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上海寶馬展丨鴻益機械誠邀您蒞臨參觀E7.100
引言
近年來隨著低影響開發理念(LID)措施在海綿城市中的廣泛應用，海綿城市下墊面建設對黏土、瀝青、水泥等材料的需求量不斷提高，研究和開發此類不可再生材料的替代品成為當前的一個熱點。同時，黑臭河道治理、城市污水處理等產生了大量的淤泥,這些淤泥含有大量有機物及各類污染物。
如果用掩埋、堆放等傳統的處理方法對河道底泥進行處置，不僅成本極高,還會對土壤、地下水等造成“二次污染”,破壞生態環境,也是可再生資源的浪費。目前，淤泥資源化利用主要用于制備陶粒、磚瓦和作為固化土使用。施鵬等利用河道游泥、水泥和粉煤灰等制備環保免燒磚,當淤泥摻量為60%時,抗壓強度為11.4MPa，而成本僅為0.3431元/塊，具有顯著的經濟、社會價值。劉繼狀等研究淤泥磚在不同配比下的吸水率和軟化系數等，發現粉煤灰和水泥同時作用，有助于提高免燒磚的耐久性，防水劑可以改善免燒磚的耐水及抗凍性能。
目前,國內外常用的透水鋪裝材料基本具備了一定的透水性能。劉恒源等用風積砂制備微孔生態透水材料,其透水系數為2.3x102cm/s，抗壓強度達32.7MPa，對水中SS去除率達75%以上。于搏海等對市場上各類透水鋪裝材料的透水性能進行研究，發現陶瓷類透水磚的平均滲透系數為9.1x10 -4m/s,混凝土類透水磚的為1.9x10 -3m/s,透水混凝土路面為1.4x10 -2m/s。基本能夠實現海綿城市“滲、滯、蓄、凈、用、排”中“滲”的功能，對緩解徑流總量及洪峰流量具有一定的作用。但同時具有良好的透水性能、保水性能的透水鋪裝材料目前研究較少。
本研究選擇以河道底泥為主要原材料，經過處理后,加入其它廢棄材料生產具有透水性能、保水性能的環保磚、砌塊!，作為建設海綿城市的新材料。既可以用來代替建筑材料，又能夠解決河道底泥的處置問題，為河道底泥資源化利用提供一個新的路徑,具有良好的社會性、經濟性以及環境效益”
1實驗
1.1原材料
河道底泥:200目,蘇州科技大學外圍河道淤泥;硅藻土:325-500目,工業級;生石灰:分析純,上海潤捷化學試劑有限公司;廢玻璃粉:工業級，粒徑:2.25+0.5um,比重2.65g/mL,莫氏硬度7.8;水泥:P·O42.5;高分子吸水性樹脂(SPA):含88%低交聯型聚丙烯酸鈉(其中含鈉 24.5%),8%-10%水，0.5%-1.0%交聯劑;粗骨料:4目,河砂，工業級;細骨料:16目,河砂,工業級。
1.2 實驗儀器
攪拌機(NSZ-5L)、金屬模具(40mmx40mmx40mm)、ZKY-400蒸汽養護箱、電熱恒溫鼓風干燥箱(上海龍躍， LDO-9240A)、全自動強力試驗機(無錫東儀,OPERATORDY-2008)、全自動壓力試驗機(無錫東儀，DY-208M)、JCM-700臺式掃描電鏡、HACH2100Q便攜式濁度分析儀、UV-2601紫外分光光度計(南京沃拓)、懸浮物測定儀(SS-500D)、水平振蕩儀(TP-06)。
1.3免燒磚的制備方法
河道底泥在干燥粉碎后經 200 目篩去除雜物，將其和生石灰、硅藻土等原材料混合干攪后放入攪拌機，加入混合料干重20%的水，以150r/min的速度攪拌3min然后，將其倒入模具,在10MPa壓力下壓制成型,穩壓3min后取出。自然干燥2h后，將其放入蒸汽養護箱中，在90℃條件下養護2-3d,直至樣品水化反應完全結束。取出樣品后自然干燥2-3d,測試其抗壓強度、保水性以及對雨水中SS和COD的去除效果。
1.4性能測試方法
(1)抗壓強度及保水性:按照JC/T945-2005《透水磚》進行測試;(2)SS:用儀器直接測試;(3)COD:按照HJ/T299-2007《水質化學需氧量的測定快速消解分光光度法》進行測試。
2結果與分析
2.1免燒磚的抗壓性能
2.1.1玻璃粉和水泥配比試驗研究
根據JGJ55-2011《普通混凝土配合比設計規程》的相關要求,以及材料的特性,最終確定淤泥基料中河道底泥和硅藻土的配比為5:3,分別取80g和48g,此時免燒磚的抗壓強度僅為2.2MPa。故向淤泥基料中加入16g生石灰，此時抗壓強度提高至5.5MPa,但仍達不到MU10等級的要求,因此加入水泥來提高免燒磚的力學性能。
水泥混合料(玻璃粉質量占10%)以淤泥基料質量為參照，以5%的比例從0增加到50%,加入到淤泥基料中，按1.3步驟制備免燒磚，水泥混合料摻量對免燒磚抗壓強度的影響。
由圖2可知，隨水泥混合料摻量增加，樣品抗壓強度隨之提高，摻量達到50%時，抗壓強度達到******值,為18.3MPa。但隨著水泥混合料摻量的增加，抗壓強度增長幅度不斷減小。綜合考慮,取水泥混合料為淤泥基料質量的30%，此時抗壓強度為15.7MPa,達到MU10等級的要求，具有實際工程應用價值。
由圖3可知,純淤泥基料樣品的顆粒之間分布獨立,沒有聯系,空間間隙較大,結構穩定性差,在外力作用下，易被破壞;摻入生石灰的樣品顆粒之間填充著水化反應產生的熟石灰晶體和絮狀物，具有良好的膠結作用,結構更加穩定;摻入生石灰和水泥混合料的樣品相較其他樣品，顆粒間有更多的水化產物[CSH.CSH(B)和CSH]這些水化產物不僅起著很好的膠結作用,將顆粒相互連結,使其呈現網狀結構,而且填充了顆粒間的空隙,使基體結構更加緊密，從而顯著提高樣品的抗壓強度。
2.2免燒磚的蓄水性能研究
影響免燒磚蓄水性能的3個主要因素:(1)脂膠比即高分子吸水性樹脂與膠結材料的質量比;(2)集灰比即粗細骨料總質量與膠結材料的質量比;(3)細骨料與粗骨料的質量比。為研究三者對免燒磚蓄水性能的影響，在已經確定的配比(水泥混合料為淤泥基料質量的30%)基礎上，向淤泥基料中摻入SPA和粗細骨料,設計正交試驗，根據試驗設計制備免燒磚，測試其表面密度、保水性以及吸水率。當免燒磚達到飽和吸水質量后，測試其體積含水率隨時間的變化，進行對比分析。
2.2.1 脂膠比對免燒磚性能的影響
(1)脂膠比對樣品的保水性 影響較小。當脂膠比從1:200提高至1:100時，樣品平均保水性從0.41g/cm提高至0.49g/cm，提高了19.51%;而脂膠比從1：100提高至1:50時，樣品平均保水性從0.49g/cm2提高至0.50g/cm，提高了2.04%。
(2)脂膠比對樣品的吸水率影響較大。當脂膠比從1:200提高至1:100時，樣品吸水率從7.37%提高至9.31%，提高了26.32%;而脂膠比從1:100提高至1:50時，樣品吸水率從9.31%提高至9.57%,提高了2.79%。
(3)脂膠比對樣品的100h后體積含水率影響相對******。當脂膠比從1:200提高至1:100時，樣品平均吸水率從3.73%提高至5.33%，提高了42.90%;而脂膠比從1:100提高至1:50時，樣品平均吸水率從5.33%提高至5.80%,提高了8.82%。
試驗結果表明,脂膠比的增大,樣品的保水性、吸水率和100h后體積含水率都相應增大。但與脂膠比從1:100提高至1:50相比，脂膠比從1:200提高至1:100時，增幅較大,原因可能是樣品中SPA吸收大量水分子，分布在樣品內部孔隙中，導致樣品的保水性、吸水率和100h后體積含水率有較大幅度提高。但隨著脂膠比的提高,SPA吸收大量水分子后，樣品內部孔隙被填滿，從而導致樣品的保水性、吸水率和100h后體積含水率增長變緩。其中6#樣品100h后體積含水率為
6.45%，說明脂膠比對蓄水性能起著至關重要的作用。
2.2.2 集灰比對免燒磚性能的影響由
(1)集灰比對樣品的保水性影響相對******。當集灰比從2:1增大至3:1時,樣品保水性從0.31g/cm提高至0.4g/em，提高了32.26%;而集灰比從3:1增大至4:1時,樣品平均保水性從0.41g/em提高至0.70g/cm,提高 70.73%。
(2)集灰比對樣品的吸水率影響相對******。當集灰比從2:1提高至3:1時，樣品平均吸水率從7.67%提高至7.84%，提高了2.22%;而集灰比從3:1提高至4:1 時，樣品平均吸水率從7.84%提高至10.74%,提高了36.99%。
(3)集灰比對樣品的100h后體積含水率影響較大。當集灰比從2:1提高至3:1時，樣品吸水率從5.11%提高至6.43%,提高了25.83%,當集灰比從3:1提高至4:1時,100h后體積含水率從6.43%降低至5.54%,降低了13.84%。
試驗結果表明，集灰比是影響樣品保水性和蓄水性能的主要因素,隨著集灰比的提高，包裹在粗細骨料表面的膠結材料減少,顆粒間孔隙變大,形成穩定連通的透水通道和孔隙空間，使得樣品保水性和吸水率有較大提高，而由于孔隙的變大,導致集灰比從3:1 提高至4:1 時性能反而下降。
2.2.3m(細骨料):m(粗骨料)對樣品性能的影響
(1)m(細骨料):m(粗骨料)對樣品的保水性影響相對最當m(細骨料):m(粗骨料)從3:1增大至5:1時，樣品保水性從0.50g/cm降低至0.46g/cm,降低了8%;而m(細骨料):m(粗骨料)從5:1增大至7:1時，樣品保水性從0.46g/cm2降低至0.45 g/em,降低了2.17%。
(2) m(細骨料):m(粗骨料)對樣品的吸水率影響相對最小。當m(細骨料):m(粗骨料)從3:1增大至5:1時，樣品吸水率從9.45%降低至8.26%，降低了12.59%;而m(細骨料):m(粗骨料)從5:1增大至7:1時，樣品吸水率從8.26%提高至
8.54%,提高了3.39%。
(3) m(細骨料):m(粗骨料)對樣品的100h后體積含水率影響相對最小。當m(細骨料):m(粗骨料)從3:1提高至5:1時，樣品平均吸水率從4.81%降低至4.62%，降低了3.95%，當m(細骨料):m(粗骨料)從5:1提高至7:1時，100h后體積含水率從4.62%提高至5.42%，增加了17.32%。
試驗結果表明，隨著m(細骨料):m(粗骨料)的增大,細骨料占比增大,粗骨料占比減小，使樣品內部孔隙率減小，從而導致樣品保水性和吸水率降低，而100h后體積含水率起初變化不大,隨后增大。
2.2.4 3種因素對樣品性能的綜合影響
綜上所述，從樣品的保水性和吸水率來看，3種因素對免燒磚的影響能力:集灰比>脂膠比>m(細骨料):m(粗骨料)，其中集灰比極差******,起決定性作用，影響******;雖然脂膠比極差小于集灰比，但仍然有較大的影響;而m(細骨料):m(粗骨料)影響最小。從樣品100h后體積含水率來看，綜合考慮，3種因素對免燒磚的影響能力:脂膠比>集灰比>m(細骨料):m(粗骨料)，其中脂膠比極差******,起決定性作用，影響******;雖然集灰比極差小于脂膠比，但仍然有較大的影響;而m(細骨料):m(粗骨料)影響最小。綜合考慮，確定脂膠比為1:50、集灰比為3:1、m(細骨料):m(粗骨料)為5:1(29)，此時，免燒磚的保水性為 0.49 g/em,吸水率為9.43%，100h后體積含水率為5.21%。
將試驗樣品用土工布包裹，放于植草溝下400mm處，在下雨結束100h后測試其體積含水率，發現此時體積含水率為10.42%，遠高于實驗室條件下的體積含水率，可能由于濕潤土壤提供樣品水分，并且由于樣品處于土壤中，通風條件差所致。
2.3免燒磚去除雨水中SS和COD研究
取上述2*樣品,用4種不同濃度的1L模擬雨水進行過濾實驗,其中SS初始濃度分別為48、114、247、346mg/L,COD初始濃度分別為10、20、30、40mg/L，測試模擬雨水中SS、COD過濾前后的濃度CC,計算去除率u,免燒磚對雨水中的SS、COD去除效果的試驗結果見表5。
由表5可知:(1)對比4種不同SS初始濃度(48、114、247、346mg/L)的模擬雨水,當模擬雨水中SS初始濃度增大時，免燒磚對其去除效果有一定的提高，但達到一定濃度后去除效果幾乎不再變化,去除效率最高可達52.23%;(2)對比4種不同COD初始濃度(10、20、30、40mg/L)的模擬雨水,當模擬雨水中COD初始濃度增加時,免燒磚對其去除效果有一定的提高，但達到一定濃度后去除效果幾乎不再變化,去除效率最高可達46.27%。試驗結果表明,該免燒磚對模擬雨水中SS、COD均具有良好去除效果。
3結論
(1)在免燒磚的制備過程中，水泥混合料為淤泥基料質量的30%時，免燒磚抗壓強度最高，為15.7MPa，符合GB50574-2010《墻體材料應用統一技術規范》中的MU10強度等級要求，具有實際的工程應用價值。
(2)集灰比對免燒磚的保水性和吸水率的影響******，脂膠比其次,m(細骨料):m(粗骨料)影響最小;而脂膠比對100h后免燒磚的體積含水率影響******。綜合考慮，確定脂膠比為1:50、集灰比為3:1、m(細骨料):m(粗骨料)為5:1,此時，免燒磚的保水性為0.49g/cm,吸水率為9.43%,100h后樣品的體積含水率為5.21%。表明免燒磚具有較高的蓄水性能，可用作海綿城市下墊面的蓄水材料。
(3)對模擬雨水中SS.COD的去除效率分別最高可達到52.23%和46.27%,表明該免燒磚對模擬雨水中SS、COD均具有良好去除效果,具有實際應用價值。
張寶成,李翠梅,孫志康,張紹廣
(蘇州科技學 環境科學與工程學院,江蘇 蘇州215009)
新型建筑材料雜志-2021-5
