高 鵬，徐悅清，曹 云，韓 燕,劉 榮

(1.南京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院，南京 210023;2.南京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，江蘇省物質(zhì)循環(huán)與污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210023; 3.江蘇省地理信息資源開(kāi)發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210023；4.生態(tài)環(huán)境部南京環(huán)境科學(xué)研究所，南京 210042)

0 引 言

我國(guó)水系發(fā)達(dá)，江河湖海水庫(kù)縱橫，近一二十年疏浚行業(yè)發(fā)展快速，由此產(chǎn)生了數(shù)量巨大的疏浚淤泥[1-2]。淤泥含水率高、體積大、強(qiáng)度低，含有大量有機(jī)物、重金屬等有毒有害物質(zhì)，若不妥善處理，極易對(duì)環(huán)境造成二次污染[3]。常見(jiàn)淤泥處理方式主要包括脫水填埋、土地利用、建材利用等[4]。淤泥脫水填埋需要占用大量土地資源，土地利用存在對(duì)環(huán)境產(chǎn)生二次污染的風(fēng)險(xiǎn)。將淤泥進(jìn)行建材化利用，在實(shí)現(xiàn)淤泥處理的同時(shí)，達(dá)到了對(duì)其良好資源化利用的目的，有關(guān)這方面的研究已受到很多學(xué)者的關(guān)注。

陶粒具有密度小、強(qiáng)度高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定和保溫隔熱性能好的優(yōu)點(diǎn)，在建筑業(yè)、環(huán)保行業(yè)得到廣泛應(yīng)用[5-6]。然而，燒結(jié)陶粒大多是以粘土、頁(yè)巖等不可再生資源為主要原料，經(jīng)過(guò)1 000 ℃以上的高溫?zé)Y(jié)而成。在燒制過(guò)程中會(huì)消耗大量的能源，產(chǎn)生大量的廢氣與粉塵，因此探尋一種可行的免燒技術(shù)制備陶粒成為當(dāng)務(wù)之急。河湖淤泥的主要化學(xué)成分與粘土十分相近，為淤泥替代粘土進(jìn)行陶粒的制備提供了可能，許多學(xué)者利用燒結(jié)法將淤泥制備成陶粒已取得了較好的研究成果[7-8]，但利用濕淤泥制備免燒陶粒的研究未見(jiàn)報(bào)道，值得深入探討。

本文利用淤泥制備免燒建筑陶粒，研究了淤泥/水泥比、粘結(jié)劑添加量、石膏添加量、養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)陶粒顆粒密度、顆粒強(qiáng)度和1 h吸水率的影響。同時(shí)借助X射線衍射儀(XRD)和高分辨率掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)所制備陶粒內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，分析陶粒內(nèi)部物相組成和微觀結(jié)構(gòu)在固化過(guò)程中的變化機(jī)制，研究由生料到陶粒產(chǎn)品的反應(yīng)機(jī)理，獲得了淤泥基免燒陶粒制備的最佳原輔料配比和制備工藝參數(shù)配置。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原 料

淤泥采自太湖江蘇宜興大浦段，含水率54.38%，其化學(xué)組成如表1所示，主要成分為SiO2和Al2O3，主要元素為Si、Al和Fe，與粘土主要化學(xué)組成相似；水泥選用普通市售42.5R波蘭特水泥，主要起固化作用；石膏為普通建筑石膏，作為水泥緩凝劑以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部物料充分物化反應(yīng)；粘結(jié)劑為自制粘結(jié)劑，以增強(qiáng)陶粒內(nèi)部粘結(jié)和提高陶粒強(qiáng)度。

表1 淤泥的主要成分Table 1 Main components of silt

1.2 試驗(yàn)設(shè)備與儀器

(1)標(biāo)準(zhǔn)篩，BZS-200，上虞大地分樣篩廠。

(2)鼓風(fēng)干燥機(jī)，DHG-9030A，上海一恒科學(xué)儀器有限公司。

(3)電子天平，MS，美國(guó)梅特勒-托利多公司。

(4)造粒機(jī)，HBZ-202，瑞安市瀚博機(jī)電有限公司。

(5)顆粒強(qiáng)度測(cè)定儀，YHKC-2A，泰州銀河儀器廠。

(6)X射線衍射儀，D/max 2500/PC，日本理學(xué)公司。

(7)掃描電子顯微鏡，JSM-56140LV，日本電子光學(xué)實(shí)驗(yàn)室。

1.3 陶粒制備

淤泥基免燒陶粒的制備流程如圖1所示。首先將河湖淤泥除雜、均質(zhì)化處理后備用；將石膏、水泥、粘結(jié)劑等干料混合攪拌均勻，摻到濕河湖淤泥中并攪拌成粘稠狀；然后將得到的膠狀物料經(jīng)壓餅槽壓制成厚度為 10～25 mm的餅狀；制成的餅狀再投入搓條槽中切割成寬度為10～25 mm的長(zhǎng)條狀；條狀物料經(jīng)過(guò)制丸槽制成直徑為10～25 mm的顆粒狀陶粒初坯；初坯置于滾筒中滾至圓球狀，制備好的陶粒初坯經(jīng)過(guò)12～48 h室溫靜置干燥后完全浸沒(méi)于水中60～80 h；將經(jīng)過(guò)初級(jí)水養(yǎng)的陶粒放入養(yǎng)護(hù)箱中覆膜保水自然養(yǎng)護(hù)，在室溫條件下養(yǎng)護(hù)20～30 d，得到陶粒成品并進(jìn)行性能檢測(cè)。陶粒成品如圖2所示。

本方法無(wú)需對(duì)河湖淤泥進(jìn)行干化脫水處理，制備成本低。同時(shí)能夠消耗大量高含水率河湖淤泥，廢物利用且高比例替代傳統(tǒng)陶粒的天然原料。各原輔料的合適配比以及工藝優(yōu)化為水化硬化反應(yīng)提供優(yōu)良條件，且生產(chǎn)能耗低，所制備河湖淤泥基免燒陶?？蓾M足建材市場(chǎng)的需求。

圖1 淤泥基免燒陶粒的制備工藝流程圖Fig.1 Preparation process of silt-based non-sintered ceramsite

圖2 淤泥基免燒陶粒Fig.2 Silt-based non-sintered ceramsite

1.4 性能測(cè)試與表征方法

根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 17431.1—2010《輕集料及其試驗(yàn)方法》確認(rèn)陶粒強(qiáng)度(MPa)、1 h吸水率(%)和顆粒密度(g·cm-3)三項(xiàng)性能為考核指標(biāo)。利用X射線衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)表征技術(shù)，對(duì)陶粒內(nèi)部物相組成、組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。探究淤泥/水泥比、粘結(jié)劑添加量、石膏添加量、養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)陶粒性能的影響，分析其物相轉(zhuǎn)變機(jī)制和水化硬化機(jī)理。

2 結(jié)果與討論

2.1 影響陶粒性能的單因素分析

2.1.1 淤泥/水泥比對(duì)陶粒性能的影響

圖3 不同淤泥/水泥比對(duì)陶粒物理性能的影響Fig.3 Effects of different silt/cement ratios on physical properties of ceramsite

圖3為不同淤泥/水泥比條件下制備的陶粒的物理性能結(jié)果。從圖中可以看出：隨著淤泥/水泥比的提高，陶粒強(qiáng)度(文中均指抗壓強(qiáng)度)由3.5 MPa持續(xù)下降到1.2 MPa，1 h吸水率先下降后上升，在淤泥/水泥比為2.5(質(zhì)量比，下同)時(shí)最低，為8.32%；顆粒密度從1.26 g·cm-3緩慢下降到0.93 g·cm-3。強(qiáng)度與密度的下降是由于膠凝材料水泥的減少，導(dǎo)致無(wú)法產(chǎn)生足夠的水化硬化產(chǎn)物[9-10]，即固化淤泥所用的水泥含量越多，復(fù)合材料的密度越大。為了在保證陶粒性能的基礎(chǔ)上最大化利用淤泥，淤泥/水泥比選擇2.5最為合適，以下試驗(yàn)采用淤泥/水泥比為2.5。

2.1.2 粘結(jié)劑添加量對(duì)陶粒性能的影響

圖4為淤泥/水泥比為2.5的前提下，不同粘結(jié)劑含量對(duì)陶粒物理性能的影響。從圖中可以看出：隨著粘結(jié)劑含量的增加，顆粒強(qiáng)度先緩慢增大后快速減小，含量為1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)時(shí)強(qiáng)度達(dá)到最高，為2.7 MPa，當(dāng)添加量為4%時(shí)，陶粒強(qiáng)度降至1.35 MPa;與強(qiáng)度變化趨勢(shì)相反，1 h吸水率先降低后急劇增加，在添加量為2%時(shí)達(dá)到最低，為4.1%，當(dāng)添加量為4%時(shí)，陶粒1 h吸水率增至10.2%；顆粒密度維持在1.09 g·cm-3到1.20 g·cm-3之間，相對(duì)穩(wěn)定。強(qiáng)度的先增后降是因?yàn)檎辰Y(jié)劑作為一種線狀的有機(jī)高分子聚合物，可吸附顆粒并在顆粒之間起連接架橋作用，使細(xì)顆粒團(tuán)聚，強(qiáng)度增加。過(guò)量的粘結(jié)劑使得粘結(jié)的顆粒相互分離，強(qiáng)度下降。后期吸水率增加是由于過(guò)量的粘結(jié)劑增加了物料的滲透系數(shù)[11]，加大了對(duì)水分的吸收。選擇粘結(jié)劑含量為1%時(shí)，物理性能最優(yōu)。

圖4 不同粘結(jié)劑含量對(duì)陶粒物理性能的影響Fig.4 Effect of different binder content on physical properties of ceramsite

圖5 不同石膏添加量對(duì)陶粒物理性能的影響Fig.5 Effect of different gypsum content on physical properties of ceramsite

2.1.3 石膏添加量對(duì)陶粒性能的影響

圖6 不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)陶粒物理性質(zhì)的影響Fig.6 Effect of different curing time on physical properties of ceramsite

圖5為淤泥/水泥比為2.5條件下，不同石膏添加量對(duì)陶粒物理性能的影響?？梢钥闯觯弘S著石膏添加量的增加，陶粒強(qiáng)度先增大后減小，添加量為10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)時(shí)，陶粒強(qiáng)度最高，為3.21 MPa；1 h吸水率與顆粒密度受石膏添加量的影響較小，分別在7.48%到8.32%與1.12 g·cm-3到1.16 g·cm-3之間浮動(dòng)。強(qiáng)度先增后降的原因是石膏作為水泥緩凝劑，適量的摻加能減緩淤泥和水泥的硬化速度，給物料內(nèi)部各活性組分提供更多的反應(yīng)時(shí)間，提高陶粒強(qiáng)度。過(guò)量添加則會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的膨脹和“假凝現(xiàn)象”[12]，降低陶粒強(qiáng)度。顆粒密度與吸水率的相對(duì)穩(wěn)定是因?yàn)槭嗪退嘤倌喾磻?yīng)產(chǎn)生的膠凝體結(jié)構(gòu)具有非常好的耐水性[13]，可以將陶粒之間的孔隙相互粘結(jié)，致使陶粒結(jié)構(gòu)相對(duì)致密。陶粒性能最優(yōu)時(shí)，石膏的最佳添加量為10%。

2.1.4 養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)陶粒性能的影響

圖6為不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)陶粒物理性質(zhì)的影響。此時(shí)選取淤泥/水泥比為2.5，粘結(jié)劑含量為1%，石膏含量為10%。由圖可知：當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間為7 d和14 d時(shí)，陶粒樣品的強(qiáng)度較低，約為2.5 MPa,當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間延長(zhǎng)到21 d時(shí)，陶粒強(qiáng)度增加了68%，達(dá)到4.3 MPa,繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至28 d時(shí)，陶粒強(qiáng)度緩慢增加到4.49 MPa；1 h吸水率隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間增加由18.58%快速下降到9.78%;顆粒密度相對(duì)穩(wěn)定，由1.1 g·cm-3緩慢增加到1.3 g·cm-3。陶粒強(qiáng)度的增加是因?yàn)轲B(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)，提高了物料的水化程度，減小了內(nèi)部孔隙寬度[14-15]。吸水率的下降是由于養(yǎng)護(hù)時(shí)間的提高，陶粒中逐漸生成高致密度組成物質(zhì)，阻止水分進(jìn)入到陶粒內(nèi)部[16]。雖然21 d之后陶粒強(qiáng)度趨于穩(wěn)定，但吸水率持續(xù)下降，更低的吸水率有利于提高陶粒后期應(yīng)用中的穩(wěn)定性，所以合適的養(yǎng)護(hù)時(shí)間為28 d。

綜合以上試驗(yàn)分析結(jié)果，陶粒制備的最優(yōu)配比和養(yǎng)護(hù)工藝為淤泥/水泥比2.5，石膏添加量10%，粘結(jié)劑添加量1%，養(yǎng)護(hù)時(shí)間28 d，此時(shí)淤泥的利用率為63.57%。

2.2 XRD分析

圖7～圖10分別為不同淤泥/水泥比、粘結(jié)劑添加量、石膏添加量和養(yǎng)護(hù)時(shí)間陶粒樣品的XRD譜，由圖可以看出，陶粒樣品的主要晶相組成為SiO2、CaCO3、凝膠產(chǎn)物C-S-H(CaO·SiO2·nH2O)、鈣長(zhǎng)石Anorthite(Ca(Al2Si2O8))、二水鈣長(zhǎng)石Lawsonite(CaO·Al2O3·2SiO2·nH2O)和二水石膏Gypsum(CaSO4·2H2O)。

2.2.1 不同淤泥/水泥比陶粒的XRD分析

從圖7中可以看出，隨著淤泥/水泥比的增加，CaCO3峰強(qiáng)先降低后增加。這是因?yàn)榍捌谟倌嗟奶砑?，降低了水泥中碳酸鈣在原材料中的占比，后期由于沒(méi)有足夠的水泥參與水化硬化反應(yīng)，導(dǎo)致陶粒內(nèi)部疏松，空氣中的CO2通過(guò)孔隙進(jìn)入內(nèi)部與Ca(OH)2反應(yīng)生成CaCO3，吸水率增加。淤泥/水泥比為1.5時(shí)，C-S-H出現(xiàn)雙峰，此時(shí)水泥含量充足，水化硬化反應(yīng)充分，強(qiáng)度最大。淤泥/水泥比為2.5時(shí)，出現(xiàn)二水鈣長(zhǎng)石類物質(zhì)(CaO·Al2O3·2SiO2·nH2O)的晶體衍射峰，即式(1)、(2)。

xCa(OH)2+SiO2+(n-1)H2O→xCaO·SiO2·nH2O

(1)

Ca(OH)2+Al2O3+2SiO2+mH2O→CaO·Al2O3·2SiO2·nH2O

(2)

二水鈣長(zhǎng)石作為一種主要致強(qiáng)的水化產(chǎn)物，有利于提高此配比下的免燒陶粒性能。隨著淤泥含量繼續(xù)提高，二水鈣長(zhǎng)石的衍射峰消失，C-S-H類凝膠聚合物衍射峰更加寬泛，表明過(guò)高的淤泥/水泥比不利于陶粒內(nèi)部水化的進(jìn)行，C-S-H晶粒尺寸逐漸減小[17]。

2.2.2 不同粘結(jié)劑添加量陶粒的XRD分析

圖8為不同粘結(jié)劑含量下陶粒的XRD譜。由圖可以看出，隨著粘結(jié)劑含量的增加，物相組成無(wú)明顯變化，這是因?yàn)檎辰Y(jié)劑添加量少，僅對(duì)陶粒顆粒發(fā)揮物理粘連和吸附團(tuán)聚作用，因此XRD譜中不存在明顯的晶相組成突變。粘結(jié)劑含量為3%時(shí)，XRD譜中出現(xiàn)了較強(qiáng)的C-S-H衍射峰，但此時(shí)陶粒的強(qiáng)度出現(xiàn)了明顯降低，這一特殊現(xiàn)象與Viehland等[18]的研究相似，即水泥漿料中C-S-H凝膠在結(jié)構(gòu)及析出方式方面發(fā)生變化時(shí),原本從物料表面析出的C-S-H水化產(chǎn)物，變?yōu)榱藦奶樟?nèi)部孔隙中析出，增加了凝膠物質(zhì)間孔隙的尺寸，產(chǎn)生陶粒強(qiáng)度降低、吸水率升高的現(xiàn)象[19]，對(duì)材料力學(xué)性能產(chǎn)生反作用。

圖7 不同淤泥/水泥比陶粒的XRD譜Fig.7 XRD patterns of ceramsite with different silt/cement ratios

圖8 不同粘結(jié)劑添加量陶粒的XRD譜Fig.8 XRD patterns of ceramsite with different binder additions

2.2.3 不同石膏添加量陶粒的XRD分析

圖9為不同石膏添加量陶粒的XRD譜。從圖中可以看出，隨著石膏添加量增加，CaSO4·2H2O的衍射峰逐漸寬化，說(shuō)明石膏中的Ca2+與SO2-4進(jìn)入到陶粒骨架中發(fā)生水化反應(yīng)，提高了凝膠反應(yīng)的活性[20]，而CaSO4·2H2O不再以晶態(tài)形式存在。同時(shí)，CaCO3峰強(qiáng)不斷增加，這是由于石膏的緩凝作用，延長(zhǎng)了水化硬化時(shí)間，促進(jìn)Ca(OH)2碳化生成CaCO3。有研究表明[21]，CaCO3作為晶核有利于水化產(chǎn)物的附著，增加陶粒的強(qiáng)度。當(dāng)石膏添加量為10%時(shí)，鈣長(zhǎng)石峰強(qiáng)高，峰形窄，說(shuō)明此時(shí)鈣長(zhǎng)石以結(jié)晶度高的晶態(tài)相存在，其作為主要的致強(qiáng)物質(zhì)，使得陶粒的強(qiáng)度最高。當(dāng)石膏添加量為15%和20%時(shí)，鈣長(zhǎng)石峰強(qiáng)降低，說(shuō)明晶態(tài)鈣長(zhǎng)石減少，這是因?yàn)楫?dāng)摻加過(guò)量石膏后，會(huì)降低水化反應(yīng)系統(tǒng)的堿度，不利于鈣長(zhǎng)石類物質(zhì)的形成[22]。

2.2.4 不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間陶粒的XRD分析

圖10為不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間陶粒的XRD譜。從圖中可以看出，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)，CaCO3的衍射峰強(qiáng)先增大后減弱，說(shuō)明堿性保水養(yǎng)護(hù)條件下，碳酸鈣礦相在水化反應(yīng)初期不斷長(zhǎng)大，結(jié)晶度增加，后期維持穩(wěn)定。養(yǎng)護(hù)時(shí)間在21 d內(nèi)，C-S-H的衍射峰強(qiáng)有所增加，峰形變窄，表明其結(jié)晶度更好。21 d的XRD譜中鈣長(zhǎng)石的衍射峰形趨于尖銳并有新的衍射峰產(chǎn)生，表明經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的水化反應(yīng)，鈣長(zhǎng)石的結(jié)晶度不斷提高，出現(xiàn)晶粒長(zhǎng)大和新晶粒的形成，此類晶態(tài)的存在和增加有利于陶粒強(qiáng)度的提高[23]，因此陶粒在養(yǎng)護(hù)后期強(qiáng)度增加。28 d的XRD譜與21 d的相似，說(shuō)明水養(yǎng)達(dá)到一定時(shí)間后，陶粒內(nèi)部硬化過(guò)程基本完成，陶粒的性能基本達(dá)到穩(wěn)定，這與物理性能變化結(jié)果相符。

圖9 不同石膏添加量陶粒的XRD譜Fig.9 XRD patterns of ceramsite with different gypsum additions

圖10 不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間陶粒的XRD譜Fig.10 XRD patterns of ceramsite with different curing time

2.3 SEM分析

為探究不同淤泥/水泥比、粘結(jié)劑添加量、石膏添加量和養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)陶粒內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的影響，對(duì)不同陶粒樣品進(jìn)行了SEM分析，其微觀形貌見(jiàn)圖11～圖14。

2.3.1 不同淤泥/水泥比陶粒的SEM分析

從圖11中可以看出，淤泥/水泥比為1.5時(shí)，陶粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密，孔洞稀少，存在纖維狀、絮狀物質(zhì)相互粘結(jié)。結(jié)合XRD分析結(jié)果，判斷該物質(zhì)為C-S-H凝膠。C-S-H凝膠構(gòu)成陶粒顆粒間的骨架，促進(jìn)陶粒物料間的緊密結(jié)合，降低了孔隙率，使材料力學(xué)性能增加。隨著淤泥/水泥比的增加，陶粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)愈加松散，孔隙增多變大。淤泥/水泥比為2.5時(shí)，陶粒內(nèi)部為較大的密實(shí)團(tuán)聚體，表面很少存在未反應(yīng)的散雜小顆粒，表明在此配比下水泥對(duì)淤泥的固化效率高。當(dāng)淤泥/水泥比為3.0時(shí)，陶粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)松散，存在較大溝壑，表面有較多顆粒物。這是由于水泥添加量較少，不能提供足夠的活性物質(zhì)和堿性環(huán)境，導(dǎo)致無(wú)法產(chǎn)生足夠的水化凝膠產(chǎn)物將物塊相互粘結(jié)。結(jié)合XRD分析結(jié)果，表面的顆粒物質(zhì)可能為未完全反應(yīng)的活性SiO2，適量的SiO2作為酸性氧化物可影響陶粒內(nèi)部的酸度比率[24]，產(chǎn)生多種晶態(tài)礦相，提高陶粒整體強(qiáng)度，但過(guò)高的河湖淤泥導(dǎo)致活性SiO2未能完全反應(yīng)而暴露于表面，因此陶粒強(qiáng)度較低。

2.3.2 不同粘結(jié)劑添加量陶粒的SEM分析

圖12為原料中不同粘結(jié)劑含量陶粒的微觀形貌。當(dāng)未摻加粘結(jié)劑時(shí)，陶粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)散亂疏松。粘結(jié)劑含量為1%時(shí)，顆粒聚集成塊，表面及空隙中存在很多小顆粒晶體。這是由于粘結(jié)劑可以使溶解的物料再次形成晶體[25]，小顆粒晶體填充在顆粒間的縫隙中，使其結(jié)構(gòu)更加緊密，因此強(qiáng)度高，吸水率低。同時(shí)圖中還可以觀察到堆疊的片狀晶體，這是因?yàn)檎辰Y(jié)劑的高分子鏈開(kāi)始對(duì)晶面進(jìn)行選擇性吸附[26]。當(dāng)粘結(jié)劑含量增加到3%時(shí)，陶粒內(nèi)部出現(xiàn)明顯的大孔隙與溝壑。這是因?yàn)檫^(guò)量的粘結(jié)劑使物料初凝過(guò)快，陶粒內(nèi)部組分團(tuán)聚，阻礙水分參與凝膠物質(zhì)的形成，因而無(wú)法填充團(tuán)聚體之間的溝壑，導(dǎo)致形成相互不連接的大團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，致使陶粒強(qiáng)度有所降低，吸水率驟增。

圖11 不同淤泥/水泥比陶粒的SEM照片F(xiàn)ig.11 SEM images of ceramsite with different silt/cement ratios

2.3.3 不同石膏添加量陶粒的SEM分析

圖13為不同石膏添加量條件下陶粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)的微觀形貌?？梢园l(fā)現(xiàn)，石膏添加量為10%和20%時(shí)，陶粒內(nèi)部存在致密的團(tuán)聚體，這和物理性能中的較優(yōu)吸水率和顆粒密度相匹配。石膏添加量為10%時(shí)，陶粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊密，孔隙少，存在較多較密集的膠體物質(zhì)。根據(jù)文獻(xiàn)[27]發(fā)現(xiàn)石膏可以促進(jìn)水泥熟料中C3A形成鈣礬石，在Ca(OH)2存在下，形貌類似膠體，該物質(zhì)可能為C3A水化產(chǎn)物鈣礬石，具有提高陶粒強(qiáng)度的作用。因此，在石膏添加量達(dá)到10%時(shí)陶粒顆粒強(qiáng)度增加至峰值。石膏添加量為20%時(shí)，晶粒間存在較大間隙，陶粒強(qiáng)度下降，這是因?yàn)檫^(guò)量的石膏產(chǎn)生大量鈣礬石，導(dǎo)致水泥膨脹開(kāi)裂，陶粒的力學(xué)性能降低。所以石膏10%添加量最為合適。

圖12 不同粘結(jié)劑添加量陶粒的SEM照片F(xiàn)ig.12 SEM images of ceramsite with different binder additions

圖13 不同石膏添加量陶粒的SEM照片F(xiàn)ig.13 SEM images of ceramsite with different gypsum additions

2.3.4 不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間陶粒的SEM分析

圖14為不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間陶粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)的微觀形貌。從圖中可以看出，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為7 d時(shí)，坯料底部出現(xiàn)骨架狀物質(zhì)，孔洞多而大，結(jié)構(gòu)疏松。結(jié)合XRD分析結(jié)果，骨架狀物質(zhì)為原料中的碳酸鈣和氧化硅類物質(zhì)。養(yǎng)護(hù)時(shí)間為14 d時(shí)，骨架消失，物相聚集成塊，孔隙增多且分布均勻。說(shuō)明出現(xiàn)堿性物質(zhì)溶出并不斷腐蝕淤泥內(nèi)部，導(dǎo)致大量不規(guī)則片狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生，這與高明磊[28]的研究結(jié)果相似。同時(shí)，物相表面存在較多微小的絮狀顆粒，根據(jù)文獻(xiàn)[29]并結(jié)合XRD譜，判斷其部分為鈣長(zhǎng)石類物質(zhì)，能夠提高陶粒的顆粒強(qiáng)度。當(dāng)陶粒養(yǎng)護(hù)到21 d時(shí)，陶粒表面微觀組織結(jié)構(gòu)與養(yǎng)護(hù)28 d后的結(jié)果相似，孔隙封閉，物相緊密結(jié)合，形成的陶粒強(qiáng)度高，吸水率持續(xù)降低，與物理性能測(cè)試結(jié)果相一致。

圖14 不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間陶粒的SEM照片F(xiàn)ig.14 SEM images of ceramsite with different curing time

根據(jù)不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間陶粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)[30]與XRD分析，可以發(fā)現(xiàn)火山灰性質(zhì)摻合料(河湖淤泥與水泥)在陶粒水化硬化過(guò)程中起到較為主要的作用。其中混合料中存在的活性組分(如SiO2、Al2O3等)會(huì)在生料熟化過(guò)程中生成部分Ca(OH)2，這部分Ca(OH)2會(huì)再次進(jìn)行水化反應(yīng)，即式(3)～(5)[31]。

xCa(OH)2+SiO2+(n-1)H2O→xCaO·SiO2·nH2O

(3)

3Ca(OH)2+Al2O3+2SiO2+mH2O→3CaO·Al2O3·SiO2·nH2O

(4)

xCa(OH)2+Al2O3+mH2O→xCaO·Al2O3·nH2O

(5)

在上述水化反應(yīng)過(guò)程中，影響水化反應(yīng)進(jìn)程和最后陶粒成品物理化學(xué)性能的關(guān)鍵為C-S-H(CaO·SiO2·nH2O)類水化產(chǎn)物的生成。隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，C-S-H物質(zhì)不斷生成與聚集，陶粒物理性能不斷得到優(yōu)化。

3 結(jié) 論

淤泥作為生產(chǎn)免燒陶粒的原料，其利用率可達(dá)到60%以上，是淤泥資源化利用的新途徑。研究結(jié)果表明，隨著淤泥/水泥比的提高，C-S-H結(jié)晶度不斷減弱，當(dāng)淤泥/水泥比為2.5時(shí)出現(xiàn)二水鈣長(zhǎng)石類物質(zhì)，此時(shí)陶粒表面有較多的密實(shí)團(tuán)聚體，陶粒吸水率達(dá)到最低，為8.32%。因?yàn)檎辰Y(jié)劑對(duì)陶粒顆粒發(fā)揮物理粘連和吸附團(tuán)聚作用，隨著粘結(jié)劑從0%增加到2%，內(nèi)部顆粒聚集成塊，含量大于2%后團(tuán)聚體間出現(xiàn)較多溝壑，致使陶粒強(qiáng)度降低到1.35 MPa，吸水率由4.1%驟增至10.2%。石膏有利于提高凝膠反應(yīng)活性，當(dāng)石膏添加量為10%時(shí)，鈣長(zhǎng)石峰強(qiáng)最強(qiáng)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊密，孔隙少，顆粒密度維持在1.12 g·cm-3到1.16 g·cm-3之間。在最優(yōu)原料配比條件下，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間延長(zhǎng)，C-S-H和鈣長(zhǎng)石的結(jié)晶度不斷提高，養(yǎng)護(hù)時(shí)間達(dá)到21 d以后，內(nèi)部物相緊密結(jié)合，孔隙封閉，形成強(qiáng)度為4.49 MPa，顆粒密度為1.3 g·cm-3，吸水率為9.78%的優(yōu)質(zhì)陶粒。