房小萌，寇明月，袁雯雯，房洪鑫，隨玉軒，宋文華，張媛媛

（山東石油化工學(xué)院環(huán)境工程系，山東東營(yíng) 257061）

隨著我國(guó)工業(yè)化程度越來越高，工業(yè)固體廢棄物產(chǎn)量越來越多，易造成地下水污染和土壤鹽堿化[1]，既侵占了土地空間的同時(shí)又嚴(yán)重污染了自然環(huán)境。赤泥是制鋁工業(yè)的典型工業(yè)固廢，每年的排放量約達(dá)1 億t，而其綜合利用率僅為4%，大部分處于堆存狀態(tài)。河道底泥也被列為一般工業(yè)固廢的范疇[2]，是黑臭水體亟待治理的對(duì)象。底泥中的重金屬、有機(jī)物成為影響水體環(huán)境質(zhì)量的重要污染物[3]。同時(shí)，我國(guó)作為煤炭消耗大國(guó)，該行業(yè)的工業(yè)固廢有1/3 是煤矸石[4]，若棄置不用不僅占用土地，其中的硫化物浸出或逸出還會(huì)污染大氣、農(nóng)田和水體，甚至危害人體健康。諸如以上工業(yè)固廢產(chǎn)生的問題頗多，因此，如何妥善處理并實(shí)現(xiàn)其資源化已成為社會(huì)和行業(yè)的焦點(diǎn)問題[5-6]。

目前，一些學(xué)者在利用赤泥、河道底泥以及煤矸石等固體廢棄物制備燒結(jié)磚方面進(jìn)行了大量研究[7-9]，結(jié)果顯示對(duì)固體廢物進(jìn)行燒結(jié)是最經(jīng)濟(jì)可行且安全環(huán)保的固廢資源處置方式之一。本課題采用赤泥、河道底泥以及煤矸石為原料分別制成赤泥-河道底泥（RMRS）、赤泥-煤矸石（RM-CG）的燒結(jié)磚，測(cè)試磚的抗壓強(qiáng)度、吸水率和浸出液COD，探究燒結(jié)磚的最佳燒結(jié)工藝條件，為循環(huán)經(jīng)濟(jì)和建筑節(jié)能提供技術(shù)支撐[10]。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

本實(shí)驗(yàn)采用赤泥、河道底泥、煤矸石作為燒結(jié)磚的原材料（化學(xué)成分見表1），其中赤泥的主要成分為Fe2O3、Al2O3、CaO、SiO2，河道底泥、煤矸石的主要成分為SiO2、Al2O3。

表1 原材料的主要化學(xué)成分%

實(shí)驗(yàn)所需儀器：YAW-2000 微機(jī)控制壓力試驗(yàn)機(jī)（上海浦予工業(yè)科技有限公司）、SR-5-12Y 陶瓷纖維箱式電阻爐（上海舍巖儀器有限公司）、6B-9 型智能消解儀（上海重逢科學(xué)儀器有限公司）、PHDJ-5 型pH 計(jì)（上海儀電科學(xué)儀器有限公司）等。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)制備的磚坯為圓柱形，由模擬制磚模具（直徑35 mm、高15 mm）壓制而成。將赤泥、河道底泥以及煤矸石在烘箱內(nèi)105 ℃干燥24 h，并按照不同比例加入適量水進(jìn)行充分混合，隨后制成約50 g 的磚坯；再次置于105 ℃烘箱中干燥24 h 后，放于陶瓷纖維箱式電阻爐燒制，升溫至1 050 ℃，保溫時(shí)間1～2.5 h，制備流程如圖1 所示。

圖1 燒結(jié)磚的制備流程圖

RM-RS 燒結(jié)磚的制備，赤泥和河道底泥的原料配比分別為1∶9、3∶7、5∶5、7∶3、9∶1。RM-CG 燒結(jié)磚的燒結(jié)中，赤泥和煤矸石原料配比分別為1∶9、3∶7、5∶5、7∶3、9∶1。

本實(shí)驗(yàn)采用的升溫程序依據(jù)文獻(xiàn)［1］：從室溫升溫到260 ℃保溫30 min，繼續(xù)加熱到600 ℃保溫30 min，最后加熱到1 050 ℃，分別保溫1 h、1.5 h、2 h、2.5 h，之后進(jìn)行自動(dòng)降溫。

吸水率采用干重法105 ℃恒溫24 h；抗壓強(qiáng)度使用微機(jī)控制壓力試驗(yàn)儀，載荷速率為0.3 kN/s；按照《固體廢物浸出毒性浸出方法水平振蕩法》（HJ 557—2010）獲得浸出液，采用《水質(zhì)化學(xué)需氧量的測(cè)定重鉻酸鹽法》（HJ 828—2017）中的重鉻酸鹽法對(duì)浸出液COD 進(jìn)行檢測(cè)。

2 結(jié)果與討論

2.1 RM-RS 燒結(jié)磚對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響分析

不同保溫時(shí)間下RM-RS 燒結(jié)磚的抗壓強(qiáng)度如圖2 所示。當(dāng)保溫時(shí)間增加時(shí)，RM-RS 燒結(jié)磚的抗壓強(qiáng)度升高，在2 h 達(dá)到峰值，隨后逐漸降低，因此可將2 h作為最佳保溫時(shí)長(zhǎng)，此時(shí)所對(duì)應(yīng)的最佳抗壓強(qiáng)度可達(dá)到33.06 MPa。造成保溫時(shí)間在1～2.5 h 內(nèi)先增加后降低的原因是：在保溫時(shí)間較短時(shí)，物料的擴(kuò)散程度隨著保溫時(shí)間的增加而增大，液相的流動(dòng)性增加，進(jìn)而對(duì)離子和空位的擴(kuò)散起到了促進(jìn)作用，也導(dǎo)致了顆粒重排和粘、塑性流動(dòng)等物質(zhì)傳遞，因此物料的密度隨之變大，故適當(dāng)延長(zhǎng)燒結(jié)時(shí)間有利于抗壓強(qiáng)度的增加。然而不恰當(dāng)?shù)匮娱L(zhǎng)保溫時(shí)間，有時(shí)會(huì)促進(jìn)二次結(jié)晶的發(fā)生，不利于燒結(jié)磚致密性能的形成，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度降低。

圖2 不同保溫時(shí)間下RM-RS 燒結(jié)磚的抗壓強(qiáng)度

汪凱舉等[11]在論文中得出了類似的結(jié)果，其抗壓強(qiáng)度峰值對(duì)應(yīng)的保溫時(shí)間也為2 h，當(dāng)超過2 h 后，坯體顏色發(fā)黑且產(chǎn)生裂痕。范玉晶[12]研究表明保溫時(shí)間由30 min 增加至70 min 時(shí)，抗壓強(qiáng)度呈上升的趨勢(shì)，這與文中研究結(jié)果也吻合。楊理清[13]在考察保溫時(shí)間對(duì)金剛石工具產(chǎn)品性能的影響時(shí)，也得出同樣的結(jié)論：保溫時(shí)間過長(zhǎng)或過短，對(duì)產(chǎn)品性能都會(huì)產(chǎn)生不利影響。

不同赤泥摻量下RM-RS 燒結(jié)磚的抗壓強(qiáng)度如圖3 中“標(biāo)準(zhǔn)”柱圖所示。依據(jù)《燒結(jié)普通磚》（GB/T 5101—2017） 的規(guī)范要求，將MU10、MU15、MU20、MU25、MU30 5 個(gè)等級(jí)分別表示燒結(jié)磚的抗壓強(qiáng)度超過10 MPa、15 MPa、20 MPa、25 MPa、30 MPa。從圖3 中可以看出：赤泥摻量為10%、50%、90%時(shí)可達(dá)到MU10；當(dāng)赤泥摻量30%的磚符合MU20，而赤泥摻量70%的磚符合MU30。

圖3 不同赤泥摻量下RM-RS 燒結(jié)磚的抗壓強(qiáng)度

由此可知，在不同保溫時(shí)間內(nèi)，赤泥摻量為70%時(shí)所制得燒結(jié)磚的抗壓強(qiáng)度最好，為33.06 MPa，這與汪凱舉[11]的研究結(jié)果一致。當(dāng)燒結(jié)磚中的赤泥摻量為10%時(shí)抗壓強(qiáng)度最差，為11.02 MPa。根據(jù)抗壓強(qiáng)度由大到小排列，得到燒結(jié)磚中赤泥摻量比例排序?yàn)?0%＞30%＞50%＞90%＞10%。

2.2 RM-CG 燒結(jié)磚對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響分析

不同保溫時(shí)間下RM-CG 燒結(jié)磚的抗壓強(qiáng)度如圖4 所示。當(dāng)保溫時(shí)間的增加時(shí)，RM-CG 燒結(jié)磚的抗壓強(qiáng)度升高，在2 h 達(dá)到峰值，隨后逐漸降低。當(dāng)赤泥摻量為70%、保溫時(shí)間為2 h 時(shí)，所制燒結(jié)磚的抗壓強(qiáng)度最好，為20.20 MPa；赤泥摻量10%時(shí)所制燒結(jié)磚的抗壓強(qiáng)度最差，為7.35 MPa。

圖4 不同保溫時(shí)間下RM-CG 燒結(jié)磚的抗壓強(qiáng)度

在赤泥摻量不同的條件下，燒結(jié)時(shí)的保溫時(shí)間對(duì)燒結(jié)磚抗壓強(qiáng)度的影響趨勢(shì)大致相同；在同一保溫時(shí)間時(shí)，赤泥摻量10%時(shí)磚的抗壓強(qiáng)度最小，而赤泥摻量為70%時(shí)，磚的抗壓強(qiáng)度普遍高于其他摻量，例如，保溫時(shí)間2 h 時(shí)，燒結(jié)磚抗壓強(qiáng)度按照由大到小排列，赤泥摻量比例70%＞50%＞90%＞30%＞10%。

從圖5 中可以看出：赤泥與煤矸石組合，燒出的磚抗壓等級(jí)最高滿足MU20，此時(shí)赤泥摻量為70%。對(duì)比圖3 和圖5 可知，赤泥摻量均為70%時(shí)抗壓強(qiáng)度最好，且赤泥-河道底泥比赤泥-煤矸石燒結(jié)磚的抗壓強(qiáng)度效果更好。通過與燒結(jié)磚的抗壓標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)赤泥摻量為90%時(shí)，燒結(jié)磚符合MU10 標(biāo)準(zhǔn)的抗壓強(qiáng)度；當(dāng)摻量為50%、70%時(shí)，燒制得到的燒結(jié)磚均符合MU15 標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 不同赤泥摻量下RM-CG 燒結(jié)磚的抗壓強(qiáng)度

2.3 燒結(jié)磚浸出液COD 的結(jié)果分析

在分析了燒結(jié)磚作為建筑材料最重要的指標(biāo)抗壓強(qiáng)度后，由于燒結(jié)磚的原料屬于工業(yè)固廢，因此，對(duì)燒結(jié)磚浸出液的COD 進(jìn)行了測(cè)試，COD 在39～90 mg/L，符合I 類一般工業(yè)固廢COD 低于100 mg/L 的要求。

3 結(jié)論

通過對(duì)比RM-RS 和RM-CG 兩種燒結(jié)磚發(fā)現(xiàn)：RM-RS 整體抗壓強(qiáng)度高于RM-CG。在1 050 ℃的燒結(jié)溫度、赤泥摻量相同下，保溫時(shí)間在1～2.5 h 增加時(shí)，其抗壓強(qiáng)度先增加后降低，確定了最佳保溫時(shí)間為2 h。在保溫時(shí)間2 h 時(shí)，RM∶RS=7∶3 時(shí)，燒結(jié)磚的抗壓強(qiáng)度最高，可達(dá)33.06 MPa，抗壓等級(jí)達(dá)到MU30，浸出液COD 為52 mg/L，符合環(huán)保要求。