引言

近年來(lái)隨著低影響開(kāi)發(fā)理念(LID)措施在海綿城市中的廣泛應(yīng)用，海綿城市下墊面建設(shè)對(duì)黏土、瀝青、水泥等材料的需求量不斷提高，研究和開(kāi)發(fā)此類(lèi)不可再生材料的替代品成為當(dāng)前的一個(gè)熱點(diǎn)。同時(shí)，黑臭河道治理、城市污水處理等產(chǎn)生了大量的淤泥,這些淤泥含有大量有機(jī)物及各類(lèi)污染物。

如果用掩埋、堆放等傳統(tǒng)的處理方法對(duì)河道底泥進(jìn)行處置，不僅成本極高,還會(huì)對(duì)土壤、地下水等造成“二次污染”,破壞生態(tài)環(huán)境,也是可再生資源的浪費(fèi)。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(huán)保免燒磚,當(dāng)淤泥摻量為60%時(shí),抗壓強(qiáng)度為11.4MPa，而成本僅為0.3431元/塊，具有顯著的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)價(jià)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(shù)等，發(fā)現(xiàn)粉煤灰和水泥同時(shí)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(guó)內(nèi)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(fēng)積砂制備微孔生態(tài)透水材料,其透水系數(shù)為2.3x102cm/s，抗壓強(qiáng)度達(dá)32.7MPa，對(duì)水中SS去除率達(dá)75%以上。于搏海等對(duì)市場(chǎng)上各類(lèi)透水鋪裝材料的透水性能進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)陶瓷類(lèi)透水磚的平均滲透系數(shù)為9.1x10 -4m/s,混凝土類(lèi)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?qū)崿F(xiàn)海綿城市“滲、滯、蓄、凈、用、排”中“滲”的功能，對(duì)緩解徑流總量及洪峰流量具有一定的作用。但同時(shí)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(jīng)過(guò)處理后,加入其它廢棄材料生產(chǎn)具有透水性能、保水性能的環(huán)保磚、砌塊!，作為建設(shè)海綿城市的新材料。既可以用來(lái)代替建筑材料，又能夠解決河道底泥的處置問(wèn)題，為河道底泥資源化利用提供一個(gè)新的路徑,具有良好的社會(huì)性、經(jīng)濟(jì)性以及環(huán)境效益”

1實(shí)驗(yàn)
1.1原材料
河道底泥:200目,蘇州科技大學(xué)外圍河道淤泥;硅藻土:325-500目,工業(yè)級(jí);生石灰:分析純,上海潤(rùn)捷化學(xué)試劑有限公司;廢玻璃粉:工業(yè)級(jí)，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(shù)脂(SPA):含88%低交聯(lián)型聚丙烯酸鈉(其中含鈉 24.5%),8%-10%水，0.5%-1.0%交聯(lián)劑;粗骨料:4目,河砂，工業(yè)級(jí);細(xì)骨料:16目,河砂,工業(yè)級(jí)。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

攪拌機(jī)(NSZ-5L)、金屬模具(40mmx40mmx40mm)、ZKY-400蒸汽養(yǎng)護(hù)箱、電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海龍躍， LDO-9240A)、全自動(dòng)強(qiáng)力試驗(yàn)機(jī)(無(wú)錫東儀,OPERATORDY-2008)、全自動(dòng)壓力試驗(yàn)機(jī)(無(wú)錫東儀，DY-208M)、JCM-700臺(tái)式掃描電鏡、HACH2100Q便攜式濁度分析儀、UV-2601紫外分光光度計(jì)(南京沃拓)、懸浮物測(cè)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(jīng) 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(jī)，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(wěn)壓3min后取出。自然干燥2h后，將其放入蒸汽養(yǎng)護(hù)箱中，在90℃條件下養(yǎng)護(hù)2-3d,直至樣品水化反應(yīng)完全結(jié)束。取出樣品后自然干燥2-3d,測(cè)試其抗壓強(qiáng)度、保水性以及對(duì)雨水中SS和COD的去除效果。

1.4性能測(cè)試方法
(1)抗壓強(qiáng)度及保水性:按照J(rèn)C/T945-2005《透水磚》進(jìn)行測(cè)試;(2)SS:用儀器直接測(cè)試;(3)COD:按照HJ/T299-2007《水質(zhì)化學(xué)需氧量的測(cè)定快速消解分光光度法》進(jìn)行測(cè)試。

2結(jié)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(yàn)研究
根據(jù)JGJ55-2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》的相關(guān)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(shí)免燒磚的抗壓強(qiáng)度僅為2.2MPa。故向淤泥基料中加入16g生石灰，此時(shí)抗壓強(qiáng)度提高至5.5MPa,但仍達(dá)不到MU10等級(jí)的要求,因此加入水泥來(lái)提高免燒磚的力學(xué)性能。

水泥混合料(玻璃粉質(zhì)量占10%)以淤泥基料質(zhì)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(duì)免燒磚抗壓強(qiáng)度的影響。

由圖2可知，隨水泥混合料摻量增加，樣品抗壓強(qiáng)度隨之提高，摻量達(dá)到50%時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到******值,為18.3MPa。但隨著水泥混合料摻量的增加，抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度不斷減小。綜合考慮,取水泥混合料為淤泥基料質(zhì)量的30%，此時(shí)抗壓強(qiáng)度為15.7MPa,達(dá)到MU10等級(jí)的要求，具有實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。

由圖3可知,純淤泥基料樣品的顆粒之間分布獨(dú)立,沒(méi)有聯(lián)系,空間間隙較大,結(jié)構(gòu)穩(wěn)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(yīng)產(chǎn)生的熟石灰晶體和絮狀物，具有良好的膠結(jié)作用,結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)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(chǎn)物[CSH.CSH(B)和CSH]這些水化產(chǎn)物不僅起著很好的膠結(jié)作用,將顆粒相互連結(jié),使其呈現(xiàn)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),而且填充了顆粒間的空隙,使基體結(jié)構(gòu)更加緊密，從而顯著提高樣品的抗壓強(qiáng)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(gè)主要因素:(1)脂膠比即高分子吸水性樹(shù)脂與膠結(jié)材料的質(zhì)量比;(2)集灰比即粗細(xì)骨料總質(zhì)量與膠結(jié)材料的質(zhì)量比;(3)細(xì)骨料與粗骨料的質(zhì)量比。為研究三者對(duì)免燒磚蓄水性能的影響，在已經(jīng)確定的配比(水泥混合料為淤泥基料質(zhì)量的30%)基礎(chǔ)上，向淤泥基料中摻入SPA和粗細(xì)骨料,設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)制備免燒磚，測(cè)試其表面密度、保水性以及吸水率。當(dāng)免燒磚達(dá)到飽和吸水質(zhì)量后，測(cè)試其體積含水率隨時(shí)間的變化，進(jìn)行對(duì)比分析。

2.2.1 脂膠比對(duì)免燒磚性能的影響
(1)脂膠比對(duì)樣品的保水性 影響較小。當(dāng)脂膠比從1:200提高至1:100時(shí)，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(shí)，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(duì)樣品的吸水率影響較大。當(dāng)脂膠比從1:200提高至1:100時(shí)，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(shí)，樣品吸水率從9.31%提高至9.57%,提高了2.79%。
(3)脂膠比對(duì)樣品的100h后體積含水率影響相對(duì)******。當(dāng)脂膠比從1:200提高至1:100時(shí)，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(shí)，樣品平均吸水率從5.33%提高至5.80%,提高了8.82%。
試驗(yàn)結(jié)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(yīng)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(shí)，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(nèi)部孔隙中，導(dǎo)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(nèi)部孔隙被填滿，從而導(dǎo)致樣品的保水性、吸水率和100h后體積含水率增長(zhǎng)變緩。其中6#樣品100h后體積含水率為
6.45%，說(shuō)明脂膠比對(duì)蓄水性能起著至關(guān)重要的作用。

2.2.2 集灰比對(duì)免燒磚性能的影響由
(1)集灰比對(duì)樣品的保水性影響相對(duì)******。當(dāng)集灰比從2:1增大至3:1時(shí),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(shí),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(duì)樣品的吸水率影響相對(duì)******。當(dāng)集灰比從2:1提高至3:1時(shí)，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(shí)，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(duì)樣品的100h后體積含水率影響較大。當(dāng)集灰比從2:1提高至3:1時(shí)，樣品吸水率從5.11%提高至6.43%,提高了25.83%,當(dāng)集灰比從3:1提高至4:1時(shí),100h后體積含水率從6.43%降低至5.54%,降低了13.84%。

試驗(yàn)結(jié)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(xì)骨料表面的膠結(jié)材料減少,顆粒間孔隙變大,形成穩(wěn)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(dǎo)致集灰比從3:1 提高至4:1 時(shí)性能反而下降。

2.2.3m(細(xì)骨料):m(粗骨料)對(duì)樣品性能的影響
(1)m(細(xì)骨料):m(粗骨料)對(duì)樣品的保水性影響相對(duì)最當(dāng)m(細(xì)骨料):m(粗骨料)從3:1增大至5:1時(shí)，樣品保水性從0.50g/cm降低至0.46g/cm,降低了8%;而m(細(xì)骨料):m(粗骨料)從5:1增大至7:1時(shí)，樣品保水性從0.46g/cm2降低至0.45 g/em,降低了2.17%。

(2) m(細(xì)骨料):m(粗骨料)對(duì)樣品的吸水率影響相對(duì)最小。當(dāng)m(細(xì)骨料):m(粗骨料)從3:1增大至5:1時(shí)，樣品吸水率從9.45%降低至8.26%，降低了12.59%;而m(細(xì)骨料):m(粗骨料)從5:1增大至7:1時(shí)，樣品吸水率從8.26%提高至
8.54%,提高了3.39%。

(3) m(細(xì)骨料):m(粗骨料)對(duì)樣品的100h后體積含水率影響相對(duì)最小。當(dāng)m(細(xì)骨料):m(粗骨料)從3:1提高至5:1時(shí)，樣品平均吸水率從4.81%降低至4.62%，降低了3.95%，當(dāng)m(細(xì)骨料):m(粗骨料)從5:1提高至7:1時(shí)，100h后體積含水率從4.62%提高至5.42%，增加了17.32%。
試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著m(細(xì)骨料):m(粗骨料)的增大,細(xì)骨料占比增大,粗骨料占比減小，使樣品內(nèi)部孔隙率減小，從而導(dǎo)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(duì)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(lái)看，3種因素對(duì)免燒磚的影響能力:集灰比>脂膠比>m(細(xì)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(xì)骨料):m(粗骨料)影響最小。從樣品100h后體積含水率來(lái)看，綜合考慮，3種因素對(duì)免燒磚的影響能力:脂膠比>集灰比>m(細(xì)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(xì)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(xì)骨料):m(粗骨料)為5:1(29)，此時(shí)，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(yàn)樣品用土工布包裹，放于植草溝下400mm處，在下雨結(jié)束100h后測(cè)試其體積含水率，發(fā)現(xiàn)此時(shí)體積含水率為10.42%，遠(yuǎn)高于實(shí)驗(yàn)室條件下的體積含水率，可能由于濕潤(rùn)土壤提供樣品水分，并且由于樣品處于土壤中，通風(fēng)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(jìn)行過(guò)濾實(shí)驗(yàn),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(cè)試模擬雨水中SS、COD過(guò)濾前后的濃度CC,計(jì)算去除率u,免燒磚對(duì)雨水中的SS、COD去除效果的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

由表5可知:(1)對(duì)比4種不同SS初始濃度(48、114、247、346mg/L)的模擬雨水,當(dāng)模擬雨水中SS初始濃度增大時(shí)，免燒磚對(duì)其去除效果有一定的提高，但達(dá)到一定濃度后去除效果幾乎不再變化,去除效率最高可達(dá)52.23%;(2)對(duì)比4種不同COD初始濃度(10、20、30、40mg/L)的模擬雨水,當(dāng)模擬雨水中COD初始濃度增加時(shí),免燒磚對(duì)其去除效果有一定的提高，但達(dá)到一定濃度后去除效果幾乎不再變化,去除效率最高可達(dá)46.27%。試驗(yàn)結(jié)果表明,該免燒磚對(duì)模擬雨水中SS、COD均具有良好去除效果。

3結(jié)論
(1)在免燒磚的制備過(guò)程中，水泥混合料為淤泥基料質(zhì)量的30%時(shí)，免燒磚抗壓強(qiáng)度最高，為15.7MPa，符合GB50574-2010《墻體材料應(yīng)用統(tǒng)一技術(shù)規(guī)范》中的MU10強(qiáng)度等級(jí)要求，具有實(shí)際的工程應(yīng)用價(jià)值。
(2)集灰比對(duì)免燒磚的保水性和吸水率的影響******，脂膠比其次,m(細(xì)骨料):m(粗骨料)影響最小;而脂膠比對(duì)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(xì)骨料):m(粗骨料)為5:1,此時(shí)，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(duì)模擬雨水中SS.COD的去除效率分別最高可達(dá)到52.23%和46.27%,表明該免燒磚對(duì)模擬雨水中SS、COD均具有良好去除效果,具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

張寶成,李翠梅,孫志康,張紹廣
(蘇州科技學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 蘇州215009)
新型建筑材料雜志-2021-5