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利用海水池塘养殖底泥制备烧结砖可行性研究

2025-03-27 11 上传者：管理员

摘要：对海水池塘养殖底泥进行化学成分及物理性能测试，从理论上分析作为烧结砖原料的可行性。基于成分及相关物理性能测试研究结果，进行成型及烧成工艺研究，烧制出力学性能、相关耐久性、放射性、氯离子溶出含量等参数符合现行国家标准要求的烧结砖。

关键词：
养殖底泥
海水养殖尾水监测体系
海水池塘
烧结砖
生态环境部
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2022年1月,生态环境部农业农村部联合印发了《关于加强海水养殖生态环境监管的意见》,指出沿海各级生态环境部门要建立健全海水养殖尾水监测体系,针对不同养殖模式分类施策,明确生态环境监管措施｡同时,生态环境部发展改革委等七部委联合印发关于《重点海域综合治理攻坚战行动方案》的通知中明确提出开展海水养殖环境整治行动,研究制订海水养殖污染防控方案,推进海水养殖环保设施升级改造,加强工厂化养殖尾水排放监测,加大海水养殖对海洋生态环境影响的监视监管力度｡海水养殖类型主要包括池塘养殖､工厂化养殖､开放式海水养殖(滩涂､网箱､筏式､吊笼和底播)等｡集约型海水养殖需要投喂大量的饵料,残饵､肥料､泥沙以及动物粪便等会严重影响近海水域环境,因此高效处理海水养殖污染已经刻不容缓｡而要实现对海水养殖污染的有效治理,关键在于探寻合理的处置方式,将各类污染物变废为宝｡本文针对某地区海水池塘养殖底泥处置问题,开展以海水养殖底泥为主要原料制备烧结砖的可行性研究｡

1、研究方案及测试方法

(1)参考《公路工程集料试验规程》JTG3432-2024[1]､《钢渣化学分析方法》YB/T140-2009[2]､《水泥化学分析方法》GB/T176-2017[3]等现行相关标准,测试底泥的颗粒级配､塑性指数､化学成分,通过对比常规烧结砖原材料的基本要求,分析该底泥是否可用于烧制烧结砖｡

(2)通过研究底泥成分､成型性能､物理性能､焙烧过程中的物理化学变化等因素特性,确定池塘底泥制砖烧成工艺[4];参考《普通烧结砖》GB/T5101-2017[5]､《砌墙砖试验方法》GB/T2542-2012[6]等标准,对烧成的砖进行强度及耐久性能检测,判断池塘底泥烧结砖是否符合标准要求｡具体参数及依据标准如表1所示｡

表1烧结砖性能测试参数及依据标准

(3)参考标准《建筑材料放射性核素限量》GB6566-2010[7]､《混凝土中氯离子含量检测技术规程》JGJ/T322-2013[8]､《混凝土结构现场检测技术标准》GB/T50784-2013[9]､《城镇污泥标准检验方法》CJ/T221-2023[10]对烧结砖进行放射性核素限量､溶出氯离子含量､总氮､总磷等参数的检测,分析所烧制的池塘底泥砖是否存在危害或污染环境,具体参数及依据标准如表2所示｡

表2烧结砖相关环保性能测试及依据标准

2、结果分析

2.1池塘底泥物理性能及化学成分分析

2.1.1粒度组成分析一般粒径小于0.045mm的粉料颗粒称为塑性颗粒,用于

产生成型所需的塑性,0.045mm及以上的物料颗粒为骨架颗粒和填充型颗粒,可保证配体成型时具有较好的强度以及减少烘干､焙烧过程中过渡收缩导致裂纹,部分1.2~2mm区间的作为骨架,有利于干燥时排出坯体的水分,通常不允许颗粒粒径超过3mm｡依据相关研究表明,合理的颗粒组成应是塑性颗粒占35%~60%,填充型颗粒占20%~70%｡根据表3测试结果,该池塘底泥粒径小于0.045mm部分占81.49%,0.045mm及以上粒径颗粒占比18.51%,整体细度偏小,填充型颗粒偏少,这种原料水份渗透好､塑性好,但不利于制品的干燥和焙烧,坯体发生收缩､开裂的风险较高,因此实际生产时建议适当增加0.045~2mm区间颗粒的含量,或在成型后适当延长坯体干燥时间｡

表3池塘底泥的粒度组成

2.1.2化学成分分析

原料中的化学组成对坯体成型性能及烧成后的各项物理力学性能具有重要影响｡其中需要重点控制的组成包括SiO2､Al2O3､Fe2O3､CaO､MgO､SO3等,SiO2是烧结砖原料中的主要成分,含量宜为55%~70%,如含量太高则可能塑性差､成型困难;Al2O3含量宜为10%~25%,含量过低影响强度､含量过高则增加烧成温度;Fe2O3含量宜为3%~10%,含量过高则影响耐火度;CaO含量宜控制在5%以内,含量过高则使制品烧成温度范围变窄;MgO含量宜控制在5%以内,其含量过高则影响制品的抗泛霜､抗风化等性能;SO3含量宜控制在1%以内,否则制品在焙烧时易膨胀､粉碎｡依据表4测试结果,该原料中各化学成分均在相应的控制范围内｡

图1粒度分布图

表4池塘底泥的化学成分/%

2.1.3物理性能

塑性指数是评价制砖原料的一项重要参数,是物料和水的混合物在最大稠度时能够被挤压成型并在解除压力后保持成型后性状的一种能力[11]｡高塑性指数虽然有利于生产时的成型,但干燥及焙烧过程中容易产生裂纹;低塑性指数虽有利于干燥和焙烧,但不利于成型｡因此合理的塑性指数区间为7%~15%,该区间塑性指数泥料最适宜挤出成型｡但对于高孔洞率制品,孔型越复杂､壁越薄,原料塑性指数宜适当提高｡表5测试结果显示,该原料塑性指数偏高,达到28.5%,虽然根据该原料化学成分,可用于制备烧结砖,但较高的塑性指数亦会影响坯体的干燥收缩和干燥敏感系数,从而影响产品的稳定性以及生产成本｡因此,使用该淤泥生产烧结砖时,建议适当掺入瘠性材料进行瘦化改性｡

表5池塘底泥的物理性能

2.2烧成制度研究及产品性测试结果

2.2.1烧成制度研究

2.2.1.1试验原理

根据焙烧原理,胚体在烧制过程中进行充分的固相反应,使之产生足够的高温液相,将胚体内部孔隙填充,使坯体中空隙的体积减小､密度增加,试件冷却后形成的玻璃体将结晶的颗粒固结,从而提高试体强度[12]｡针对海水池塘养殖底泥的成分､含水率､成型性能以及烧制过程中的物理､化学变化等因素,结合传统烧结工艺,制定了池塘底泥的烧结温度和烧成曲线｡针对海水池塘养殖底泥粒度较细影响砖坯脱水效率及成品的开裂问题,参考了黏土砖的成型,在反复试验的基础上,确定了池塘底泥的成型工艺｡

2.2.1.2模拟成型､干燥和焙烧

实验室模拟工厂烧结砖工艺流程见图2｡

按照上述流程将淤泥成型砖坯,制好的砖坯在自然条件下干燥不少于72h,然后放入恒温干燥箱中,在温度105±5℃下烘干24h,烘干后的砖坯均无裂纹且强度较好,将烘干后的砖坯放入焙烧炉中,以<200℃/h的升温速率将试件烧至940℃并保温30min,然后停止加热,冷却至室温｡

2.2.2产品性能测试结果

2.2.2.1强度等级

所烧制的砖外观规则､完整,与黏土砖相比密度略微偏高,其抗压强度达到13.0MPa,符合标准《烧结普通砖》GB/T5101-2017中MU10的要求｡焙烧后的试件表面未出现石灰爆裂点,敲击声音清脆,外观质量良好,试件的干燥线收缩率为13.75%,较普通粘土砖大｡

2.2.2.2泛霜试验

按标准《烧结普通砖》GB/T5101-2017进行泛霜试验,取样品砖5块,清理表面后,置于105℃±5℃鼓风干燥箱中干燥24h,冷却至常温,将试件顶面分别置于浅盘中,往盘中注入蒸馏水,水面高度不低于20mm,用透明材料覆盖在浅盘上,试样浸在盘中时间为7d,试验过程环境温度为16~32℃,相对湿度35%~60%｡7d后取出试样,在同样环境条件下放置4d,然后在105℃±5℃干燥箱中干燥至恒量,冷却至常温,观察各试件表面泛霜情况,发现其中1条表面出现细小霜膜,但试样表面仍清晰,其余4条表面未发现盐析现象｡

2.2.2.3石灰爆裂

取烧成砖5块,将试样平行侧立于蒸煮箱内的篦子板上,试样间隔不得小于50mm,箱内水面应低于篦上板40mm,加盖蒸6h后取出,砖体未发现明显变化,未出现石灰爆裂点,抗石灰爆裂可达优等品的标准｡

2.2.2.4冻融试验

取烧成砖5块,将试样放入10~20℃水中24h,然后在-15~-20℃下冰冻3h后放入10~20℃水中融化2h,循环15次后观察样品没有出现分层､掉皮､缺棱､掉角等冻坏现象,仅大面上宽度方向及其延伸至顶面出现16mm长的裂纹,符合标准要求｡

2.3潜在危害测试结果

2.3.1放射性

对烧结砖进行了放射性检测,结果见表6,符合《建筑材料放射性核素限量》GB6566-2010标准的建筑主体材料要求,产品产销与使用范围不受限制｡

表6池塘底泥烧结砖放射性检测结果

2.3.2水溶性氯离子含量

本试验参考现行行业标准《混凝土中氯离子含量检测技术规程》JG/T322-2013中水溶性氯离子含量测试方法执行,由该方法测得水溶性氯离子占砖粉末质量的百分比,其值为0.013%,表7为现行国家标准《混凝土结构设计标准(2024年版)》GB50010-2010[13]中关于最大氯离子含量的相关规定,其含量系指水溶性氯离子含量占混凝土中胶凝材料总质量的百分比｡为使测试结果与现行相关限值具有可比性,现将测试结果以胶凝材料在常用砂浆中的占比进行换算,假设砂浆中胶凝材料质量比为20%,则水溶性氯离子占胶凝材料质量比为0.065%,远低于最严格的三b环境等级中对于最大氯离子含量限值的要求｡因此,可认为烧结砖的水溶性氯离子含量对环境不存在潜在危害｡

表7结构混凝土材料的耐久性基本要求

3、结论

(1)海水池塘养殖底泥化学成分符合成型烧结砖坯体的相关技术要求,粒度偏小,塑性指数偏大,实际生产时建议适当增加0.045~2mm区间颗粒的含量,或在成型后适当延长坯体干燥时间｡

(2)利用该池塘底泥制备烧结砖抗压强度､石灰爆裂､泛霜试验､冻融试验均能符合国家标准《烧结普通砖》GB/T5101-2017,MU10等级指标要求｡

(3)烧结砖放射性核素限量符合国家标准《建筑材料放射性核素限量》GB6566—2010的建筑主体材料要求;水溶性氯离子含量参照标准《混凝土中氯离子含量检测技术规程》JG/T322-2013测得结果,远低于现行国家标准《混凝土结构设计标准(2024年版)》GB50010-2010中关于三b环境等级中最大氯离子含量限值要求｡

参考文献:

[1]交通运输部公路科学研究院.公路工程集料试验规程:JTG3432-2024[S].北京:人民交通出版社,2024.

[2]中冶建筑研究总院有限公司.钢渣化学分析方法:YB/T140-2009[S].北京:冶金工业出版社,2009.

[3]中国建筑材料联合会.水泥化学分析方法:GB/T176-2017[S].北京:中国标准出版社,2017.

[4]周敏.利用海淤泥生产烧结砖的初步研究[J].福建建设科技,2010(05):50-51+33.

[5]中国建筑材料联合会.烧结普通砖:GB/T5101-2017[S].北京:中国标准出版社,2017.

[6]中国建筑材料联合会.砌墙砖试验方法:GB/T2542-2012[S].北京:中国质检出版社,2012.

[7]中国建筑材料联合会.建筑材料放射性核素限量:GB6566-2010[S].北京:中国标准出版社,2010.

[8]中国建筑科学研究院.混凝土中氯离子含量检测技术规程:JGJ/T322-2013[S].北京:中国建筑工业出版社,2013.

[9]中国建筑科学研究院.混凝土结构现场检测技术标准:GB/T50784-2013[S].北京:中国建筑工业出版社,2013.

[10]青岛排水有限公司青岛市城市排水监测站.城镇污泥标准检验方法:CJ/T221-2023[S].北京:中国计划出版社,2023.

[11]陈燕华,马斌.粉煤灰粘土烧结砖的研制[J].砖瓦世界,2006(09):31—32.