黑臭河道底泥烧结透水砖与性能研究

肖昭文，李翠梅，孙志康，唐一飞

(苏州科技大学环境科学与工程学院，苏州 215000)

0 引 言

一直以来，建筑行业中常规的砖体材料都是取自粘土，而市场的大量需求便造成了国土毁坏，生态受损的现象。在此背景下，国内外不少学者开始研究如何使固体废弃物实现再利用，将废弃的固体材料用于建筑行业中,以此缓解城镇土地过度采用的情形[1-2]。其特性恰好能满足海绵城市对材料的要求，它可以增加城市的透水面积，让雨水更好地存储、渗透，有效地缓解城市内涝及二次用水问题[3]。随着海绵城市的建设和发展，透水性材料的作用显得越发重要。故有不少学者开始投入到对透水性材料的研制当中，将污水厂污泥、粉煤灰、废玻璃等废弃材料制备成透水砖，并且取得了一定的研究成果。但是，目前有关利用黑臭河道底泥制备透水性材料的报道尚未可见。

从2016年起，为落实国务院“水十条”中对于城市黑臭水体整治工作的要求，有关部门开始对各个大小城市的黑臭河道进行排查和整治。在河道的治理工程中，黑臭底泥的清理和处置是工程中的重点和难点。传统的方案是将河道的底泥通过外运填埋或者在沿海地区外运至深海地区倾倒。但是，这样不仅造成了严重的二次环境污染，而且占用了大量的土地资源[4]。

本研究以黑臭河道清理出的底泥作为主要原料，辅以粉煤灰、废玻璃等固体废弃物作为添加剂，研制海绵城市建设所需的透水砖，不仅可以为海绵城市的建设提供一种透水性材料，还能够有效地缓解黑臭底泥的处置难题，加快实现底泥处置的资源化。

1 实 验

1.1 实验材料

(1)黑臭底泥：取自苏州虎丘区某条黑臭河道底泥，经过10 d的暴晒后破碎,筛选出粒径200目的底泥颗粒。

(2)粗骨料：碎卵石，经过破碎筛选出粒径为8～10 mm，清洗烘干。

(3)粉煤灰：购自汇丰材料有限公司，粒径为325目。

(4)胶结材料：废玻璃和水玻璃。废玻璃取自学校装修门窗废弃的碎玻璃，经过破碎筛选出200目；水玻璃购自南京化学试剂有限公司。各原材料的化学成分见表1。

表1 原材料各化学成分含量Table 1 Chemical composition of raw materials /wt%

1.2 实验仪器

该项实验使用的主要仪器有SXZ-14-16箱式电阻炉、全自动压力试验机(无锡东仪制造)、全自动强力试验机(无锡东仪制造)、DHG-9053电热恒温干燥箱、JCM-7000台式扫描电镜。

1.3 试验方法

1.3.1 透水砖的制备流程

透水砖的制备流程见图1。具体情况如下，将采集的河道底泥晾晒干燥后，用球磨机破碎成粒径为200目的底泥灰。将其分成2组，一组在550 ℃条件下煅烧2 h以便去除部分有机质，一组不做煅烧处理。再分别以不同的比例配以其他的材料，将各种称量好的材料混于一起，加入混合材料干重17%的纯净水，再用搅拌机以150 r/min速度搅拌3 min，整个过程加水和搅拌同时进行。待结束后，将混合材料置入40 mm×40 mm×40 mm的制砖模具中，用压力机在一定的压力下使得透水砖样品成型。

成型的透水砖胚体在自然状态下晾置24 h后，将试验样品放置在100 ℃的烘箱中干燥4 h，再将干燥后的样品置于箱式电阻炉中高温煅烧，达到指定温度后停留保温一段时间即可得到成品。图2为上述流程下研制出的透水砖成品图。

图1 透水砖制备流程图
Fig.1 Manufacturing process of permeable bricks

图2 烧结的透水砖成品图
Fig.2 Finished permeable brick

图3 制砖模具(左)和透水系数测定仪(右)图
Fig.3 Photoes of brick mold (left) and water permeability coefficient tester (right)

1.3.2 性能测试

按照JC/T 945—2005《透水砖》(表2)的要求，对该实验的透水砖成品进行了抗压强度、透水系数两项测试(取三个平行样本的平均值)。制定两组试件，40 mm×40 mm×40 mm试件用于抗压强度测试φ50 mm×15 mm试件用于透水系数测试。图3为自制的40 mm×40 mm×40 mm的制砖模具和自制的透水系数测定仪。

表2 透水砖行业标准JC/T 945—2005Table 2 Permeable brick industry standard JC/T 945—2005

2 结果与讨论

2.1 材料配比设计

主要探讨底泥前处理方式(分底泥煅烧和未煅烧处理两种)、底泥掺量、成型压力、保温时间四种因素对透水砖的性能影响情况。其各原材料配比方案如表3所示。

2.2 底泥掺量对透水砖的性能影响研究

控制透水砖样品成型压力20 MPa，烧结温度1150 ℃，保温时间为120 min的条件下，将煅烧处理和未煅烧处理的两种底泥灰分别作为透水砖主原料进行对比实验。采用方案一的原料配比，对不同底泥掺量烧结的透水砖进行分析和研究，其结果如图4所示。

表3 原材料配比方案Table 3 Scheme of raw material ratio /%

注：表中数据均为占总材料干重的百分比,%。

图4 底泥掺量对抗压强度和透水系数的影响
Fig.4 Effect of sludge content on compressive strength and water permeability coefficient

从图4(a)可以看出，未经煅烧处理的底泥灰制成的透水砖，随其掺量不断增加，透水砖的抗压强度逐渐降低，而透水系数则呈现出递增的趋势。这是因为黑臭河道的底泥含有较多的有机质，随着底泥掺量的增加，相应粉煤灰的掺量减少，两者的总有机质却增加了[5]。当在1150 ℃的高温下煅烧，透水砖样品中的有机质得到烧减，内部结构会出现大量的孔隙，从而增加了透水系数，在底泥掺量为60%时，透水系数达到3.23×10-2cm/s。但是，透水砖有机质烧减的同时，也影响到了透水砖内部形成莫来石晶体的紧密程度，从而导致其抗压强度的不断降低。

这个解释可以通过河道底泥和粉煤灰的SEM图(图5)对比得到证明，未经煅烧的河道底泥因为内含各种类别的有机质，多呈现出不规则的形状且粒径较大。而粉煤灰多则呈现出规则的球状体，这意味着粉煤灰颗粒上附着的有机质含量较少。随着底泥掺量的增加，透水砖通过高温煅烧去除的有机质含量会增多，透水砖的造孔率会增加，便呈现出透水系数递增和抗压强度递减的趋势。

从图4(b)可以看出，550 ℃下煅烧处理后的底泥掺量从20%～36%，透水砖抗压强度快速增加；在掺量36%～44%，抗压强度增长速度渐缓，且在底泥掺量为44%时达到最高值37.5 MPa，同时透水系数达到1.68×10-2cm/s，符合透水砖的性能要求。这个可以通过图5的SEM图分析，经过550 ℃的煅烧前处理，底泥灰的颗粒表面比未煅烧的底泥更加圆滑，且已呈现出少部分孔隙。这是因为在经过煅烧处理的底泥已经去除了一定量的有机质，其性质和粘土的性质更为相近。在拌料混合的过程中，其与水玻璃和粉煤灰的水化反应也会更加彻底，高温烧结下的莫来石晶体堆积会愈加紧密[6]。因此，随着底泥掺料的增加其抗压强度也会快速增加。但当底泥掺料达到44%时，由于粗骨料的含量一定，其对抗压强度的贡献值有限，使得整个透水砖的抗压强度已达到上限。随着掺料超过44%时，抗压强度便开始以其缓慢的速度降低。故对于煅烧处理的底泥制备的透水砖，最适宜的底泥掺量是44%。

通过对比图4(a)和图4(b)，发现在同一底泥掺量的条件下，经煅烧处理的底泥制备的透水砖与未经煅烧处理的底泥制备的透水砖相比较，前者的抗压强度要更高，但透水系数相对更低。前者最高抗压强度最高可达37.5 MPa，达到了JC/T 945—2005《透水砖》的抗压强度要求，而后者抗压强度最高为22.8 MPa，透水系数为1.55×10-2cm/s，未达到JC/T 945—2005《透水砖》的抗压强度要求。两种透水砖的透水系数皆满足JC/T 945—2005《透水砖》的最低要求1×10-2cm/s。经煅烧处理的底泥制备的透水砖的透水系数在底泥掺量为44%，透水系数达1.68×10-2cm/s；底泥掺量为60%时，透水系数达1.92×10-2cm/s。这个可以从图6透水砖的SEM图得到解释，底泥未煅烧处理制备的透水砖成孔数量相比较多，成孔率较高，这便造成在同一底泥掺量的条件下，其抗压强度会受到一定的削减影响，导致抗压强度相比较低。

图5 未煅烧的底泥、煅烧的底泥、粉煤灰的SEM图
Fig.5 SEM images of uncalcined sediment, calcined sediment and fly ash

图6 底泥制备透水砖的SEM图
Fig.6 SEM images of permeable brick

2.3 成型压力对透水砖性能的影响研究

采用方案二的材料配比，在1150 ℃下煅烧，保温120 min，不同成型压力下烧结的透水砖性能测试结果见图7。

图7 成型压力对透水砖的抗压强度和透水系数的影响
Fig.7 Effect of molding pressure on compressive strength and water permeability coefficient of permeable bricks

从图7中可知，随着成型压力的增加，透水砖的抗压强度不断升高，而透水系数则呈现出降低的趋势。这是因为在压力机的稳压下，透水砖胚体内的颗粒受到物理作用力挤压而重新开始排列堆积，内部的水分和空气不断被挤出。而随着成型压力的增加，粗骨料的堆积会愈加趋于紧密，形成的空隙会不断被挤压和收缩，这时粒径较小的底泥和粉煤灰在压力的作用下逐渐渗入占据这些本已被挤压的狭小空隙，从而使得整个透水砖胚体里的颗粒结合愈加稳固[7-8]。这就导致了透水砖的抗压强度增强，而由于胚体的孔隙减少，透水系数也随之减少。

从图7可以看出成型压力从5～25 MPa，未经煅烧处理的底泥制备的透水砖的抗压强度快速升高、透水系数快速减小；从25～45 MPa，抗压强度和透水系数有逐渐趋于平缓的趋势。这是因为成型压力达到25 MPa后，透水砖胚体内颗粒紧密堆积的程度开始接近上限值，颗粒的排列变化已不再明显，导致孔隙的变化也不再明显[9]，故透水系数的下降速度开始减缓。综上，对于未煅烧处理的底泥制备的透水砖最适宜的成型压力是25 MPa。对于经煅烧处理的底泥制备的透水砖同样出现了上述的情况，但是因其有机质的含量较少，高温煅烧过程中成孔率较低，透水系数和抗压强度是在21 MPa后开始有趋于平缓的趋势。所以，对于经煅烧处理的底泥制备的透水砖，其最佳成型压力是21 MPa。

2.4 保温时间对透水砖的性能影响研究

控制烧结温度为1150 ℃、成型压力20 MPa，采用方案二的材料配比制备不同保温时间下的透水砖，其性能测试结果见图8。从图8(a)和8(b)可以看出透水砖的抗压强度皆随保温时间的增加而增加，这是因为作为胶结材料的水玻璃在高温下会加速发挥胶结凝固的特性[10]。而随着保温时间的增长，水玻璃与其他原材料会拥有更加充分的反应时间，各种粒径不一的颗粒会连接愈加牢固，颗粒之间的粘结力会加大，故抗压强度会持续增加[11]。

图8 保温时间对透水砖抗压强度和透水系数的影响
Fig.8 Effect of holding time on compressive strength and water permeability coefficient of permeable bricks

图9 不同保温时间下烧结的透水砖样品(底泥为煅烧处理过)SEM照片
Fig.9 SEM images of permeable bricks (calculated sediment) sintered with different holding time

而透水砖样品的透水系数则呈现出先升高后降低的趋势，图8(a)和图8(b)表明透水砖的透水系数分别在保温时间180 min、150 min达到了最大值为2.6×10-2cm/s、1.41×10-2cm/s，之后便开始呈现出递减的趋势。这可以解释为随着保温时间的增加，底泥与粉煤灰颗粒中所含有的有机质在高温下持续地烧减，造成透水砖内的孔隙直径增大，水流更通畅，透水系数增加[11-12]。而当保温达到了一定的时间(180 min或150 min)，有机质的去处率达到了较高值，透水砖的成孔速度减缓，水玻璃在高温下开始以液相的形式渗透进各个颗粒孔隙之间，造成了内部细颗粒粘结收缩增大，孔隙率降低，固其透水系数开始减小[13]。这个可以从图9的SEM照片进一步得到证明，透水砖样品的孔隙直径大小排列顺序为(b)>(a)>(c)。

综上，对于未经煅烧处理的底泥制备的透水砖最佳保温时间是180 min；对于经煅烧处理的底泥制备的透水砖最佳保温时间是150 min。

3 结 论

(1)底泥掺量在20%～60%区间，采用不做550 ℃煅烧处理的底泥制备的透水砖，其抗压强度无法达到JC/T 945—2005《透水砖》最低要求Cc30。该成品不适用于承载力较大的道路铺装，如若通过后期的表观处理，增加规则的砖面纹理，减少蜂窝、露石面积，亦可用作园艺小区、公园人行道、河道驳岸的透水铺装。

(2)当底泥掺量为44%时，在成型压力20 MPa，煅烧温度1150 ℃，保温120 min条件下，采用550 ℃煅烧处理的底泥制备出了透水砖成品。其抗压强度可达到37.5 MPa，透水系数为1.68×10-2cm/s，满足JC/T 945—2005《透水砖》Cc35抗压强度和透水系数相关要求。该成品表面平整、棱角整齐，稍加表观处理即可用作非机动车车行道、轻型车辆车行道、广场、步行街的透水铺装。

(3)随着成型压力的增加，两种透水砖的性能变化表现出相同的规律，抗压强度递增的速度先大后小，透水系数递减的速度也是先大后小。对于采用未经煅烧处理的底泥制备的透水砖，最佳的成型压力为25 MPa；对于采用经煅烧处理的底泥制备的透水砖，最佳成型压力为21 MPa。

(4)随着保温时间的增长，两种透水砖的性能变化表现出相同的规律，抗压强强度递增，透水系数先增大后减小。对于采用未经煅烧处理的底泥制备的透水砖，最佳保温时间为180 min；对于采用经煅烧处理的底泥制备的透水砖，最佳保温时间为150 min。