河湖淤泥制备烧结砖的研究进展

2021-01-13崔敬轩何捷聂卿邸杨杨占斌

中国建材科技 2020年5期

崔敬轩何捷聂卿邸杨杨占斌

（中国建筑材料科学研究总院有限公司，北京 100024）

我国河流湖泊众多，底泥污染严重，为加快生态文明建设，河湖生态环境备受重视。从2015年4月颁布《水污染防治行动计划》（简称“水十条”）以来，全国广泛开展了以消除黑臭水体为主要目标的水环境综合治理工程[1-5]，同时产生了数量巨大的河湖淤泥。河湖淤泥含水率高[6-7]、强度低，往往含有病原菌、重金属[8]和有毒有害难降解有机物等有害成分，必须对其进行安全、妥善处理与处置[9-10]。

近年来，河湖淤泥的处理处置及资源化问题一直是学者研究的热点，主要方向有填埋、土地利用、建材化利用等。底泥脱水填埋需占用大量宝贵的土地资源，实属无奈之举，土地利用则有二次污染的风险，同时消纳量有限，而利用河湖淤泥生产新型建筑材料是其资源化利用的主要途径之一。

烧结砖工业作为墙体材料行业的主体，是国家重要的原材料和基础工业。随着国家墙材革新与建筑节能改策的不断调整，各级政府出台了若干文件禁止采取耕地黏土生产砖等墙体材料[11]，烧结砖行业的制砖原料已从原来的单一黏土向资源综合利用方向发展，有煤矸石、炉渣、粉煤灰、江河湖淤泥等各种工业废弃物[12]。本文综述了河湖淤泥制备烧结砖和非烧结砖的研究现状，对淤泥制砖的生产工艺及产品性能进行了总结分析，并对淤泥制砖全过程环境风险控制提出展望，以期为砖瓦企业利用河湖淤泥制砖提供技术参考，为河湖淤泥建材化利用研究提供借鉴。

1 河湖淤泥制备烧结砖的可行性

烧结砖是传统的主要建筑材料之一，主要包括烧结普通砖、多孔砖、空心砖和烧结空心砌块等种类，根据主要原料分类主要有黏土砖、页岩砖、煤矸石砖、粉煤灰砖等。其中，烧结砖原料的主要成分及含量范围见表1。

河湖淤泥的主要成分为SiO2和Al2O3等氧化物，含量在40.00%-73.63%和10.09%-20.30%，其中，67%以上的淤泥样品中SiO2的含量大于60%，同时含有一定含量的Na2O、K2O、CaO、MgO等助熔剂氧化物，与烧结砖的制备原料组分十分相似，具备建材资源化制砖的可能。表2列出了部分河湖淤泥的主要化学成分。

关于烧结砖的原料配比的研究较多，河湖淤泥的主要成分基本满足制砖原料的要求，Liu等[22]通过优化以河道淤泥和固体废料为主要原料制作的淤泥烧结多孔砖制砖方案，实现从20%～50%的河道淤泥掺量到100%使用量的突破。范冬冬[23]利用100%巢湖淤泥、翁晶晶[24]和王智宇[25]利用100%三江（甬江、奉化江、余姚江）河道淤泥制备烧结砖，均得到性能指标符合《烧结普通砖》要求的烧结砖产品。考虑到各地淤泥性质差异，可能存在部分淤泥组成成分偏离最佳范围的情况（如SiO2含量偏低、Al2O3含量偏高、烧失量偏大等），研究人员通过掺加其他工业固废，如粉煤灰[17，26-27]、木屑[28]、煤矸石[29]、生活污泥[30]等进行配比调节，以优化烧结砖的原材料化学组成，使其达到合适的范围。总体来看，绝大部分河湖淤泥化学成分与烧结砖成分要求相符，可直接用于烧制淤泥砖；部分淤泥成分稍有偏差的，也可通过掺加辅料进行成分调节从而满足要求。因而，利用河湖淤泥辅以其他工业固废制备烧结砖是可行的。

表1 烧结砖原料的主要成分及含量范围

注：*1.Al2O3/SiO2表示耐火度；*2.未检测。

2 河湖淤泥制备烧结砖的主要影响因素

淤泥制备烧结砖的典型生产工艺流程为：物料预处理→淤泥性质分析→配料→成型→干燥→焙烧→冷却→性能测试。

新采挖的淤泥含水率一般大于40%，需干燥至规定含水率。同时，淤泥中可能含有少量贝壳等杂质，也要尽量去除[31]。在物料预处理时，淤泥晾晒会占用大量土地，同时产生臭气等污染物，需要同步采取治理措施以减少对环境的二次污染。经过除杂的干燥淤泥破碎后进行陈化等预处理备用。淤泥的含水率、颗粒度、塑性指数、化学成分、矿物成分等对淤泥砖的烧制有较大的影响，需要在烧制前对以上性质进行测定及分析[21]。配料时需要根据淤泥特性选择是否添加瘠性料、粘结剂等辅助材料[24]。配好的原料混合料经陈化，提高混合料成型性能后，运送至砖机，由挤出机挤出成型。坯体成型后含有15%～25%的水分，需将其干燥至残余水分不大于2%后方可进入焙烧工序[31]。焙烧温度一般为800-1050℃，焙烧温度和焙烧时间会因窑型和原材料的不同而在一定范围内变化。冷却后形成强度，制成成品，性能检测合格后出厂。

在淤泥制备烧结砖的过程中，主要影响因素有原料组成和焙烧制度。

2.1 原料组成的影响

2.1.1 淤泥掺加量的影响

淤泥掺加量会对原料的塑性指数、干燥敏感系数、烧结砖的外观和性能等产生影响。

研究表明，原料的塑性指数大小是烧结砖能否顺利成型的关键[32]，一般要求烧结墙体材料混合料的塑性指数在7～15之间[23]。原料的另一个重要因素为干燥敏感系数，干燥敏感系数越大，坯体在干燥中就越易产生裂纹。研究显示，随着淤泥掺量的增加，原料的塑性指数和干燥敏感系数均增大，需要添加辅助材料来改善原料性能[17，32]。

耿飞等[33]采用太湖淤泥掺适量粉煤灰作为内燃料制备烧结砖的试验发现，随着淤泥掺加量的增加，砖体的抗压强度降低，吸水率降低。朱哲等[17]利用东湖淤泥添加粉煤灰和氧化铁制备烧结砖，随着淤泥掺量增加，烧结砖表观密度增大，吸水率降低，抗压强度有所增加。蹇守卫等[32]采用武汉东湖淤泥与页岩复合制备烧结墙体材料发现，底泥掺量超过85%的试样不符合《烧结普通砖》（GB 5101-2003）的吸水率性能要求。在相同温度制度下，85%湖泊底泥掺量其体积密度略小于10%掺量，且其吸水率高于10%掺量，小掺量湖泊底泥试块的抗压强度高于大掺量湖泊底泥的试块，此外，底泥掺加量越多，直径收缩率越大，而高度收缩率越小。祝志雄等[34]利用河道淤泥与三种不同的页岩混合制备烧结砖，吸水率随淤泥掺加量而增大，抗压强随淤泥掺量从15%增加到60%，烧结样品的抗压强度逐渐降低，而后继续增加淤泥掺量至90%，烧结样品的强度略有提高。

综上，由于湖泊底泥中较多有机杂质燃烧产生孔隙，会对烧结砖的吸水率等性能产生影响，此外，河湖淤泥掺量对原料和产品的影响要综合考虑淤泥特性和添加的辅料，例如，淤泥添加量对掺加粉煤灰制得的烧结砖的性能影响和对掺加页岩制得的烧结砖的性能影响规律并不相同，企业需根据自身情况及处置淤泥的特性慎重选择掺加比例。

2.1.2 添加辅料的影响

在实际应用中，直接采用河湖淤泥单独制备烧结砖的相对较少，一般需要掺加部分工业废物如粉煤灰、炉渣或其他粘结剂等以改善原料的可塑性和优化烧结砖性能。

粉煤灰作为内燃料有助于扩大焙烧范围和提高烧结砖强度。粉煤灰中Al2O3含量高，烧成温度比纯粘土烧砖要高，如此较高的发热量可以实现内燃烧砖，节省大量助燃煤，使粘土和粉煤灰中的一些矿物在此高温下互相发生物理化学反应，生成高强度钙铝硅酸盐类晶体，从而提高砖体强度[35]。研究表明，当粉煤灰比例为20%～30%时，可充分利用粉煤灰可燃性工业废料，既节能降耗，又减少环境污染，还可加快轮窑焙烧速度，提高成品产量和质量[36]。此外，针对河湖淤泥塑性指数较高的特点，粉煤灰也可作为瘠性料[17，32]，用来调节淤泥原料塑性。粉煤灰吸水性强，颗粒较大，属于瘠化料，添加越多，塑性降低越大。而塑性越低，颗粒越粗，排出单位水分砖坯的收缩量就越少，即收缩率越小。

此外，炉渣、煤矸石、煤渣等辅料作为内燃料烧或瘠性材料的作用与粉煤灰相似[37-38]。

由表1可知，河湖淤泥的耐火度偏低约为0.1-0.4，掺加含有Al2O3的辅料可以提高淤泥的耐火度，扩大焙烧温度范围。研究表明，以烧结体总成分为基准，Al2O3含量宜在20%以上[39]。为了进一步利废，耿飞等[40]将自来水厂的污泥添加到河湖淤泥中，污泥中Al2O3含量较高，增加混合料的耐火度，但由于污泥烧失量大，其中有机质燃烧后形成大量微孔，导致表观密度较小，吸水率也就较大，污泥掺加量小于40%时，吸水率能够满足烧结砖多孔砖吸水率小于25%的要求。

研究表明，钙、镁等在烧结砖时为有害物质，淤泥中含有贝壳、方解石、石灰石类物质等钙质，容易产生石灰爆裂现象[41]。氧化镁的危害主要表现为制品泛霜[42]，严重时可在砖体内膨胀，破坏其结构，导致产品强度下降，甚至出现废品[41]。

He等[43]用黄河淤泥和赤泥作原料制备烧结砖的研究表明，赤泥能够降低砖的烧结温度。当赤泥含量为40%，烧结温度为1050℃，低于仅用黄河淤泥制备烧结砖的温度。

此外，淤泥含水量一般较高，会导致淤泥烧结砖能耗较大，为了节约能源并增加烧结砖的保温性能，吴其胜等[45]将稻壳、木屑等农业废物加入到淤泥中制备烧结保温砖。同等掺量下，用稻壳比用木屑做成孔剂所得到的淤泥烧结砖强度、吸水率、孔洞率要高，而密度则相对较低。

综上，由于淤泥成分的差异，在建材化准备烧结砖的过程中，需基于烧结砖的性能需求，合理选择辅料的掺加，通过多次试验研究确定最佳配比，从而制得性能更优的淤泥烧结砖。

2.2 焙烧制度的影响

焙烧制度中烧结温度和焙烧保温时间、升温速率等是影响烧结砖性能的主要因素。下文主要从对抗压强度、吸水率、外观品质等的影响进行讨论。

烧结砖的强度主要来源于砖体内结晶的新生骨架和玻璃相，高温使低温SiO2晶相变为高温晶相，且有更多的玻璃体液相形成[46]，填充在晶体的间隙中，提高砖体的致密性，使砖体强度增大。研究表明，原料相同配比下，抗压强度随烧结温度的升高而增强。朱哲等[17]采用正交试验研究了焙烧温度和焙烧时间对烧结砖性能的影响表明，在焙烧温度1000℃时，抗压强度最大，而焙烧时间对抗压强度的影响不明显。蹇守卫等[32]研究发现，淤泥与页岩制备烧结砖，温度达到1050℃时，试块抗压强度出现了降低现象，且随着烧结保温时间的增长，抗压强度越低。在最佳烧结温度950℃，烧结保温时间6h，得到强度最高可达到40.9MPa的试样。祝志雄等[34]研究表明，当烧结温度为700～900℃时，抗压强度逐渐增大，温度为900～950℃后，抗压强度趋于平稳或呈现降低趋势，升高到1000℃时，样品的抗压强度又增大，得到淤泥和页岩的烧成温度均在800～950℃，实际生产中可将烧成温度定在850～900℃左右。李国卫等[47]研究了烧结温度和烧结时间对高掺量粉煤灰淤泥烧结砖抗压强度的影响，焙烧温度越高，烧结时间越长，强度越大，最适宜的焙烧温度在1000-1050℃。

吸水性能是影响材料优劣和结构耐久性的重要因素之一，主要决定于烧结后砖体内部残留的空隙，主要由坯料中有机物、碳酸盐、硫酸盐等在高温中分解留下的气孔，以及孔隙未能被玻璃液相完全填充所致。研究表明，随着焙烧温度的升高，同种配比的砖体吸水率减少[17，32-33]，原因是高温有更多的熔融体形成，提高了砖体的致密性。

烧结时升温速率和冷却时降温速率均会对烧结砖外观品质产生影响。研究表明，为了保证烧结质量，低温阶段一般控制在70-90℃/h，中高温阶段，坯体内的粉煤灰已开始均匀燃烧，升温速度可控制在100℃/h-120℃/h，升温过快会导致砖坯内部应力不均匀，容易产生裂缝；高温脱除的水分产生的气体在内部迅速膨胀，使开裂现象加剧；砖坯内部有机质来不及充分燃烧从而导致黑芯产生。冷却时降温速度一般控制在100℃/h左右[26，28，35]。

综上，不同原料配比时最佳烧结温度、烧结时间不同，一般在800-1050℃，烧结时间随原料不同差异较大；随着焙烧温度的升高，同种配比的砖体吸水率减少；为保证烧结质量，需同时考虑烧结温度、烧结时间及烧结时升温速率和冷却时降温速率等各个因素的影响。

3 淤泥制备烧结砖的环境安全性

3.1 淤泥烧结砖的环境安全性

淤泥建材化利用在利废的同时还需关注产品的环境安全性。除产品的放射性外，这方面的现有研究较少，有学者对淤泥烧结砖浸出重金属进行了分析，对比国家危险废物浸出毒性标准，其浸出液重金属浓度远低于标准规定浓度限值[23，33，43，48]。研究表明，淤泥烧结砖的放射性均满足《建筑材料放射性核素限量》GB6566限值要求[17，23，43]。此外，耿飞等[33]分析了淤泥烧结砖的腐蚀性，浸出液的pH值在7.0～8.4之间，微偏碱性，但对环境不会产生腐蚀性。

3.2 生产过程中的环境安全性

除淤泥砖的环境安全性外，利用淤泥生产烧结砖的工艺过程污染控制及环境安全同样需要关注。2019年7月发布实施的团体标准《河湖淤泥处理处置技术导则》提出了对淤泥处理及检验的要求，16项必检项包括9项重金属、氟化物、氰化物、苯并[a]芘、多虑联苯、甲醛、石油烃和苯酚，认为Ⅱ类泥体可用于制砖[49]。该标准从源头控制的角度对用于制备烧结砖可能的环境风险提出控制要求。但据笔者调研，已有报道中未见淤泥烧结砖制备工艺过程的污染控制。有研究表明，具备监测条件的砖瓦企业满足《砖瓦工业大气污染物排放标准》（GB 29620-2013）表2大气污染物排放限值[50]的仅占54%。从行业发展及环境保护的角度考虑，未来应更关注工艺过程中常规污染物、有机物、臭气等污染物的排放与控制研究，并研究制定相关控制标准或技术规范，使行业实现绿色可持续发展。