基于多目标-理想点法的洞庭湖淤泥制备轻质骨料最优烧结条件

陈星佑，张 聪，何怀光，周 双，刘 旭，谢梦珊，谢忠球

(1.广州建设工程质量安全检测中心有限公司，广州 510440； 2.中南林业科技大学 土木工程学院，长沙 410004； 3.湖南省水利水电科学研究院，长沙 410007)

1 研究背景

洞庭湖自20世纪初以来湖泊面积急剧萎缩，洞庭湖平均年入湖泥沙量为1.29亿m3，每年约1亿m3泥沙沉积在洞庭湖内，平均每年淤积0.03 m[1]。大量泥沙淤积引发的社会与经济问题显著，如：影响洞庭湖防洪调蓄能力[1]、破坏湿地功能与生态环境[2]、阻塞航道[3]等。此外，大量的清淤工程不仅耗费大量人力、财力，也会对周边环境造成二次污染[4]。因此，研究洞庭湖底泥处置问题具有十分重要的科学意义和工程实用价值。

现阶段，湖泊底泥的合理处置一直是工程人员亟待解决的难题，传统的填埋[5-6]、焚烧[7]、脱水压滤[8-10]等处置方法尚存在诸多弊端，如处置成本高、占用大量土地、污染周边环境等。受建筑废弃物资源化利用热潮的影响，工程人员将湖泊底泥应用于制备烧结砖[11-13]、建筑回填料[14-16]、有机肥[17]、轻质建筑骨料[18-20]等，特别是挪威、西班牙、美国、日本以及我国台湾省等地区已成功采用湖底淤泥烧结形成的轻质骨料取代不断紧缺的砂石骨料，并将其用于道桥[21-22]、房建[23-24]、海上平台[25]等方面。大量研究已表明，淤泥成功制备优质轻质骨料的关键点是确定合理烧结条件[26-28]，国内外学者也围绕该类问题开展了大量研究，如Franus等[29]、Wang等[30]对不同烧结条件所得到的产物进行了性能与外观分析，得到了淤泥烧结的最优条件；刘晨等[31]、陈彦文等[32]通过对正交试验结果进行极差分析，获得了最佳的烧结条件；González-Corrochano等[33]通过研究烧结条件和性能分析结果的斯皮尔曼相关系数，得到最佳的烧结条件。尽管这些研究成果对淤泥烧制轻质骨料具有重要的参考价值，但值得注意的是不同湖泊区域内的淤泥性能存在一定差异，如何根据烧结骨料的性能需求快速确定合理的烧结条件仍值得深入研究。

鉴于此，本文首先以洞庭湖淤泥为原材料开展淤泥烧结轻质骨料可行性测试。其次，设计不同烧结条件下的正交试验，探讨不同烧结条件下的轻质骨料性能。最后，提出多目标-理想点的洞庭湖淤泥烧制轻质骨料最优烧结条件确定方法。研究成果以期为洞庭湖淤泥烧结轻质骨料提供理论指导。

2 原材料与试验方法

2.1 淤泥物理化学性能

淤泥取自湖南省南洞庭湖，使用分层取样法从湖泊的不同位置取得原料。淤泥中含有大量如树叶、石子等杂质，需要对其进行过滤、沉淀、烘干等预处理从而得到良好的试验样品。

2.1.1 基本性能

选取部分淤泥原料进行基本物理性能测试，结果见表1。

表1 淤泥性能测试结果Table 1 Performance test results of silt

2.1.2 微观性能

对除杂处理后淤泥进行X射线衍射(XRD)、X射线荧光光谱分析(XRF)以及扫描电子显微镜分析(SEM)测试，测试结果如图1、表2所示。

图1 淤泥的X射线衍射分析和扫描电子显微镜分析结果Fig.1 XRD and SEM results of silt

表2 X射线荧光光谱分析测试结果Table 2 Result of XRF test

由图1可知，淤泥主要由石英、云母、绿泥石、长石组成，内部结构整体呈块状。其中，石英在烧结过程中会发生晶型的转变，云母在烧结阶段可以起助熔剂作用，长石在烧结过程中可降低玻璃化的温度。XRF结果显示，该淤泥主要由SiO2、Al2O3、Fe2O3构成，SiO2含量高达66.90%(质量占比)，Al2O3含量为20.04%。

2.1.3 TG-DTG测试

对除杂处理后淤泥进行热重量分析(TG-DTG)，其测试环境为差示扫描量热法上限温度1 000 ℃、加温速率为20 ℃/min、吹扫气氛为空气、吹扫气量为50 mL/min，测试结果如图2所示。

图2 洞庭湖淤泥的热重量分析曲线Fig.2 TG，DSC and DTG curves of Dongting Lake silt

由图2可知，淤泥在0～650 ℃之间质量发生显著变化，分析原因为淤泥含有较多的有机质，在一定烧结温度下有机质被分解，进而产生较大质量损失[33]。分析DTG线可知，当烧结温度由103 ℃增至154 ℃时，淤泥中的水分因吸热蒸发致使其质量在该温度区间内损失较快[34]，而当温度从250 ℃增至380、430、540 ℃时，淤泥中有机物被氧化分解，致使该温度区间内淤泥质量损失明显[35]。由DSC线看出，淤泥在烧结过程中产生了3个放热峰，分别是绿泥石脱羟基作用[36](480～520 ℃)、α-石英转化为β-石英[36](574～588 ℃)以及长石产生液相[36](846～932 ℃)造成。

2.2 淤泥可烧结性评价

根据Riley[37]、Fakhfakh等[38]的相关研究可知，当淤泥成分处于Riley提出的三相图区域，且SiO2与∑的比值>2时，该淤泥具有烧结优良骨料的可行性。经分析，洞庭湖淤泥SiO2与∑比值为5.85(>2)，淤泥三相图(图3)位于Riley三相图所规定的易于膨胀区间。

图3 洞庭湖淤泥在Riley三相图的位置Fig.3 Representation of Dongting Lake silt in Riley’s three-phase diagram

3 淤泥制备轻质骨料烧结易膨胀土体条件研究

3.1 试验方案与测试方法

根据以往经验、前期试验结果以及相关规范、规程，选取预热时间(因素A)、预热温度(因素B)、烧结时间(因素C)以及烧结温度(因素D)开展四因素四水平的正交试验(见表3)，研究各因素对淤泥烧结轻质骨料性能的影响。

表3 4种影响因素水平Table 3 Four level values of four influencing factors

首先，将淤泥制成50 mm×50 mm×50 mm的立方体。其次，将试块干燥后放入马弗炉中烧结，为了避免试块受热不均匀，将马弗炉升温至预热温度预热，再将马弗炉升温至烧结温度，按设计烧结时间进行烧结。最后，采用随炉冷却的方式对试块进行冷却[39]，待试样冷却后开展性能测试试验，主要测试方法如下：

(1)密度及膨胀率。测试轻质骨料的表现密度和膨胀率，测试方法参照《轻集料及其试验方法》(GB/T 17431—2010)。

(2)孔隙率。孔隙率采用负压机进行测试，测试方法参照《煤和岩石物理力学性质测定方法》(GB/T 23561—2010)。

(3)抗压强度。采用混凝土伺服压力机，对试块进行抗压强度测试，测试方法参照《混凝土小型空心砌块试验方法》(GB/T 4111—1997)。

(4)吸水率。由于本文测试的物体为立方体试块，因此吸水率测试方法参照《工程岩体试验方法标准》(GB/T 50266—2013)。

3.2 试验结果与分析

3.2.1 膨胀率

轻质骨料膨胀率的高低是影响轻质骨料质量的关键因素之一[33]，其值越高则内部被玻璃相包裹住的气体较多、比重较小。通过对16组正交试验下获取的膨胀率进行探讨，结果如表4、图4所示。

表4 正交试验膨胀率极差分析Table 4 Range analysis of expansion rate by orthogonal test

图4 各影响因素对膨胀率的贡献效果Fig.4 Contributions of various influencing factors to expansion rate

由图4、表4可知，各因素对膨胀率的影响排序为因素D>因素C>因素B>因素A，膨胀率与因素A呈正相关关系，与因素B、因素C以及因素D呈负相关关系。其中，随着因素A的延长，膨胀率变化整体上较小；随着因素B、因素C的增长，膨胀率早期变化较大，后期趋于稳定；随着因素D的增加，膨胀率几乎呈线性下降。分析产生上述结果的原因，随着预热时间(因素A)、烧结时间(因素C)和烧结温度(因素D)的增加，淤泥内部物质熔解程度增加，产生的玻璃相固体物质无法完全包裹产生的气体物质，致使淤泥收缩[33]。

3.2.2 吸水率

吸水率是决定轻质骨料耐久性的重要指标，过高的吸水率会导致水分更容易进入骨料内部结构，进而加速材料的破坏[40]。通过对16组正交试验下获取的吸水率进行探讨，结果如图5、表5所示。

由图5、表5可知，各因素对吸水率的影响排序为因素D>因素B>因素C>因素A，膨胀率与因素B呈正相关关系，与因素A、因素C以及因素D呈负相关关系。其中，随着因素A、因素C的延长，吸水率呈线性缓慢下降；随着因素B的增加，吸水率有较大增长；随着因素D的增加，吸水率快速下降。分析产生上述现象的原因为，随着预热时间(因素A)、烧结时间(因素C)、烧结温度(因素D)的增加，较长的预热与烧结时间会使得淤泥内外温度均匀，有助于玻璃相的产生，玻璃相会包裹住结构内部孔隙导致淤泥结构更为密实，吸水率降低[33]。

图5 各影响因素对吸水率的贡献效果Fig.5 Contributions of various influencing factors to water absorption

3.2.3 孔隙率

轻质骨料的孔隙率和其透水性、结构强度有着较大关系，也可一定程度上反映烧制过程中材料损失。通过对16组正交试验下获取的孔隙率进行探讨，结果如图6、表6所示。

图6 各影响因素对孔隙率的贡献效果Fig.6 Contributions of various influencing factors to porosity

表6 正交试验孔隙率极差分析Table 6 Range analysis of porosity by orthogonal test

由图6、表6可知，各因素对孔隙率的影响排序为因素D>因素B>因素C>因素A，孔隙率与4个因素都呈正相关关系。其中，随着因素A、因素B和因素C的增加，孔隙率变化整体上较小；随着因素D的增加，孔隙率大幅增加。上述现象产生的原因为，随着4个影响因素的增加，淤泥内部结构熔解产生大量孔隙，导致淤泥内部孔隙率增加。特别是，当温度到达1 150～1 180 ℃时，铁的化合物被分解，孔隙率显著增大[33]。

3.2.4 抗压强度

轻质骨料的抗压强度反映了骨料内部结构的稳定性情况。通过对16组正交试验下获取的抗压强度进行探讨，结果如图7、表7所示。

图7 各影响因素对抗压强度的贡献效果Fig.7 Contributions of various influencing factors to compressive strength

表7 正交试验抗压强度极差分析Table 7 Range analysis of compressive strength by orthogonal test

由图7、表7可知，各因素对抗压强度的影响排序为因素D>因素B>因素C>因素A，孔隙率与因素A、因素C和因素D呈正相关关系，和因素B呈负相关关系。其中，随着因素A、因素B和因素C的增加，孔隙率变化整体上较小；随着因素D的增加，孔隙率大幅增加。分析上述现象产生原因为，随着预热时间(因素A)和烧结时间(因素C)的增加，淤泥内外温度更为均匀，结构更为密实，整体稳定性更高；随着烧结温度(因素D)的增加，较高的温度下淤泥表面玻璃相釉层大幅产生，并且会有部分矿物性质发生转变，该过程会显著提高淤泥强度[29]。

3.2.5 密度

轻质骨料的密度决定了由轻质骨料制成的混凝土的总质量，同时也可以反映骨料内部结构的稳定性情况。通过对16组正交试验下获取的密度进行探讨，结果如图8、表8所示。

图8 各影响因素对轻质骨料密度的贡献效果Fig.8 Contributions of various influencing factors to density of lightweight aggregate

表8 正交试验轻质骨料密度结果分析Table 8 Analysis of density of lightweight aggregate by orthogonal test

由图8、表8可知，各因素对抗压强度的影响排序为因素D>因素C>因素A>因素B，密度与因素A、因素B呈负相关关系，和因素C、因素D呈正相关关系。其中，随着因素A和因素B的增加，密度下降幅度较小；随着因素C和因素D的增加，密度快速上涨。上述现象发生的原因为，随着预热时间(因素A)和预热温度(因素B)的增加，淤泥中有机质朝更利于气相生成方向反应，从而导致孔隙率增加、密度下降；随着烧结时间(因素C)和烧结温度(因素D)的增加，较高的温度下淤泥会熔解大量的矿物质，导致其体积大幅缩小，密度增加。

4 基于多目标-理想点的烧结条件优化

为了获取最佳的洞庭湖淤泥烧结条件使其轻质骨料最优，提出多目标-理想点的洞庭湖淤泥烧制轻质骨料最优烧结条件确定方法。

4.1 优化模型的构建

4.1.1 确定系统优化的目标函数

采用SPSS软件构建各影响因素与轻质骨料性能参数之间的回归方程，确定系统优化的目标函数，见表9。

表9 回归方程系数及方程拟合度Table 9 Coefficients of regression equations and fitting degrees of equations

4.1.2 建立系统优化的约束条件及设置理想点数据

通过查阅规范要求以及结合实际的测试情况，确定轻质骨料最优化性能如下：孔隙率不宜>40%、膨胀率应处于-7%～5%区间、体积密度不宜>1.35 g/cm3、抗压强度不宜<10 MPa、1 h吸水率不宜>15%。根据上述要求，确定的目标函数及其约束见式(1)、理想点数据见表10。

表10 理想点数据Table 10 Ideal point data

(1)

式中：H为孔隙率；BI为膨胀率；ρ为体积密度(g/cm3)；S为抗压强度(MPa)；WA1 h为1 h吸水率。

4.2 基于Matlab的fgoalattain优化模型求解

基于Matlab编制程序，利用fgoalattain优化模型对该地区淤泥烧结轻质骨料的最优烧结条件进行求解，主要步骤如下：①将表9中的5个目标函数设为[y1，y2，y3，y4，y5]，根据式(1)将非线性约束逐一输入；②设置优化变量的初始值为X0=[400，5，1 020，5]，目标值Goal=[20，-4，1.3，15，12]，权重系数Weight=[20，4，1.3，15，12]；③设置优化变量的最大值Ub=[700，20，1 200，20]，最小值Lb=[400，5，1 020，5]。求解得到的最优的烧结条件参数为：预热时间20 min，预热温度410 ℃，烧结时间5 min，烧结温度1 112 ℃。

4.3 模型验证

采用获取最优烧结参数进行烧结试验，获取的试验值和模型最优值和其误差见表12。

表12 最优烧结条件下烧结体物理参数Table 12 Physical parameters of sintered body under optimal sintering conditions

由表12可知，优化指标和试验指标差异不大，平均相对误差仅为1.94%，所有测试指标均满足要求，说明本文采用的优化模型可行。分析上述误差存在的主要原因为：①在实际试验中存在人为操作、样品差异等；②优化结果计算过程中约束条件的设置存在一定的经验性，且目标函数为拟合公式。

5 结 论

(1)通过对洞庭湖淤泥开展物理性能测试、可烧结性评价以及正交试验可知，洞庭湖淤泥具有烧结制备轻质骨料的可行性，在预热时间20 min、预热温度410 ℃、烧结时间5 min以及烧结温度1 112 ℃的条件下，烧结获取的轻质骨料孔隙率23.31%、收缩率5.75%、体积密度1.28 g/cm3、抗压强度20.35 MPa、1 h吸水率14.33%，是一种抗压强度高、吸水率低、密度低的优质材料。此外，淤泥制备骨料虽需要花费一定制造成本，但远小于传统的淤泥处治费用，而制备的轻质骨料还可作为商用建筑原材料，具有良好的经济价值和广泛的应用前景。

(2)为了探究烧结参数对洞庭湖淤泥烧结轻质骨料的性能影响规律，选取预热时间(因素A)、预热温度(因素B)、烧结时间(因素C)以及烧结温度(因素D)开展了四因素四水平的正交试验，研究表明烧结温度对轻质骨料性能影响最大，其次是烧结时间和预热温度，预热时间对轻质骨料性能影响最小。此外，明确了预热时间、预热温度、烧结时间以及烧结温度各因素与轻质骨料性能的关联性，为后续洞庭湖淤泥烧结获取不同需求的轻质骨料性能提供了调控方法。

(3)以轻质骨料物理性能参数最优化为主要需求，确定了以抗压强度为主、密度为辅的多目标函数，选取5个优化设计变量、建立5个约束条件构建了基于多目标-理想点的烧结条件优化模型，并通过试验论证了模型的可行性。洞庭湖区面积大，淤泥分布广，淤泥性能存在一定差异，该方法的提出为快速获取不同区域的淤泥烧结最优条件提供了新思路。