张宝成，李翠梅，孙志康，张绍广

（苏州科技大学 环境科学与工程学院，江苏 苏州 215009）

0 引言

近年来随着低影响开发理念（LID）措施在海绵城市中的广泛应用，海绵城市下垫面建设对黏土、沥青、水泥等材料的需求量不断提高，研究和开发此类不可再生材料的替代品成为当前的一个热点。同时，黑臭河道治理、城市污水处理等产生了大量的淤泥，这些淤泥含有大量有机物及各类污染物[1]。如果用掩埋、堆放等传统的处理方法对河道底泥进行处置，不仅成本极高，还会对土壤、地下水等造成“二次污染”，破坏生态环境[2]，也是可再生资源的浪费。目前，淤泥资源化利用主要用于制备陶粒、砖瓦和作为固化土使用。施鹏等[3]利用河道淤泥、水泥和粉煤灰等制备环保免烧砖，当淤泥掺量为60%时，抗压强度为11.4MPa，而成本仅为0.3431元/块，具有显著的经济、社会价值。刘继状等[4]研究淤泥砖在不同配比下的吸水率和软化系数等，发现粉煤灰和水泥同时作用，有助于提高免烧砖的耐久性，防水剂可以改善免烧砖的耐水及抗冻性能。

目前，国内外常用的透水铺装材料基本具备了一定的透水性能。刘恒源等[5]用风积砂制备微孔生态透水材料，其透水系数为2.3×10-2cm/s，抗压强度达32.7MPa，对水中SS去除率达75%以上。于搏海等[6]对市场上各类透水铺装材料的透水性能进行研究，发现陶瓷类透水砖的平均渗透系数为9.1×10-4m/s，混凝土类透水砖的为1.9×10-3m/s，透水混凝土路面为1.4×10-2m/s。基本能够实现海绵城市“渗、滞、蓄、净、用、排”中“渗”的功能，对缓解径流总量及洪峰流量具有一定的作用。但同时具有良好的透水性能、保水性能的透水铺装材料目前研究较少。

本研究选择以河道底泥为主要原材料，经过处理后，加入其它废弃材料生产具有透水性能、保水性能的环保砖、砌块[1]，作为建设海绵城市的新材料。既可以用来代替建筑材料，又能够解决河道底泥的处置问题，为河道底泥资源化利用提供一个新的路径，具有良好的社会性、经济性以及环境效益[7]。

1 实验

1.1 原材料

河道底泥：200目，苏州科技大学外围河道淤泥；硅藻土：325～500目，工业级；生石灰：分析纯，上海润捷化学试剂有限公司；废玻璃粉：工业级，粒径：2.25±0.5μm，比重2.65 g/mL，莫氏硬度7.8；水泥：P·O42.5；高分子吸水性树脂（SPA）：含88%低交联型聚丙烯酸钠（其中含钠24.5%），8%～10%水，0.5%～1.0%交联剂；粗骨料：4目，河砂，工业级；细骨料：16目，河砂，工业级。原材料化学成分见表1。

表1 河道底泥和废玻璃粉的主要化学成分 %

1.2 实验仪器

搅拌机（NSZ-5L）、金属模具（40 mm×40 mm×40 mm）、ZKY-400蒸汽养护箱、电热恒温鼓风干燥箱（上海龙跃，LDO-9240A）、全自动强力试验机（无锡东仪，OPERATOR DY-2008）、全自动压力试验机（无锡东仪，DY-208M）、JCM-700台式扫描电镜、HACH2100Q便携式浊度分析仪、UV-2601紫外分光光度计（南京沃拓）、悬浮物测定仪（SS-500D）、水平振荡仪（TP-06）。

1.3 免烧砖的制备方法

河道底泥在干燥粉碎后经200目筛去除杂物，将其和生石灰、硅藻土等原材料混合干搅后放入搅拌机，加入混合料干重20%的水，以150 r/min的速度搅拌3 min。然后，将其倒入模具，在10 MPa压力下压制成型，稳压3 min后取出。自然干燥2 h后，将其放入蒸汽养护箱中，在90℃条件下养护2～3 d，直至样品水化反应完全结束。取出样品后自然干燥2～3 d，测试其抗压强度、保水性以及对雨水中SS和COD的去除效果，免烧砖成品见图1。

图1 制作模具和免烧砖成品

1.4 性能测试方法

（1）抗压强度及保水性：按照JC/T 945—2005《透水砖》进行测试；（2）SS：用仪器直接测试；（3）COD：按照HJ/T299—2007《水质化学需氧量的测定快速消解分光光度法》进行测试。

2 结果与分析

2.1 免烧砖的抗压性能

2.1.1 玻璃粉和水泥配比试验研究

根据JGJ55—2011《普通混凝土配合比设计规程》的相关要求，以及材料的特性，最终确定淤泥基料中河道底泥和硅藻土的配比为5∶3，分别取80 g和48 g，此时免烧砖的抗压强度仅为2.2 MPa。故向淤泥基料中加入16 g生石灰，此时抗压强度提高至5.5 MPa，但仍达不到MU10等级的要求，因此加入水泥来提高免烧砖的力学性能。

水泥混合料（玻璃粉质量占10%）以淤泥基料质量为参照，以5%的比例从0增加到50%，加入到淤泥基料中，按1.3步骤制备免烧砖，水泥混合料掺量对免烧砖抗压强度的影响如图2所示。

图2 水泥混合料掺量对免烧砖抗压强度的影响

由图2可知，随水泥混合料掺量增加，样品抗压强度随之提高，掺量达到50%时，抗压强度达到最大值，为18.3MPa。但随着水泥混合料掺量的增加，抗压强度增长幅度不断减小。综合考虑，取水泥混合料为淤泥基料质量的30%，此时抗压强度为15.7 MPa，达到MU10等级的要求，具有实际工程应用价值。

2.1.2 微观分析（见图3）

图3 样品的SEM照片

由图3可知，纯淤泥基料样品的颗粒之间分布独立，没有联系，空间间隙较大，结构稳定性差，在外力作用下，易被破坏；掺入生石灰的样品颗粒之间填充着水化反应产生的熟石灰晶体和絮状物，具有良好的胶结作用，结构更加稳定；掺入生石灰和水泥混合料的样品相较其他样品，颗粒间有更多的水化产物[C2SH、CSH（B）和C2SH2]，这些水化产物不仅起着很好的胶结作用，将颗粒相互连结，使其呈现网状结构，而且填充了颗粒间的空隙，使基体结构更加紧密，从而显著提高样品的抗压强度。

2.2 免烧砖的蓄水性能研究

影响免烧砖蓄水性能的3个主要因素：（1）脂胶比即高分子吸水性树脂与胶结材料的质量比；（2）集灰比即粗细骨料总质量与胶结材料的质量比；（3）细骨料与粗骨料的质量比。为研究三者对免烧砖蓄水性能的影响，在已经确定的配比（水泥混合料为淤泥基料质量的30%）基础上，向淤泥基料中掺入SPA和粗细骨料，设计正交试验，根据试验设计制备免烧砖，测试其表面密度、保水性以及吸水率。当免烧砖达到饱和吸水质量后，测试其体积含水率随时间的变化，进行对比分析。正交试验因素水平表如表2所示，正交试验设计及结果如表3所示，正交试验极差分析如表4所示。

表2 正交试验因素水平

表3 正交试验设计及结果

表4 正交试验极差分析

2.2.1 脂胶比对免烧砖性能的影响

由表4可知：

（1）脂胶比对样品的保水性影响较小。当脂胶比从1∶200提高至1∶100时，样品平均保水性从0.41g/cm2提高至0.49g/cm2，提高了19.51%；而脂胶比从1∶100提高至1∶50时，样品平均保水性从0.49 g/cm2提高至0.50 g/cm2，提高了2.04%。

（2）脂胶比对样品的吸水率影响较大。当脂胶比从1∶200提高至1∶100时，样品吸水率从7.37%提高至9.31%，提高了26.32%；而脂胶比从1∶100提高至1∶50时，样品吸水率从9.31%提高至9.57%，提高了2.79%。

（3）脂胶比对样品的100 h后体积含水率影响相对最大。当脂胶比从1∶200提高至1∶100时，样品平均吸水率从3.73%提高至5.33%，提高了42.90%；而脂胶比从1∶100提高至1∶50时，样品平均吸水率从5.33%提高至5.80%，提高了8.82%。

试验结果表明，脂胶比的增大，样品的保水性、吸水率和100 h后体积含水率都相应增大。但与脂胶比从1∶100提高至1∶50相比，脂胶比从1∶200提高至1∶100时，增幅较大，原因可能是样品中SPA吸收大量水分子，分布在样品内部孔隙中，导致样品的保水性、吸水率和100 h后体积含水率有较大幅度提高。但随着脂胶比的提高，SPA吸收大量水分子后，样品内部孔隙被填满，从而导致样品的保水性、吸水率和100 h后体积含水率增长变缓。其中6#样品100 h后体积含水率为6.45%，说明脂胶比对蓄水性能起着至关重要的作用。

2.2.2 集灰比对免烧砖性能的影响

由表4可知：

（1）集灰比对样品的保水性影响相对最大。当集灰比从2∶1增大至3∶1时，样品保水性从0.31g/cm2提高至0.41g/cm2，提高了32.26%；而集灰比从3∶1增大至4∶1时，样品平均保水性从0.41 g/cm2提高至0.70 g/cm2，提高了70.73%。

（2）集灰比对样品的吸水率影响相对最大。当集灰比从2∶1提高至3∶1时，样品平均吸水率从7.67%提高至7.84%，提高了2.22%；而集灰比从3∶1提高至4∶1时，样品平均吸水率从7.84%提高至10.74%，提高了36.99%。

（3）集灰比对样品的100 h后体积含水率影响较大。当集灰比从2∶1提高至3∶1时，样品吸水率从5.11%提高至6.43%，提高了25.83%，当集灰比从3∶1提高至4∶1时，100 h后体积含水率从6.43%降低至5.54%，降低了13.84%。

试验结果表明，集灰比是影响样品保水性和蓄水性能的主要因素，随着集灰比的提高，包裹在粗细骨料表面的胶结材料减少，颗粒间孔隙变大，形成稳定连通的透水通道和孔隙空间，使得样品保水性和吸水率有较大提高，而由于孔隙的变大，导致集灰比从3∶1提高至4∶1时性能反而下降。

2.2.3 m（细骨料）∶m（粗骨料）对样品性能的影响

由表4可知：

（1）m（细骨料）∶m（粗骨料）对样品的保水性影响相对最小。当m（细骨料）∶m（粗骨料）从3∶1增大至5∶1时，样品保水性从0.50 g/cm2降低至0.46 g/cm2，降低了8%；而m（细骨料）∶m（粗骨料）从5∶1增大至7∶1时，样品保水性从0.46 g/cm2降低至0.45 g/cm2，降低了2.17%。

（2）m（细骨料）∶m（粗骨料）对样品的吸水率影响相对最小。当m（细骨料）∶m（粗骨料）从3∶1增大至5∶1时，样品吸水率从9.45%降低至8.26%，降低了12.59%；而m（细骨料）∶m（粗骨料）从5∶1增大至7∶1时，样品吸水率从8.26%提高至8.54%，提高了3.39%。

（3）m（细骨料）∶m（粗骨料）对样品的100 h后体积含水率影响相对最小。当m（细骨料）∶m（粗骨料）从3∶1提高至5∶1时，样品平均吸水率从4.81%降低至4.62%，降低了3.95%，当m（细骨料）∶m（粗骨料）从5∶1提高至7∶1时，100 h后体积含水率从4.62%提高至5.42%，增加了17.32%。

试验结果表明，随着m（细骨料）∶m（粗骨料）的增大，细骨料占比增大，粗骨料占比减小，使样品内部孔隙率减小，从而导致样品保水性和吸水率降低，而100 h后体积含水率起初变化不大，随后增大。

2.2.4 3种因素对样品性能的综合影响

综上所述，从样品的保水性和吸水率来看，3种因素对免烧砖的影响能力：集灰比＞脂胶比＞m（细骨料）∶m（粗骨料），其中集灰比极差最大，起决定性作用，影响最大；虽然脂胶比极差小于集灰比，但仍然有较大的影响；而m（细骨料）∶m（粗骨料）影响最小。从样品100 h后体积含水率来看，综合考虑，3种因素对免烧砖的影响能力：脂胶比＞集灰比＞m（细骨料）∶m（粗骨料），其中脂胶比极差最大，起决定性作用，影响最大；虽然集灰比极差小于脂胶比，但仍然有较大的影响；而m（细骨料）∶m（粗骨料）影响最小。综合考虑，确定脂胶比为1∶50、集灰比为3∶1、m（细骨料）∶m（粗骨料）为5∶1（2#），此时，免烧砖的保水性为0.49 g/cm2，吸水率为9.43%，100 h后体积含水率为5.21%。

将试验样品用土工布包裹，放于植草沟下400 mm处，在下雨结束100 h后测试其体积含水率，发现此时体积含水率为10.42%，远高于实验室条件下的体积含水率，可能由于湿润土壤提供样品水分，并且由于样品处于土壤中，通风条件差所致。

2.3 免烧砖去除雨水中SS和COD研究

取上述2#样品，用4种不同浓度的1 L模拟雨水进行过滤实验，其中SS初始浓度分别为48、114、247、346 mg/L，COD初始浓度分别为10、20、30、40 mg/L，测试模拟雨水中SS、COD过滤前后的浓度C0、Ce，计算去除率u，免烧砖对雨水中的SS、COD去除效果的试验结果见表5。

表5 免烧砖对雨水中SS、COD的去除效果

由表5可知：（1）对比4种不同SS初始浓度（48、114、247、346 mg/L）的模拟雨水，当模拟雨水中SS初始浓度增大时，免烧砖对其去除效果有一定的提高，但达到一定浓度后去除效果几乎不再变化，去除效率最高可达52.23%；（2）对比4种不同COD初始浓度（10、20、30、40 mg/L）的模拟雨水，当模拟雨水中COD初始浓度增加时，免烧砖对其去除效果有一定的提高，但达到一定浓度后去除效果几乎不再变化，去除效率最高可达46.27%。试验结果表明，该免烧砖对模拟雨水中SS、COD均具有良好去除效果。

3 结论

（1）在免烧砖的制备过程中，水泥混合料为淤泥基料质量的30%时，免烧砖抗压强度最高，为15.7 MPa，符合GB 50574—2010《墙体材料应用统一技术规范》中的MU10强度等级要求，具有实际的工程应用价值。

（2）集灰比对免烧砖的保水性和吸水率的影响最大，脂胶比其次，m（细骨料）∶m（粗骨料）影响最小；而脂胶比对100 h后免烧砖的体积含水率影响最大。综合考虑，确定脂胶比为1∶50、集灰比为3∶1、m（细骨料）∶m（粗骨料）为5∶1，此时，免烧砖的保水性为0.49 g/cm2，吸水率为9.43%，100 h后样品的体积含水率为5.21%。表明免烧砖具有较高的蓄水性能，可用作海绵城市下垫面的蓄水材料。

（3）对模拟雨水中SS、COD的去除效率分别最高可达到52.23%和46.27%，表明该免烧砖对模拟雨水中SS、COD均具有良好去除效果，具有实际应用价值。