料摻入量和含水率的變化情況，在上述分析的基礎上，結合經濟性和和易性的情況選出較優配合比10%膠凝材料摻入比和45%含水率的淤泥改性料制成砌塊，測量砌塊的抗壓強度，知實驗砌塊的強度超過同類砌塊，同時砌塊強度同石膏空心砌塊相比，已達到石膏空心砌塊標準≥3.5Mpa。具體結論如下：

①淤泥土的粒徑分布和塑性指數等理化性質同粘土類似，可用于生產磚砌體；

②淤泥改性料的流動度相對較低，是由于膠凝材料結合淤泥中的自由水促使流動度較低，可通過增加減水劑或適當提高淤泥含水率調整流動度；

③當試件中含水率較低時，試件的強度雖然較高，但試件流動性差，成型時間長，不利于生產；

④膠凝材料的摻入量增多，結合淤泥中更多的自由水使成為結合水，提高試件強度，但如果試件中的自由水比例過大，試件會強度過低甚至難以成型；

⑤淤泥改性料的耐水性隨著膠凝材料的比例增大時，提升很明顯，當膠凝材料過低時，耐水性明顯不符合標準，砌塊只能用于氣候干燥地區，但膠凝材料高于10%時，具有同類石膏砌塊的耐水性；

⑥制得的砌塊強度大于3.5MPa，且改性料的軟化系數和流動度均較好，砌塊可以進行小規模生產，有益于淤泥處理。