堿渣海相軟土混合料燒結磚試驗研究

邵 勇，劉小麗，朱進軍

(連云港職業技術學院，江蘇 連云港 222006)

0 引 言

固體廢物污染防治是生態環境保護的重要內容，我國大力提倡對固體廢棄物進行減量化、資源化、無害化的“三化”原則，因此對固體廢棄物的處理及應用具有重大意義。利用固體廢棄物制作燒結磚是實現固體廢物資源化的有效途徑之一，不僅解決了固體廢物的處理問題，且燒結磚作為一種常用的建筑材料，利用固體廢棄物來制作可節省大量資源。目前對固體廢棄物燒結磚已有一定的研究，袁永兵等[1]以干化太湖淤泥為主要原料進行燒結制磚研究表明，干化淤泥直接制成磚坯干燥線收縮率為7.46%，粉煤灰的摻入可進一步降低磚坯的總線收縮率，且并不會對制品的抗壓強度產生較大影響。耿飛等[2]以太湖淤泥和粉煤灰為原料進行燒結磚試驗表明，增加粉煤灰摻量，磚體吸水率增大，抗壓強度降低。賈魯濤等[3- 4]以湖泊淤泥為主要原材料、煤渣為瘠性料、生活污泥為成孔劑，在試驗室采用真空擠壓塑性成型技術制備并燒結得到燒結磚試樣，當湖泊淤泥、煤渣和生活污泥的比重分別為85%、10%和5%時，可制備出干燥線性收縮為5.35%、吸水率為16.5%、抗壓強度為20.5 MPa的燒結磚試樣。通過對已有研究的總結，目前對淤泥類燒結磚的研究有如下幾個特點：

(1)一般不以淤泥為單獨原材料燒結制磚，摻合料有石灰、粉煤灰、煤矸石、頁巖、鐵尾礦等，其中粉煤灰較為常見[5]。通過這些摻合料的加入，能夠有效改善燒結磚的物理化學性質，使其各項技術指標達到規范要求。

(2)淤泥類燒結磚有海相淤泥、河相淤泥、湖相淤泥、生活污泥等[6]，其中生活污泥燒結磚還應注意重金屬的浸出問題，防止燒結磚使用過程中產生環境污染。

(3)燒結磚的燒成溫度一般在900～1 100 ℃之間，主要控制指標有線縮率、吸水率、抗壓強度等，其中最佳燒成溫度并不是唯一值，因淤泥材料性質和摻合材料性質不同，最佳燒成溫度也存在差異。

根據已有的研究，直接采用淤泥制作燒結磚的案例較少，一般均摻合石灰、粉煤灰等外加材料，但是摻入工業堿渣的案例未見報道，因此針對海相淤泥摻入工業堿渣制作燒結磚有待研究，工業堿渣在高溫環境下其性質有所提高[7]，故淤泥堿渣燒結磚存在理論上的可行性。

1 試驗設計

淤泥與堿渣的配合比見表1。首先，將原料混合均勻，根據質量計算加入適量自來水使混合物含水率為40%，充分攪拌5 min，拌合完成的原料裝入塑料袋悶料24 h。設計磚塊試樣干密度為1.50 g/cm3，將原料分3層壓樣成型，模具尺寸為7 cm×7 cm×7 cm。試樣入模見圖1。

表1 原材料配合比 %

圖1 試樣入模

試樣在自然條件下風干48 h拆模，試樣脫模見圖2。放入105 ℃的烘箱內烘干24 h，烘干后試樣見圖3。最后，烘干后的試樣在高溫爐進行燒結。

圖2 試樣脫模

圖3 烘干后試樣

燒結溫度分別為950、1 000、1 050 ℃。一般情況下，在焙燒過程中，0～200 ℃為胚體剩余水分蒸發階段，400～600 ℃為粘土礦物分解階段，800～900 ℃為碳酸鹽礦物分解階段。因此，本次試驗采用3段焙燒制，即溫度達200 ℃后保持1 h，溫度達600 ℃時保持2 h，在相應燒結溫度下保溫燒結2 h，最后關閉加熱裝置讓試樣自然冷卻，燒制完成。圖4為電阻爐，最高燒結溫度為1 200 ℃，功率5 kW，電壓220 V，爐膛尺寸為300 mm ×200 mm ×150 mm。燒結過程見圖5。燒結完成見圖6。

圖4 電阻爐

圖5 燒結過程

圖6 燒結完成

2 試驗結果分析

本次試驗設置3種燒結溫度，分別為950、1 000、1 050 ℃，測試指標有表觀密度、燒失率、線收縮率、吸水率及抗壓強度。通過對樣品的測試，當溫度達1 050 ℃時試樣出現輕微過燒現象，對比試樣各項指標發現，1 000 ℃為最佳燒結溫度。

2.1 表觀密度

圖7為不同燒結溫度下試樣表觀密度與堿渣含量的關系。從圖7可以看出，隨著堿渣含量的增加，試樣表觀密度略有降低，這是由于堿渣密度要小于淤泥質土，堿渣含量增大，試樣密度降低。普通黏土磚表觀密度為1.7～1.9 g/cm3，與普通黏土磚相比試樣表觀密度降低約17%。在不同燒結溫度條件下，試樣表觀密度略有不同，燒結溫度為1 000 ℃時表觀密度最大，燒結溫度1 050 ℃時最小，這是由于過燒導致試樣體積輕微膨脹，致使表觀密度降低，而燒結溫度為950 ℃時燒結不夠充分，質量損失小，致使其表觀密度略小。

圖7 表觀密度與堿渣含量的關系

2.2 燒失率

圖8為不同燒結溫度下試樣燒失率與堿渣含量的關系。從圖8可以看出，隨著堿渣含量的增加，試樣燒失率逐漸降低，因為堿渣的增加導致淤泥質土含量相對減少，有機質的燒失量減少。不同燒結溫度條件下，樣品燒失率差別不大，均在10%附近。

圖8 燒失率與堿渣含量的關系

2.3 線收縮率

圖9為干燥線收縮率與堿渣含量的關系。從圖9可以看出，堿渣的摻入能夠降低試樣干燥收縮率，堿渣摻量由0增加至15%時，試樣干燥線收縮率由9.1%降低至7.2%。圖10為不同燒結溫度下試樣燒成線收縮率與堿渣含量的關系。從圖10可以看出，隨著堿渣含量的增加，試樣燒成線收縮率逐漸降低，因為堿渣在高溫條件不僅沒有收縮，相反有輕微的膨脹。不同燒結溫度條件下，試樣燒成線收縮率均在3%附近。

圖9 干燥線收縮率與堿渣含量的關系

圖10 燒成線收縮率與堿渣含量的關系

2.4 吸水率

圖11為不同燒結溫度下試樣吸水率與堿渣含量的關系。從圖11可以看出，隨著堿渣含量的增加，試樣吸水率逐漸降低。不同燒結溫度條件下，樣品吸水率在15%～25%之間。

圖11 吸水率與堿渣含量的關系

2.5 抗壓強度

圖12為不同燒結溫度下試樣抗壓強度與堿渣含量的關系。從圖12可以看出，隨著堿渣含量的增加，試樣抗壓強度逐漸增大。其中，燒結溫度為1 000 ℃時抗壓強度最大，燒結溫度950 ℃次之，燒結溫度為1 050 ℃時最小，且燒結溫度為1 050 ℃時有輕微過燒現象。燒結溫度為1 000 ℃時，不摻入堿渣的試樣抗壓強度為14.28 MPa，隨著堿渣的增加，試樣抗壓強度逐漸增大，當堿渣含量為15%時，試樣抗壓強度為21.42 MPa，說明堿渣能夠有效改善燒結磚的強度。

圖12 抗壓強度與堿渣含量的關系

2.6 堿渣燒結磚與粘土磚對比分析

圖13為堿渣淤泥磚與普通粘土磚對比。2種磚的燒結溫度均為1 000 ℃，且制備及燒結條件一致。普通粘土磚的抗壓強度為18.23 MPa。從圖13可以看出，隨著堿渣的摻入量達6%時，堿渣淤泥燒結磚的抗壓強度與普通粘土磚基本相當，堿渣摻量繼續增加后，堿渣淤泥磚的抗壓強度要明顯高于普通粘土磚。

圖13 堿渣淤泥磚與普通黏土磚對比

2.7 凍融試驗結果分析

本次試驗參照GBT 2542—2012《砌墻磚試驗方法》進行凍融試驗，共進行了125次凍融循環。圖14為凍融試驗結果。從圖14可以看出，在凍融循環次數分別為25、50、75、100次和125次時，不摻堿渣的淤泥燒結磚質量損失率分別為0.13%、0.17%、0.28%、0.34%、0.45%，隨著堿渣含量的增加，凍融循環質量損失率略有增加；當堿渣含量為15%時，質量損失分別為0.21%、0.32%、0.41%、0.58%、0.69%，均未超過規范要求的2%。說明各試樣均滿足燒結普通磚的技術要求，具有良好的抗凍性能。

圖14 凍融試驗結果

3 結 語

通過本文燒結試驗，在海相淤泥中摻入工業堿渣后，燒結磚的性能得到了明顯提高，各項指標均能滿足普通燒結磚的規范要求。在凍融循環試驗中，各試樣質量損失率均未超過2%。在本文試驗條件下，摻入工業堿渣15%時，燒結磚的抗壓強度可達21.42 MPa，而普通粘土磚為18.23 MPa，抗壓強度提高約17.5%，說明工業堿渣的摻入有效提高了淤泥燒結磚的強度。為了保護耕地節約資源，我國大部分城市禁用粘土燒結制磚，因此利用工業堿渣及淤泥這種固體廢物燒結制磚是一舉多得之舉。