淤泥免烧结建筑砌块研制

徐鹏，董帅志，黄仁乐，房祥然，郎小伟，左小晗，詹炳根

（合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009）

0 前言

淤泥是以含水铝硅酸盐为主的多种矿物的混合物，是-种资源量丰富且可大规模利用的新型矿产资源。其具有粒径细、含沙量低、塑性指数较高等特点[1]。目前,国内较为常用的河湖清淤方法主要有干式清淤、半干式清淤和湿式清淤3种[2],然而清除出的大量淤泥却得不到合适的处理，很有可能造成二次污染，因此淤泥的应用问题就显得尤为重要。经调查，我国的污泥处置大部分以农用、填埋或焚烧处置,在制备建筑材料方面的应用很少。

湖沼等淤泥中掺入耐火原料,调整成分,可用作烧结砖的主要原料,提高其配合量,还有助于节省砖用黏土资源和减少对环境的影响[3],通常来说,河道每隔三四年就要清淤,国家每年都要拿出一部分专项资金用于淤泥处理，劳民伤财，还要解决淤泥堆放问题，而利用淤泥制砖，能使淤泥成为建材企业争相竞争的原材料，成本低廉且来源广泛。淤泥制砖的实施,可以解决清水河道工程中疏浚土方的出路,是保证河道整治工程顺利开展的有效途径[4]。但目前国内利用淤泥制砖基本都是靠烧结处理，而烧结流程造成污染且能耗严重。用淤泥烧制烧结砖过程中,一定细度的淤泥原料,通过掺入粉煤灰控制塑性指数,以适当的焙烧温度（950～1050℃）保温30min以上,原料内氧化铁含量低于7%,基本都能制得良好的烧结砖[5]。但如果要求较高质量烧结砖的时候，就必须严格控制各种因素，这就限制了淤泥烧结砖的广泛生产。

利用淤泥生产免烧结砌块在国内可以说是相对空白的一部分，大部分是以脱水淤泥为主要原料，经系列免烧结工艺制得陶粒[6]，再以淤泥制成的陶粒为原材料制作砌块，但该类砌块具有强度低且耐水性差的缺点，很难运用到房屋建材中，目前运用的主要对象还是边坡维护砌块。但不容忽视的问题是，城市淤泥处置极为困难,淤泥制砌块进行资源化利用具有重要意义,同时为解决砌块应用问题[7]。因此解决淤泥砌块强度低、耐水性差等问题显得尤为重要，亦是变废为宝的关键一步。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

实验原材料以取自合肥逍遥津内湖泊的淤泥和实验室的一种的新型胶凝材料以及一种高效减水剂。

本试验将一定含水率的淤泥与胶凝材料混合搅拌均匀，制成淤泥改性料，测量淤泥和淤泥改性料的各项参数。（具体配合比见表1）

配合比 表1

1.2 试验方法

①淤泥天然含水率测量方法参照《土工试验方法标准》（GB/T50123-1999）；

②淤泥塑限指数测量方法参照《土工试验方法标准》（GB/T50123-1999）；

③淤泥颗粒级配测量方法参照《土工试验方法标准》（GB/T50123-1999）；

④淤泥改性料流动度测量利用砂浆扩展度测定仪；《水泥胶砂流动度测定方法》（GB/T2419-2005）；

⑤淤泥改性料抗折抗压强度测量方法参照《水泥胶砂强度检验方法》（GB/T17671-1999）；

⑥淤泥改性料耐水性测量方法参照规范《混凝土实心砖》（GB/T21144-2007）。

2 试验结果与分析

2.1 淤泥性能测试研究

2.1.1 颗粒级配

实验所需的淤泥需经破碎、烘干、过筛（2mm），其粒径级配见表2。

粒径分布 表2

计算出该淤泥土的不均匀系数Cu=3.33；形状曲率系数Cc=1.66；得出该土为级配不良。

2.1.2 液塑限指数

参照《土工试验方法标准》（GB/T50123-1999）中液、塑限联合测定法测定淤泥塑性指数，以圆锥仪下沉深度为横坐标，含水率为纵坐标，建立双对数坐标，计算出圆锥仪下沉深度分别为2mm、10mm时淤泥的含水率，即

塑限WP=23.20；

液限WL=37.50；

LP=14.3；LL=4.41;

对比规范《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63-2007）得出该土天然状态下为流塑状态。

2.2 淤泥改性料试件强度

2.2.1 流动性

结合试验得出，在淤泥改性料的制备时通过添加减水剂和控制淤泥含水率，使淤泥改性料在入模时能够拥有适当的流动性，制得最终的淤泥改性料的流动性如图1所示。

图1 流动性随含水率的变化曲线

分析数据得，淤泥改性料在一定的范围内随着胶凝材料掺入量的提高，改性料的稠度提高，且胶凝材料能把淤泥中的水分吸收，促使流动度逐渐降低，而随着改性料含水率的提高改性料得到稀释，胶凝材料将自由水固定的量，因此淤泥改性料的流动度有一定程度的提高，且在随着流动度的提高，改性料制成的试件成型时间相对缩短。得到含水率为45%左右时能够顺利灌入试模中。

2.2.2 试件强度

根据试验测出各组不同含水率，不同胶凝材料掺量的试件抗折抗压强度，将试验数据结果进行整理得到下列变化曲线图如图2、图3所示。

图2 28d抗折强度变化曲线图

图3 28d抗压强度变化曲线图

整合上述图表和结论得，当胶凝材料掺入量相同时，随着含水率的降低，试件中的自由水含量降低，改性料的稠度较低，但试件成型后，试件的28d抗折强度基本相同，抗压强度有明显的提高。值得一提的是当胶凝材料的掺量为8%，含水率为50%时，试件的抗压强度在测试时，不断被压坏，无法测量试件抗压强度。当淤泥改性料的含水率一定时，随着胶凝材料的掺量增大时，胶凝材料结合淤泥中的自由水分增多，促使更多的自由水转变为结合水，使试件的抗折抗压强度相对提高。当胶凝材料的掺入量为10%时，含水率为40%的试件抗折抗压强度相对于另外两组有明显提高，且此时的改性料的流动度相对较好，虽然胶凝材料掺入量为12%时试件的强度比掺入量为8%的同含水率试件强度要高，但考虑到胶凝材料的经济性和改性料的流动度情况，选取胶凝材料掺量为15%、含水率为45%的改性料制作砌块。

2.3 淤泥改性料耐水性实验

由测出的软化系数绘制出软化系数随含水率变化曲线如图4所示。

图4 软化系数变化曲线

分析数据得，当胶凝材料掺入量一定时，随着含水率的提高，试件中的自由水含量增大。进行耐水性实验时，试件软化相对严重，试件的软化系数逐渐降低，耐水性下降，当含水率一定时，随着胶凝材料的掺入量的增多，试件的软化系数有显著提高，耐水性逐渐变好，由此可知，胶凝材料对试件的耐水性有一定提高作用。

2.4 淤泥建筑砌块的制作与性能

考虑到胶凝材料的经济性和淤泥改性料的流动性的要求，选用胶凝材料掺入量为10%的胶凝材料参数和含水率为45%制成与淤泥建筑砌块，建筑砌块规格为，测定砌块的抗压强度平均值为3.82MPa。

3 结论

本文在对以合肥逍遥津湖泊淤泥为原材料的生产砌块进行研究，在原材料的天然含水率、塑性指数和粒径指数等理化性质分析的基础上，得出淤泥的理化性质与粘土接近，但塑性指数较高，结合新型胶凝材料制成淤泥改性料试件，测试改性料的流动性，发现改性料的流动性较差，试件成型时间较长，紧接着分析试件的强度情况，整理试件强度和耐水性随胶凝材料掺入量和含水率的变化情况，在上述分析的基础上，结合经济性和和易性的情况选出较优配合比10%胶凝材料掺入比和45%含水率的淤泥改性料制成砌块，测量砌块的抗压强度，知实验砌块的强度超过同类砌块，同时砌块强度同石膏空心砌块相比，已达到石膏空心砌块标准≥3.5Mpa。具体结论如下：

①淤泥土的粒径分布和塑性指数等理化性质同粘土类似，可用于生产砖砌体；

②淤泥改性料的流动度相对较低，是由于胶凝材料结合淤泥中的自由水促使流动度较低，可通过增加减水剂或适当提高淤泥含水率调整流动度；

③当试件中含水率较低时，试件的强度虽然较高，但试件流动性差，成型时间长，不利于生产；

④胶凝材料的掺入量增多，结合淤泥中更多的自由水使成为结合水，提高试件强度，但如果试件中的自由水比例过大，试件会强度过低甚至难以成型；

⑤淤泥改性料的耐水性随着胶凝材料的比例增大时，提升很明显，当胶凝材料过低时，耐水性明显不符合标准，砌块只能用于气候干燥地区，但胶凝材料高于10%时，具有同类石膏砌块的耐水性；

⑥制得的砌块强度大于3.5MPa，且改性料的软化系数和流动度均较好，砌块可以进行小规模生产，有益于淤泥处理。