河道底泥制备新型环保材料的实验研究*

李佳玲

(上海理工大学环境与建筑学院，上海　200093)



河道底泥制备新型环保材料的实验研究*

李佳玲

(上海理工大学环境与建筑学院，上海200093)

以受重金属污染的河道底泥为主要原料，水泥、沸石粉等为添加剂，采用免烧结工艺制备新型环保材料。通过正交试验考察了河道底泥、水泥及水灰比等因素对材料抗压强度的影响，结果表明：水泥含量对材料抗压强度影响最大，其次为底泥量、水灰比；免烧砖最佳配比为底泥50%，水泥20%，水灰比为0.36时，其7 d抗压强度为7.5 MPa，28 d抗压强度达10.1 MPa，重金属浸出浓度达地表水环境质量标准中I类水体标准。

底泥；免烧结；正交试验；抗压强度；浸出毒性

目前，河道底泥资源化利用主要包括土地利用、制作建筑材料、制作污水处理材料、固化后作填方材料[1]。底泥在土地利用时要选择合理的植物、位置，控制底泥单位面积的施用量，还要考虑其对地下水、地表水、土壤可能造成的影响。底泥制作污水处理材料不能消纳大量的底泥。固化后作填方材料则存在固化体强度不高，重金属浸出率高等问题[2]。2012年，国家发改委宣布，我国将在“十二五”期间在上海等数百个城市和相关县城逐步限制使用粘土制品或禁用实心粘土砖。这为疏浚底泥替代黏土制作建筑材料提供了良好的契机，既可以实现底泥的资源化，又可以减缓建材制造业与农业争土。然而底泥作建筑材料大多采用高温烧结工艺，不仅消耗大量能源，还可能造成大气污染[3]。

本文采用上海复兴岛河道底泥为主要原料，将其制备具有一定力学性能及孔隙的免烧砖，以抗压强度为指标，通过正交分析确定材料配比，并重点检测分析底泥免烧砖重金属浸出毒性。

1　材料与方法

1.1原材料

试验用河道底泥取自上海复兴岛运河-海安路断面，底泥采集后保存于聚乙烯塑料桶中，静置96 h后倒出上覆水，去除砾石颗粒等杂质，制得试验用底泥样品。上海海螺水泥有限责任公司42.5#普通硅酸盐水泥作为主要黏结剂、固化剂；采用发泡剂致孔，沸石粉、石膏等作为添加剂，适宜掺量可改善混凝土拌合物和易性，提高水泥混凝土的强度[4]。

1.2底泥免烧砖的制备

添加剂量为沸石粉10%，沸石10%，石膏2.5%，发泡剂/水为0.2%。采用正交试验确定材料配比，因素水平表见表1。

表1　因素水平表

免烧砖制备步骤：底泥样品自然风干后粉碎过200目筛，按表1所示配比与水泥、沸石粉、石膏、水等混合均匀，搅拌约10 min后注入40×40×160 mm三联模中，在胶砂振动台上振动数分钟，自然条件下养护24 h后脱模；用保鲜膜包住试块，放入养护箱内标准养护7～28 d后置于水中浸泡约24 h，取出，自然风干即得底泥免烧砖。

1.3实验方法

底泥样品、免烧砖重金属浸出毒性实验参照《固体废物浸出毒性浸出方法-醋酸缓冲溶液法》规定的浸出方法，采用ICP-MS测定浸出液中Cu、Pb等重金属浸出浓度。

2　结果与分析

2.1底泥化学性质

本试验所用底泥样品烧失率：4.43%，pH：7.75，干基化学成分主要为SiO2(63.78%)，Al2O3(15.98%)，Fe2O3(5.74%)，CaO(5.30%)，MgO(3.27%)，K2O(3.12%)，其组成与粘土相似。底泥重金属浸出浓度见表2。底泥样品中Cu、Cd的浸出浓度超过GB3838-2002《地表水环境质量标准》中的V类水体标准，若底泥随意弃置，重金属重新释放进入环境，造成新的污染。

表2底泥重金属浸出浓度

Table 2　Heavy mental content of leachate from sediment (mg/L)

2.2正交结果和极差分析

表3　正交实验结果

正交试验以材料7 d及28 d抗压强度为考核指标，强度越高免烧砖性能越好。各因素正交实验结果见表3。所考察的3个因素中，水泥含量对材料抗压强度影响最大，其次是底泥含量与水灰比。免烧砖7 d与28 d的抗压强度最佳配比为A1B3C1，且随着养护时间的延长，材料抗压强度增大。

2.3单因素分析

材料抗压强度随各因素的变化如图1所示。

图1　抗压强度随各因素各水平的变化

由图1可知：(1)随着底泥含量的增加，材料抗压强度减小。为提高底泥资源化利用率，本文底泥添加量选为50%；(2)根据表3正交结果得出水泥含量优选为25%，但由图1可知， 当水泥含量从15%增加至20%时，材料抗压强度增加趋势较水泥含量从20%增加至25%时更为明显。少量沸石粉替代水泥添加到免烧砖中，沸石粉的火山灰活性在后期被激发，生成相应的水化产物对免烧砖后期强度发展有利。考虑免烧砖制备经济成本，本文水泥含量选为20%；(3)增加材料水灰比，其抗压强度减小。水灰比过大时，新生成的胶体水泥浆浓度低，水化后混凝土体内的多余游离水分着在骨料上，胶体与骨料粘结面积减小，粘结力下降，混凝土硬化时会产生细小裂纹，从而降低了混凝土强度。水灰比过小时，胶体和晶体的材料不能充分形成，混凝土和易性差，混凝土振捣、密实很困难，如果在混凝土充分硬化后未水化水泥再遇水发生水化作用，水化产物造成的膨胀应力作用便有可能造成混凝土的开裂。本实验结合材料制备时和易性，水灰比选为0.36。

2.4扫描电镜(SEM)分析

对底泥及养护7 d、28 d的免烧砖进行SEM分析，结果如图2所示。河道底泥呈松散状态，颗粒及孔隙清楚。随着水泥的加入，水化反应开始，在颗粒表面形成很薄的一层纤维状水化硅酸钙等晶体。水化反应继续，晶体越来越大并在空间中搭桥，赋予底泥砖一定的强度。随着养护时间的延长，水泥中硅酸二钙等进一步水化，同时水化反应生成的Ca(OH)2与底泥、沸石粉中的活性SiO2和Al2O3反应，溶液中析出新的晶体和水化硅酸钙凝胶不断充满在结构的空间中，免烧砖的强度也不断增加。整个反应过程中，由于发泡剂的加入，使得免烧砖仍保留孔隙结构。

图2　底泥和养护7 d、28 d的免烧砖SEM表征图

2.5重金属浸出毒性

免烧砖重金属浸出毒性结果见表4,其重金属浸出浓度较底泥有了大幅度的降低，可达I类水体标准。这主要是因为水泥水化作用将重金属污染底泥包裹起来并相互交联，形成稳定的包裹体，从而使得重金属离子难以浸出，形成一种稳定的固化体[5]。

表4重金属浸出毒性结果

Table 4Heavy mental leaching toxicity results

(mg/L)

3　结　论

(1)免烧砖抗压强度随着水泥添加量的增大而增大，随底泥添加量、水灰比的增加而减小。极差分析和方差分析所得结果一致：水泥含量对材料抗压强度影响最为显著，其次为底泥添加量、水灰比。

(2)综合极差分析、单因素分析及经济性考虑，免烧砖最佳配比为底泥50%、水泥20%、水灰比0.36、沸石粉10%，沸石10%，石膏2.5%，发泡剂/水为0.2%。底泥浸出液中Cu、Cd的浓度超出地表水环境质量V类水质标准，免烧砖在最佳配比时7 d抗压强度为7.5 MPa，28 d抗压强度为10.1 MPa，重金属浸出浓度可达I类水质标准，底泥中的重金属固化效果良好。

[1]梁启斌,邓志华,崔亚伟. 环保疏浚底泥资源化利用研究进展[J].中国资源综合利用,2010,28(12):23-26.

[2]魏国侠,刘汉桥,王少龙,等.电石渣固化河道底泥的试验研究[J].环境卫生,2010,18(2):1-3.

[3]Yang Xu, Chang hong Yan, Baotian Xu, et al.The use of urban river sediments as a primary raw material in the production of highly insulating brick[J]. Ceramics International,2014:8833-8840.

[4]刘健,许金余,罗鑫,等.矿物掺合料对碱矿渣粉煤灰胶凝材料改性研究[J].新型建筑材料,2011(10):12-14.

[5]王川,杨朝晖,曾光明,等.DTCR协同水泥固化/稳定化重金属污染底泥的研究[J].中国环境科学,2012,32(11):2060-2066.

Experiment on A New Environmentally Friendly Material Making from River Sediment*

LIJia-ling

(School of Environment and Architecture, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

Bricks were prepared through non-sintered process by using river sediment containing heavy metals. Effects of water-cement ratio and mixing proportion of river sediment, cement on brick compressive strength were studied. Results showed that after 28 day conservation period, compressive strength could reach 10.1 MPa with sediment, cement and water-cement ratio were 50%, 20%, 0.36, respectively. The heavy metals leaching level reached the I Standard of Environmental Quality Standard for Surface Water.

sediment; non-sintered; orthogonal experiments; compressive strength; leaching toxicity

上海市科委重点支撑项目(No:13230502300)。

李佳玲(1993-)，女，硕士研究生，研究方向为水污染控制。

X705

A

1001-9677(2016)03-0041-03