水泥自诞生以来就因为其良好的性能和低廉的成本成为建筑界无可取代的无机胶凝材料。然而在长时间工程应用中发现水泥对土壤的固化效果会因土质不同而不同，甚至会出现早期强度低、易开裂等现象，土壤固化的研究由此而生［11］。作为一种新工艺，土壤固化是在土壤中添加能与土壤发生物理化学反应的外加剂，从而达到固化土壤的目的［12］。方祥位等［13］研制的GT型土壤固化剂能显著改良软土和黄土的性能；Miller等［14］研究发现水泥厂粉尘对淤泥固化有一定的增强效果，趋势与塑性指数呈负相关。

长期作为武钢工业废水受纳水体的武汉青山北湖开展清淤工程，工程所得淤泥体量巨大，成分复杂，难以大批量消纳。淤泥堆积占据了一定的土地资源，造成了资源浪费［15］；且长时间的堆积，淤泥中的重金属等有害物质会对周围土体造成一定程度上的污染，不利于环保绿化工作的开展［16］。为解决淤泥堆积问题并有效提高其循环利用率，本试验以工程应用为目的，采用淤泥为主体材料，建筑垃圾为骨料，掺水泥及固化材料，将搅拌均匀的试样放入准备好的模具中加压，待砖样成型后取出，自然养护，制备环保免烧砖，研究不同因素对免烧砖性能的影响。

1 试验部分

1.1 原 料

试验原料主要有淤泥、建筑垃圾、土壤固化剂和水泥。

1.1.1 淤 泥 试验所用淤泥为武汉市青山北湖清淤工程所得到的淤泥。淤泥经打捞堆积，自然放置，含水率为31.21%，pH值为8.51，有机质质量百分数为9.24%，烧失量为1.18%，重金属质量含量见表1。由表1可知，制备的免烧砖不会对环境造成污染。

表1 淤泥的重金属质量含量及限值

Tab. 1 Heavy metal content of silt mg/kg

[类别 Cd Pb Hg Cr Cu Ni As Zn 淤泥 1.14 35.97 0.32 124.78 55.10 39.85 16.57 250.47 限值* <20 <300 <5 <1 000 <1 500 <200 <75 <4 000 ]

注：*限值为 GB/T 25031—2010《城镇污水处理厂污泥处置制砖用泥质》中的规定值

1.1.2 建筑垃圾 武汉市内建筑物拆除所造成的垃圾，主要包括混凝土碎片、砖瓦、陶瓷玻璃及砂浆片等，经筛分粒径范围分为0~2 mm和2~5 mm。

1.1.3 土壤固化剂 本次试验选用2种固化剂作对比，一种为武汉市建材市场购买的有机类固化剂，一种为武汉几所高校联合研制的自制无机/有机复合固化剂，2种固化剂均为液体。

1.1.4 水 泥 本次试验采用2种不同标号水泥作为对比， M32.5级砌筑水泥和P·O42.5级普通硅酸盐水泥，均为华新水泥鄂州有限公司生产的堡垒牌水泥，物理性质见表2。

1.2 仪器设备

240 mm×115 mm×53 mm二次成型模具；电热鼓风干燥箱；破碎机；微机控制电液伺服万能试验机。仪器设备见图1。

1.3 试样制备及测试方法

烘干后的淤泥经破碎机破碎，呈粉末状；建筑垃圾经破碎筛分，粒径在0~2 mm和2~5 mm范围内， 0~2 mm粒径建筑垃圾占建筑垃圾总量的1/3，2~5 mm粒径占2/3；按配合比称取好定量的原料，按0.5的水灰比加水，经多次试验分析改良，试验前后分别使用了两种制备工艺，工艺一将称取好的原料和水一起混和，搅拌均匀后装入模具，压制成型；工艺二先将量取好的固化剂溶液、水泥和水混合搅拌，将搅拌均匀后的浆料与淤泥及建筑垃圾混合搅拌，搅拌均匀后装入模具，压制成型；试样均为240 mm×115 mm×53 mm的标准砖样，将成型后的样砖在自然状态下养护。淤泥免烧砖生产工艺流程，见图2。

<G:\武汉工程大学\2023\第3期\吴枫琪-1.tif>

图1 仪器设备及养护试件

Fig. 1 Equipment and maintenance specimens

[工艺1][淤泥

建筑垃圾

固化剂

水泥

][水混][a][搅拌][装模][压制成型

养护

样品砖] [工艺2][淤泥

建筑垃圾

固化剂

水泥

][水混][b][搅拌][装模][压制成型

养护

样品砖] [搅拌] [水混]

图2 免烧砖制作工艺

Fig. 2 Production process of unfired brick

按GB/T 2542—2012《砌墙砖试验方法》对样砖进行性能测试，为避免偶然误差，每组数据制备多件试样进行测试，结果取平均值，计算抗压强度、抗折强度和吸水率。免烧砖强度级别按GB/T 2542—2012《砌墙砖试验方法》判定。

2 结果与讨论

参考现有文献研究，初定免烧砖配合比为：质量分数70%淤泥，质量分数20%建筑垃圾，质量分数10%水泥，水灰比为0.5，外掺与水泥等量的10%质量浓度的固化剂溶液，建筑垃圾中粗细骨料的质量比为1∶1。后续试验均在此配比的基础上进行。

2.1 养护龄期对免烧砖性能的影响

参考混凝土养护龄期设置7、14、28 d 3个时间档，养护龄期对免烧砖性能的影响见图3。

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图3 养护龄期对免烧砖性能的影响

Fig. 3 Influences of curing age on performance of

unfired brick

由图3分析得出，免烧砖强度随养护龄期的增加而增大，其增长速率先急后缓，吸水率随养护龄期的增加而减小。试件养护过程中，水泥不断发生水化反应，其产生的胶凝物质填充硬化浆体孔隙，提高了免烧砖的密实度，因而免烧砖的强度增大而吸水率减小，随着水化反应的进行，水泥量不断减少，能发生水化反应的矿物成分随之减少，导致水化反应趋于停止，因而后期强度提升速率变缓。

2.2 固化剂类别对免烧砖性能的影响

固化剂类别对免烧砖性能的影响见图4。

由图4分析得出，在原料配比和制作工艺相同的情况下，采用自制固化剂能有效提高免烧砖强度，降低吸水率。抗压强度提升11%左右，抗折强度提升14%左右，吸水率降低13.5%左右。自制固化剂主要原料是水泥混合物和价格低廉、环境友好的有机高分子材料，再辅配无机复合激发剂。有机高分子材料经水稀释后产生的离子作用能促使土壤释放表面结合水，形成结构稳定的整体；无机激活材料能激发土粒自身活性，利用土粒间的反应使土壤固结；无机物与有机物混合复配，两类化合物能产生协同效应［17］。试验结果表明，此自制固化剂固化效果更优良，后续试验均采用自制固化剂。

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图4 固化剂类别对免烧砖性能的影响

Fig. 4 Influences of curing agent category on properties of

unfired brick

2.3 水泥掺量对免烧砖性能的影响

水泥掺量对免烧砖性能的影响见图5，采用M32.5水泥。

吸水率反映免烧砖内部结构的疏密程度。吸水率越小，免烧砖的内部结构越紧密。

由图5可看出，水泥掺量从10%增加到20%时，抗压强度和抗折强度均有所增高，增幅在7%左右；吸水率有所降低，降幅为11%。水泥掺量增加，水泥水化反应产生的胶凝物质增多，这些胶凝物质填充免烧砖内部空隙，使其变得密实，同时对土粒起到支撑黏结作用，使周围土粒黏结成一个整体，因此免烧砖强度提高而吸水率降低。水泥掺量的高低决定了免烧砖的制备成本，为控制成本，水泥掺量不再增加［18］，后续试验水泥掺量均为20%。

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图5 水泥掺量对免烧砖性能的影响

Fig. 5 Influences of cement addition amount on

performance of unfired brick

2.4 水泥类别对免烧砖性能的影响

水泥类别对免烧砖性能的影响见图6。

由图6可看出，在原料配比和制作工艺相同的情况下，采用P·O42.5级普通硅酸盐水泥免烧砖抗压强度提升了12%左右，抗折强度提升18%左右，吸水率降低6%。试验结果表明，采用高标号水泥能提升免烧砖性能。不同标号水泥，其矿物成分及在水泥中所占比例等各不相同，水泥标号越高，水泥凝结速度越快，强度越高，水化反应后产生的胶凝物质也增多，使砖样密实度增高，吸水率降低，对土壤固化效果更好。因高标号水泥市场价格更高，为控制免烧砖制备成本，不再采用更高标号水泥，后续试验采用P·O42.5水泥。

2.5 制作工艺对免烧砖性能的影响

制作工艺对免烧砖性能的影响如图7所示。

由图7可看出工艺2与工艺1相比抗压强度提高16%左右，抗折强度大幅度提升，吸水率降低2.5%左右。试验表明，此自制固化剂先与水泥搅拌混合对土壤的固化效果比其与土壤直接混合的固化效果更加优良。固化剂先与水泥混合再与土壤混合，水泥与固化剂先发生水化反应，此水化产物和未完全反应的水泥继续在土壤中发生二次水化，完全水化产生的胶凝物质加强了土粒间的黏结作用，大大增强了免烧砖的整体强度。吸水率降幅不明显说明免烧砖内部空隙结构改变不大。内部空隙主要由水泥水化产物进行填充，说明两者产生的胶凝物质总量相差无几，强度的不同主要是由于两者胶凝物质在土粒间产生黏结作用的强度不同而产生。

3 结 论

（1）经试验，免烧砖最终配合比为：质量分数60%淤泥、质量分数20%建筑垃圾、质量分数20%水泥含量、水灰比为0.5，外掺与水泥等量10%质量浓度的固化剂溶液，采用P·O42.5水泥，自制固化剂。

（2）免烧砖抗压强度为10.07 MPa，抗折强度为2.74 MPa，吸水率为12.87%，满足GB/T 2542—2012《砌墙砖试验方法》MU10要求。

（3）免烧砖的研制能在一定程度上消纳疏浚淤泥和建筑垃圾，提高淤泥和建筑垃圾的循环利用率，符合绿色发展的要求。

（4）受客观因素影响，试件采用的是人工加压的方式成型，其对免烧砖的强度以及密实度都有一定的影响；且尚未对试件进行微观分析。后续应完善试验条件，进一步研制更高强度等级的免烧砖。