水库底泥制备免烧砖试验研究

2022-06-24刘德志王晓磊李军李彦苍刘历波

新型建筑材料 2022年6期

刘德志，王晓磊，李军，李彦苍，刘历波

（河北工程大学土木工程学院，河北邯郸 056038）

随着时间的推移水库中会产生大量的底泥，底泥会对水质及水产的生存环境等造成巨大的威胁，同时过厚的底泥也会对水库的蓄洪能力产生不利的影响，因此处理水库底泥变得刻不容缓。传统的方法处理底泥大多是将其堆积或者掩埋，不仅耗费大量的人力物力，还会对环境造成二次破坏。因此对底泥进行资源化利用，使用底泥为主要材料，掺加石灰、粉煤灰等材料混合制成免烧砖，避免了传统烧结砖能耗高和污染环境等问题，达到节约资源、绿色循环经济的目的。

免烧砖受力变形以及耐久性是建筑材料研究的关键问题，为了研究可满足南方地区使用条件的免烧砖，对其强度与耐久性进行了测试。本试验采用的水库底泥含大量的惰性SiO2和Al2O3，因此选用碱性的石灰来激发活性，并在尽可能经济的基础上掺加粉煤灰来增强其性能，制备出满足使用要求的绿色环保建筑材料。

1 试验

1.1 试验材料

（1）底泥：邯郸市岳城水库现堆存的底泥，主要氧化物为SiO2、Al2O3、Fe2O3等，含水率为147%，进行自然晾晒后含水率为0.04%，使用球磨机将大块的底泥破碎，筛分后粒径小于0.075 mm。

（2）粉煤灰：产自巩义市，Ⅰ级。根据ASTM C618—05[1]，由于CaO含量远小于10%，仅为5.6%，属于低钙灰，故试验所用粉煤灰被认为是F类粉煤灰，具有良好的火山灰特性，其自身不具水硬性，被碱性激发剂激活潜在活性后可生成具有水硬性胶凝能力的水化物，能够产生一定的水硬性。

（3）石灰：钙含量（95±3）%，产自江西新余。

（4）骨料：中粗河砂，细度模数2.6。

（5）水玻璃：碱性硅酸钠，模数2.3。

1.2 试验配合比

底泥免烧砖试验配合比见表1。本试验选用石灰、粉煤灰作为主要激发剂，水玻璃为外掺，掺量为材料总质量的3%，水料比为0.16，固定胶砂比（石灰、粉煤灰、底泥与砂的质量比）为1∶1。配合比中主要调整石灰与粉煤灰的掺量，其他材料的掺量不变，共设计9组配合比。主要配合比见表1。

表1 底泥免烧砖的试验配合比 %

1.3 试验仪器

本试验主要研究了免烧砖的无侧限抗压强度、吸水率、抗石灰爆裂以及抗冻融循环性能，主要设备如表2所示。

表2 主要试验设备及用途

1.4 试件成型及养护方法

使用水泥胶砂搅拌机将混合料搅拌充分，搅拌时间不少于15 min，然后将混合料放入预先准备好的直径为100 mm、高120 mm的模具中，使用电液式抗压试验机压制成型，利用压力使免烧砖物料产生滑动位移，使试块更为密实[2]，从而提高免烧砖的强度，成型压力定为20 MPa，持压20 s。考虑到水玻璃需在高温高压下的蒸汽中才能溶解，且底泥中含有常态下为惰性的SiO2及Al2O3，因此初期养护采用蒸压养护，使免烧砖试块能够达到较高的早期强度[3]。免烧砖成型后脱模放入蒸压釜内进行蒸压养护，养护温度为216℃，压力为2 MPa，养护时间为3h。蒸压养护结束后取出自然放置3 d。制备免烧砖的模具和免烧砖试块如图1、图2所示。

2 试验结果及讨论

2.1 激发剂掺量对免烧砖抗压强度的影响

2.1.1 单掺石灰对免烧砖抗压强度的影响（见表3）

表3 石灰掺量对底泥-石灰免烧砖抗压强度的影响

由表3可知，单掺石灰时免烧砖的抗压强度普遍较低，石灰掺量为9%时抗压强度仅为1.47 MPa，随着石灰掺量的增加，免烧砖的抗压强度逐渐提高。当石灰掺量达到36%时，抗压强度为7.59 MPa，石灰掺量增加到45%时，抗压强度缓慢提高至8.69 MPa。底泥-石灰免烧砖的强度机理主要是石灰中Ca2+的含量较高，而且底泥中含有的SiO2、Al2O3与石灰中所含有的Ca（OH）2发生化学反应，生成不溶于水的水化硅酸钙与水化铝酸钙，可以充分地将底泥颗粒胶结起来，从而提高免烧砖的强度。所涉及的化学反应方程式如式（1）、式（2）所示。增加石灰的掺量可以提高免烧砖的抗压强度，但抗压强度的增长仅依赖于石灰中的Ca（OH）2与底泥中所含有的SiO2、Al2O3反应生成的C（A）-S-H凝胶产生的有限的胶结作用[4]，且提高石灰用量无疑会减少底泥的使用量，因此为了尽可能地节约经济成本以及使底泥达到最大化地利用，将石灰掺量定为36%。

2.1.2 石灰和粉煤灰双掺对免烧砖抗压强度的影响

固定石灰掺量为36%，在底泥-石灰体系中掺加粉煤灰后免烧砖的抗压强度如表4所示。

表4 底泥-石灰-粉煤灰免烧砖的抗压强度

由表4可知，双掺石灰和粉煤灰后免烧砖的抗压强度较单掺石灰时显著提高，粉煤灰掺量仅为6%时，抗压强度提高至10.23 MPa，粉煤灰掺量提高至12%、18%、24%时，抗压强度则分别达到13.53、15.84、19.04 MPa。这种现象归因于粉煤灰具有良好的火山灰特性，在蒸压养护过程中可加速火山灰反应的速度和程度，其自身本不具水硬性，被作为碱性激发剂的石灰激活了潜在活性后可生成具有水硬性胶凝能力的水化物[5]，其反应机理与式（1）、式（2）相同，从而能够产生一定的水硬性，可作为胶凝材料用以提高免烧砖的强度。

2.2 吸水率试验结果分析（见表5）

表5 免烧砖的吸水率

由表5可知，随着粉煤灰掺量的增加，底泥-石灰-粉煤灰免烧砖的吸水率显著减小。在粉煤灰掺量为6%时，吸水率为16.15%；粉煤灰掺量为12%时，吸水率为14.37%；当粉煤灰掺量分别为18%、24%时，免烧砖的吸水率则继续减小至13.24%、11.50%。这是由于高压力压制成型的过程中，促使粉煤灰的玻璃微珠效应不断放大，玻璃微珠状的粉煤灰能够填充孔隙比较大的底泥颗粒。其次，由火山灰反应生成的C-SH凝胶会逐渐地包裹黏结底泥颗粒，填充颗粒之间的孔隙，从而改变免烧砖的微观结构[6]。故随着粉煤灰掺量的增加，免烧砖砖体的密实程度提高，从而降低了免烧砖的吸水率，提高了其耐水性。

2.3 石灰爆裂现象分析

石灰爆裂现象多发生于免烧砖的后期使用中，由于免烧砖中存在未完全反应的生石灰在砖体内吸水膨胀，从而导致砖体产生膨胀破坏，对建筑产生不利影响，因此这种免烧砖无法在工程中使用。石灰爆裂试验将不同粉煤灰掺量的4组免烧砖试块F6、F12、F18、F24放入蒸煮箱进行6 h的蒸煮，4组试块均完好无损，砖体未出现开裂、剥落现象。由此可见，在216℃高温及2 MPa高压的蒸压过程中，水分能够在砖体中充分传输，能够充分地与石灰发生反应，所以免烧砖在后期的使用过程中不会出现石灰爆裂现象[7]。

2.4 抗冻性试验结果分析（见表6）

表6 15次冻融循环后免烧砖的质量和强度损失率

由表6可知：（1）不同粉煤灰掺量的免烧砖在经历15次冻融循环后均未有较大的质量损失。在5次及10次冻融循环试验后，各组试块均无异常。在第15次冻融循环结束后，F6、F12两组试块表面出现轻微剥落及细微裂缝，随着使用时间延长，破坏程度会加剧，已不能应用在工程中。F18、F24两组试块表面均无明显变化。（2）随着粉煤灰掺量的增加，免烧砖的强度损失率逐渐减小。掺6%粉煤灰的F6组免烧砖15次冻融循环后的强度损失率为19.26%，抗冻性较差。而F12、F18、F24试块抗冻性则显著提高。这是由于高压成型及粉煤灰的掺入而产生的火山灰效应提高了免烧砖的密实性，减小了免烧砖整体的孔隙率，降低了其吸水率，由低温导致的结晶水产生的膨胀应力无法对免烧砖的内部结构造成破坏，故免烧砖的抗冻性能得到提高。