通过控制SA/R比值优化烧结砖的性能：脱水污泥饼与MSWI粉煤灰的协同利用

《Sustainable Materials and Technologies》：Optimizing sintered brick performance through SA/R ratio control: Synergistic utilization of dewatered sludge cake and MSWI Fly ash

工程废土与市政飞灰烧结砖中硅铝比调控机制及性能优化研究。通过调整硅铝比（SA/R）发现3.8-5.8范围为MU30强度等级（GB/T 5101-2017）最佳配比区间，证实SA/R可作为量化原料配比的关键指标，显著提升抗压/抗折强度，并实现单位立方米砖体261kg CO?当量减排，成本控制在110-200元。

　　

沈云阳|华洪斌|陈萍|陈文华|詹良通

浙江科技大学土木工程与建筑学院，中国杭州310018

摘要

烧结为工程废弃土的资源化利用提供了一种有效途径。脱水后的污泥饼富含硅铝氧化物，构成了耐火相。本研究引入了富含钙的城市固体废物焚烧（MSWI）飞灰作为熔剂，以调节SA/R比值（即耐火相（硅铝）与熔剂成分的质量比）。研究了SA/R比值对烧结砖的力学性能、相组成及烧结机制的影响，并探讨了将其作为量化原材料组成的关键指标的可行性。结果表明，将MSWI飞灰含量从0%增加到40%可使SA/R比值从8.62降至2.94。在2.94–4.33的SA/R范围内，抗弯强度和抗压强度随SA/R值的增加而提高，但超过4.33后则有所下降。微观结构分析显示，在SA/R比为8.62时，熔剂成分主要形成Na₂O-CaO-SiO₂三元共晶液相，这产生了大量的共晶熔体但结晶矿物较少，导致强度较低；而在SA/R比为4.33时，共晶熔体与长石的共存产生了最佳强度；而在SA/R比为2.94时，硅灰石和 wollastonite 的过度结晶导致强度较差。生产1立方米烧结砖大约排放261千克二氧化碳当量，成本为110–200元人民币，显示出显著的碳减排和经济可行性。基于这些发现，提出了一种烧结砖配方的混合比例设计方法，确定SA/R比值为3.8–5.8，对应于MU30强度等级（GB/T 5101–2017）。这种方法为使用废弃物材料作为烧结原料提供了理论框架。

引言

快速的城市化和基础设施扩张产生了大量的工程泥浆，这些泥浆来自钻孔灌注桩[1]、盾构隧道[2]、水平定向钻进[3]和顶管[4]等施工过程，通常经过脱水后填埋，导致资源浪费和环境负担。仅温州预计在未来五年内就会产生约8147.4万立方米的此类泥浆[5]。图1展示了浙江省温州的采样点和施工环境。同时，城市固体废物焚烧（MSWI）导致了焚烧残渣的持续积累。尽管焚烧显著减少了废物体积并回收了能源，但由于其中含有高浓度的可溶性盐（尤其是氯化物和重金属）[6],[7]，MSWI飞灰仍被归类为危险废物。因此，安全高效地利用这些固体废物已成为可持续建筑材料研究中的紧迫问题。

烧结砖为大规模再利用基于矿物的固体废物提供了有前景的途径。在高温烧制过程中，相变和液相形成可以通过将有害元素包裹在结晶[8]和玻璃质基质中使其固定，并将二噁英降解为无毒形式[9],[10]。先前的研究表明，建筑废土[11]、河泥[12],[13]和煤矸石[14]等工业废弃物可以用于砖的生产，同时保持可接受的力学性能和环境安全性。这些研究通常强调混合比例优化和强度提升；然而，控制烧结行为的基本组成原理仍需进一步阐明。

Riley等人[15]提出了一个适用于砖烧制的SiO₂-Al₂O₃-熔剂氧化物三元体系中的组成范围，表明适当的硅铝氧化物和熔剂成分比例对于控制液相生成至关重要。大多数后续研究都隐含地遵循了这一组成框架[16],[17]。然而，当将MSWI飞灰引入基于粘土的体系中时，其中较高的CaO、碱氧化物和氯化物含量会显著改变熔化行为和热演变过程。过量的熔剂成分可能导致过早熔化和变形，而液相形成不足则会限制致密化[18],[19]。

值得注意的是，MSWI飞灰通常含有大量的氯化物（如NaCl、KCl和CaCl₂），这些氯化物来源于烟气处理过程。氯化物以非氧化物形式存在，因此不会在传统的基于氧化物的XRF成分分析中体现[20],[21],[22]。在加热过程中，这些盐在中间温度（通常为600–900℃）下熔化并部分挥发，主要导致早期质量损失和潜在的孔隙形成。在典型的砖烧制温度下，大多数氯化物挥发或溶解到玻璃质相中，不会在最终产品中形成稳定的结晶相。除了氯化物，MSWI飞灰还含有各种重金属，这些重金属主要存在于细颗粒部分，可能以不同的化学形式存在。在高温烧结过程中，重金属可以发生物理化学变化，包括氧化、掺入硅酸盐结构或被包裹在玻璃质相中，从而有助于其在陶瓷基质中的固定[23],[24]。

尽管人们认识到组成平衡在陶瓷体系中的重要性，但目前尚未系统地建立一种能够将氧化物框架结构与烧结砖体系中的熔剂强度联系起来的定量参数。为解决这一空白，本研究引入了SA/R比值（硅铝酸盐网络/熔剂氧化物）作为新的组成控制指标。将MSWI飞灰以不同剂量加入脱水后的污泥饼中以调节SA/R比值，并在设计的组成范围内制备了烧结砖。系统评估了SA/R比值对相演变、微观结构发展、力学性能、碳排放和生产成本的影响。通过结合组成分析与可持续性评估，本研究建立了优化基于废弃物烧结砖生产的定量组成-性能-可持续性框架。

测试材料

本研究中使用的脱水污泥饼来自温州的一个建筑工地，通过絮凝-沉淀后采用板框过滤法处理钻孔灌注桩泥浆，如图2a所示。其基本物理性质总结在表1中，颗粒大小分布见图3。根据中国《工程土壤分类标准》（GB/T 50145–2007），该材料被归类为低液限粘土（CL）。

SA/R比值对物理性能的影响

根据《墙砖测试方法》（GB/T 2542–2012），评估了五组试样（A-0至A-4）的抗弯强度、抗压强度、体积密度和吸水率。结果表明，SA/R比值显著影响了烧结砖的这四个性能指标。

图6a和b显示，随着SA/R比值的增加，抗压强度和抗弯强度先增加后下降，反映了熔融成分之间平衡的关键作用。

基于SA/R比值选择原材料的方法

总结来说，当SA/R比值在3.8至5.8之间时，烧结试样的抗压强度超过30 MPa，对应于烧结砖的最高强度等级MU30，如图11所示。Xu等人[44]报告的生产高强度烧结陶瓷的F/SA比值范围为3.6至5.7，与本研究的结果一致（见图12）。

辅助材料的选择和烧结砖的混合比例设计

结论

本研究基于SA/R比值设计了一种新型烧结砖，使用了脱水污泥饼和MSWI飞灰。研究了SA/R比值对力学性能和微观结构的影响，评估了碳排放和生产成本，阐明了烧结机制，并建立了基于SA/R比值的辅助材料类型和用量的选择策略。主要发现如下：

(1)

砖的性能对SA/R比值非常敏感。

作者贡献声明

沈云阳：撰写——初稿、可视化、数据整理。华洪斌：撰写——审稿与编辑、可视化、验证、数据整理。陈萍：撰写——审稿与编辑、资源获取。陈文华：撰写——审稿与编辑、资金获取。詹良通：撰写——审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本项目得到了国家自然科学基金（项目编号：42377173）和浙江省自然科学基金（项目编号：LQN25E080003）的财政支持。作者衷心感谢审稿人的宝贵意见以及在各方面付出辛勤努力的团队成员。