摻合料改性湖泊淤泥燒結(jié)駁岸砌塊的研究

摻合料改性湖泊淤泥燒結(jié)駁岸砌塊的研究

近年來，隨著我國湖泊管理的加強(qiáng)，每年都會對大量湖泊污泥進(jìn)行疏浚。如何有效利用污泥對生態(tài)環(huán)境的循環(huán)和保護(hù)非常重要。傳統(tǒng)的處理方法包括填埋、焚燒和拋海。不僅處理成本高，而且占用土壤資源，因此很容易造成二次污染。目前,有關(guān)淤泥燒結(jié)砌塊的研究主要集中在作為墻體保溫材料.湖泊淤泥顆粒較細(xì)并含有一定量有機(jī)質(zhì),燒結(jié)磚、砌塊具有較好的隔熱保溫效果,能滿足建筑材料輕質(zhì)、高強(qiáng),節(jié)能、環(huán)保的要求.Chiang等目前,國內(nèi)外還沒有將淤泥燒結(jié)砌塊應(yīng)用于生態(tài)護(hù)岸的相關(guān)研究.作為護(hù)岸材料,需要優(yōu)異的耐久性,較高的抗壓強(qiáng)度,而湖泊淤泥塑性指數(shù)高,干燥收縮大,燒結(jié)制品強(qiáng)度低1原材料和試驗方法1.1工藝流程及關(guān)鍵環(huán)境實驗室制備淤泥燒結(jié)樣磚的主要原料為湖泊淤泥,選擇頁巖、煤矸石、煤渣、磚粉、煤粉作為摻合料.其中,湖泊淤泥取自江蘇省長蕩湖,由于含有貝殼等雜質(zhì),湖泊淤泥需要進(jìn)行除雜處理,工藝流程包括,稀釋、除雜、沉淀、脫水、入庫;頁巖來自于當(dāng)?shù)氐牡V山廢棄物,煤矸石和煤渣取自當(dāng)?shù)責(zé)犭姀S,磚粉是破碎燒結(jié)砌塊廢品而得到,來源均較為廣泛.對本試驗所用原料均經(jīng)過烘干、破碎、過篩(2mm)后備用.根據(jù)GB/T50123-2007《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》,燒結(jié)磚原料合適的塑性指數(shù)為7~15.采用液、塑限聯(lián)合測定法測得湖泊淤泥的塑性指數(shù)為15.8,超過標(biāo)準(zhǔn)要求.較大的塑性指數(shù)會導(dǎo)致較大的干燥收縮,坯體在干燥過程中容易產(chǎn)生開裂、變形等問題,因此,需要選擇合適的摻合料來降低混合料的塑性,減少磚坯的干燥收縮.1.1.1由阿拉伯組成根據(jù)之前有關(guān)湖泊淤泥燒結(jié)磚的研究,湖泊淤泥由石英、鈉長石、白云母等礦物組成1.1.2由氧化還原采用X射線熒光光譜儀(XRF)對原材料的化學(xué)組成進(jìn)行測試,表1是6種原材料的氧化物組成.可以看出,淤泥的主要氧化物為SiO1.2煤粉駁岸磚的成型試驗配合比見表2,其中D代表淤泥,S代表頁巖,G代表煤矸石,C代表煤渣,B代表磚粉,M代表煤粉.將原材料按照一定的比例混合均勻、加水、攪拌、陳化三天后使用.為了研究內(nèi)燃料對淤泥燒結(jié)駁岸磚性能的影響,在頁巖組摻入了2%的煤粉作為內(nèi)燃料.采用小型真空擠壓機(jī)對陳化后的混合料進(jìn)行塑性擠出成型,成型壓力、真空度、成型含水率分別控制在1.5MPa、-0.075MPa和18%.最后,用鋼絲將泥條切成長、寬、高為100mm×28mm×17mm的磚坯.將成型后的濕坯先在室溫下放置24h,然后送入鼓風(fēng)干燥箱中干燥,升溫速度控制在10℃/h左右,并在最高溫度105℃恒溫4h,保證濕坯充分干燥.干燥后的干坯放入馬弗爐中焙燒,控制升溫速度小于100℃/h,在燒結(jié)溫度925℃下保溫2h,然后隨爐冷卻.2結(jié)果和討論2.1樣磚的外觀質(zhì)量焙燒得到的6組淤泥燒結(jié)樣磚如圖1所示.純淤泥樣磚和摻入10%頁巖的樣磚有最好的外觀質(zhì)量,但是純淤泥樣磚有一定的變形;摻入10%煤渣、10%磚粉、2%煤粉的樣磚外觀質(zhì)量其次;摻入10%煤矸石的樣磚外觀質(zhì)量較差,表面有一些白色顆粒,這是因為煤矸石在焙燒過程中產(chǎn)生了較多的CaO,易產(chǎn)生石灰爆裂.表3為6組樣磚的物理力學(xué)性能.2.1.1線性干燥收縮在干燥過程中,伴隨著濕坯內(nèi)部水分的排出,磚坯產(chǎn)生一定量的干燥收縮2.1.2燃燒損失和體積密度在焙燒過程中,由于高溫作用下磚坯內(nèi)部發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)由表3可以看出,純淤泥燒結(jié)磚的體積密度較大,為1.718g/cm2.1.3摻合料的篩選抗壓強(qiáng)度對燒結(jié)磚質(zhì)量的好壞影響較大.從表3可以看出,純淤泥燒結(jié)樣磚的抗壓為26.9MPa,這與純淤泥沒有較大的顆粒作為骨架有關(guān).分別摻入10%頁巖、10%磚粉的樣磚抗壓強(qiáng)度分別為32.8MPa、32.3MPa,相比純淤泥組有較大提高.考慮到駁岸砌塊的強(qiáng)度要求,頁巖和磚粉是較為合適的摻合料.添加2%煤粉的燒結(jié)磚的抗壓強(qiáng)度有所降低.摻入煤矸石和煤渣的抗壓強(qiáng)度與純淤泥組相差不大,分別為23.9MPa和25MPa,主要是因為煤矸石和煤渣雖然作為瘠性料,但是燒失量較大,不利于強(qiáng)度的提高.因此,煤矸石和煤渣不是湖泊淤泥燒結(jié)駁岸磚合適的摻合料.2.1.4樣品的吸水率吸水率是決定燒結(jié)磚耐久性的重要指標(biāo),高的吸水率導(dǎo)致更多的水分進(jìn)入磚內(nèi)部,可能會加速材料的破壞.6組燒結(jié)樣磚的吸水率見表3所示.相對于純淤泥組,摻入頁巖和磚粉的樣磚的吸水率稍有增加,分別為15.68%、15.72%,主要因為頁巖和磚粉在燒結(jié)后殘留部分未反應(yīng)的顆粒,相比于玻璃相有稍疏松的結(jié)構(gòu),但滿足國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T13545-2014《燒結(jié)空心磚和空心砌塊》中吸水率小于16%的要求.摻入煤矸石、煤渣或煤粉的樣磚的燒失量較大,有較多的孔隙,吸水率也較大.2.1.5樣磚的抗凍融性能燒結(jié)砌塊抵抗凍融破壞的能力是表征其耐久性的重要指標(biāo)圖3是經(jīng)歷125次凍融循環(huán)后的6組樣磚.部分純淤泥燒結(jié)樣磚出現(xiàn)了少量裂紋,這主要是由于沒有摻入瘠性料,樣磚的強(qiáng)度較低.摻入10%煤矸石的樣磚由于有較大的孔隙,導(dǎo)致樣磚表面缺陷較多且質(zhì)量損失較大.摻入10%煤渣樣磚的棱角存在破損.分別摻入10%頁巖、10%磚粉的樣磚的表面質(zhì)量良好,具有優(yōu)良的抗凍融性能.2.2氧化鐵燒結(jié)樣磚的形貌與性能圖4是分別摻入10%頁巖和10%磚粉的燒結(jié)樣磚的礦物組成.可以看出,兩組燒結(jié)磚的礦物組成基本一致,主要由石英,赤鐵礦,鈉長石等組成.其中,石英為樣磚的主要礦物相;燒結(jié)樣磚中出現(xiàn)氧化鐵,這主要是氫氧化鐵分解產(chǎn)生.氧化鐵決定樣磚的顏色,隨著氧化鐵含量的增加,燒結(jié)樣磚的顏色變紅.鈉長石在燒結(jié)過程中起到助熔作用,在高溫下不分解圖5分別是純淤泥、摻入10%頁巖和10%煤矸石的燒結(jié)樣磚的SEM圖像.在圖6(a)中,由于湖泊淤泥顆粒較細(xì),在焙燒過程中形成較多的玻璃相,樣磚有較為密實的結(jié)構(gòu),其吸水率較低.在摻入10%頁巖的樣磚中,頁巖顆粒作為骨架,熔融的玻璃相包裹頁巖顆粒,樣磚有較高的抗壓強(qiáng)度和優(yōu)異的抗凍融性能.由于煤矸石有較高的發(fā)熱量,添加10%的煤矸石的樣磚有較多的玻璃相,煤矸石燃燒后形成較為疏松的結(jié)構(gòu),如圖6(c)所示,導(dǎo)致樣磚的抗壓強(qiáng)度較低,吸水率較高,抗凍融性能較差.2.3結(jié)構(gòu)及性能要求根據(jù)以上原材料優(yōu)選的結(jié)果,在生產(chǎn)線上以湖泊淤泥和頁巖進(jìn)行駁岸砌塊的中試生產(chǎn),研究生產(chǎn)的產(chǎn)品是否滿足駁岸砌塊的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn).將料場堆放的湖泊淤泥和頁巖破碎、過3mm篩備用,這是因為實際生產(chǎn)中的擠壓機(jī)有更高的成型壓力和真空度,原料顆?？蛇m當(dāng)粗化,節(jié)約成本;根據(jù)實驗室和生產(chǎn)線關(guān)于頁巖摻量的優(yōu)化實驗,在淤泥中摻入20%的頁巖最為合適;混合料經(jīng)加水拌和、陳化、成型、干燥、預(yù)熱、焙燒等工藝步驟制備淤泥燒結(jié)駁岸砌塊,如圖6所示,中試生產(chǎn)的成型含水量和成型壓力分別控制在17%和2MPa,真空度大于92%.由于燒結(jié)砌塊應(yīng)用于涉水環(huán)境,對其耐久性和強(qiáng)度有較高的要求.根據(jù)“太湖流域水環(huán)境治理—金壇市河道疏浚工程”關(guān)于駁岸砌塊的性能指標(biāo)說明和GB/T13545-2014《燒結(jié)空心磚和空心砌塊》,要求駁岸砌塊的橫向強(qiáng)度≥5.0MPa、縱向抗壓強(qiáng)度≥7.0MPa;吸水率≤16%;50次凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失≤2.0%.生產(chǎn)線上制備的淤泥燒結(jié)駁岸砌塊如圖7(a)所示.駁岸砌塊的尺寸為290mm×190mm×190mm,孔洞率為60%,其外觀質(zhì)量較好,表面平整無裂紋;橫向、縱向的平均抗壓強(qiáng)度分別為5.7MPa和8.3MPa;吸水率為12.7%;砌塊經(jīng)歷125次凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失為1.72%,并保持較好的外觀.因此,燒結(jié)砌塊性能滿足水利工程和國家標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求.目前,淤泥燒結(jié)駁岸砌塊已在金壇地區(qū)的生態(tài)河道護(hù)岸工程中得到應(yīng)用,如圖7(b)所示.與傳統(tǒng)河道護(hù)岸相比,淤泥駁岸砌塊護(hù)岸取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益,實現(xiàn)了對河流的綜合治理,滿足城市兼顧防洪、生態(tài)等功能,并且淤泥燒結(jié)砌塊為柔和的磚紅色,改變傳統(tǒng)護(hù)岸單一的灰色調(diào),形成了優(yōu)美的風(fēng)景線.3樣磚的試樣制備在實驗室條件下,研究了以湖泊淤泥為主要原材料,以頁巖、煤矸石、煤渣、磚粉、煤粉作為摻合料燒結(jié)生態(tài)駁岸磚的可行性.對比不同組樣磚的抗壓強(qiáng)度、吸水率等性能,發(fā)現(xiàn)分別摻入10%頁巖和10%磚粉的樣磚的抗壓強(qiáng)度分別為32.8MPa、32.3MPa,吸水率分別為15.68%和15.72%,經(jīng)歷125次凍融循環(huán)的樣磚的質(zhì)量損失