1、第 40 卷 第 1 期2023 年 1 月长江科学院院报Journal of Changjiang iver Scientific esearch InstituteVol 40No 1Jan 2023收稿日期:2021 08 16;修回日期:2022 03 29基金项目:湖南省水利科技项目(XSKJ2019081 24);湖南省研究生科研创新项目(CX202102062);湖南省科技创新计划资助项目(2020C4049)作者简介:陈星佑(1997 )，男，广东湛江人，硕士研究生，主要从事岩土方向的研究。E-mail:510942056 qq com通信作者:张聪(1988 )，男，湖南宁乡
2、人，副教授，博士，主要从事岩土方向的研究。E-mail:zc8023cl163 comdoi:10 11988/ckyyb 202108522023，40(1):29 36基于多目标 理想点法的洞庭湖淤泥制备轻质骨料最优烧结条件陈星佑1，2，张聪2，何怀光3，周双3，刘旭2，谢梦珊2，谢忠球2(1 广州建设工程质量安全检测中心有限公司，广州510440;2 中南林业科技大学 土木工程学院，长沙410004;3 湖南省水利水电科学研究院，长沙410007)摘要:为了解决洞庭湖淤泥产量大、绿色处置技术落后、费用高等难题，从宏微观角度分析了淤泥的物理、化学性能和淤泥的可烧结性;开展正交试验研究了烧结
3、条件与优质轻质骨料性能的关系，构建了多目标 理想点法优化模型，并提出一种可快速获取不同区域淤泥烧结最优条件的方法。研究结果表明:洞庭湖淤泥是一种典型的烧结易膨胀土体，三相图位于 iley 三相图所规定的易于膨胀区间，具有烧结制备优质轻质骨料的可行性;洞庭湖淤泥制备轻质骨料的最优烧结条件为预热时间 20 min、预热温度410、烧结时间5 min 以及烧结温度1 112，烧结获取的轻质骨料孔隙率为 2331%、收缩率为 5 75%、体积密度为 1 28 g/cm3、抗压强度为 20 35 MPa、1 h 吸水率为14 33%。研究成果可解决洞庭湖淤泥处置难题，也可为其他湖泊淤泥的资源化利用提供新
4、思路。关键词:洞庭湖淤泥;制备轻质骨料;烧结条件;正交试验;多目标 理想点;再利用中图分类号:TV422文献标志码:A文章编号:1001 5485(2023)01 0029 08开放科学(资源服务)标识码(OSID):Multi objective Optimization of Sintering Condition of LightweightAggregate Prepared from Dongting Lake Silt by Ideal Point MethodCHEN Xing-you1，2，ZHANG Cong2，HE Huai-guang3，ZHOU Shuang3，LIU
5、Xu2，XIE Meng-shan2，XIE Zhong-qiu2(1.Guangzhou Testing Centre of Construction Quality Safety Co.，Ltd.，Guangzhou510440，China;2.School of Civil Engineering，Central South University of Forestry and Technology，Changsha410004，China;3.Hunan Institute of Water esources and Hydropower esearch，Changsha410007，
6、China)Abstract:The silt from Dongting Lake poses many challenges such as large production and high disposal costs withunderdeveloped green disposal technologyA multi-objective model combined with ideal point method was con-structed to quickly obtain the optimized sintering condition of silts in diff
7、erent regions The physical and chemicalproperties and the sinterability of Dongting Lake silt were first analyzed from macro-and-micro perspectives，andthe relationship between sintering conditions and performance of high-quality lightweight aggregates were then ob-tained by orthogonal experiments Th
8、e silt from Dongting Lake is a typical swellable soil when sintered，and is fea-sible to be prepared into high-quality lightweight aggregate as its three-phase diagram lies in the prone-to-swell zonespecified by the iley three-phase diagram The optimum sintering conditions for preparing lightweight a
9、ggregatefrom Dongting Lake silt are as follows:20 min preheating time，410 preheating temperature，5 min sinteringtime and 1 112 sintering temperature The sintered lightweight aggregate had a porosity of 23.31%，shrinkageof 5.75%，bulk density of 1.28 g/cm3，compressive strength of 20.35 MPa and water ab
10、sorption rate of 14.33%per hour The research findings help solve the problem of disposal of Dongting Lake silt and also provide new ideafor the resource utilization of silt from other lakesKey words:Dongting lake slit;lightweight aggregate preparation;sintering conditions;orthogonal test;multi-objec
11、tive ideal point;recycle长江科学院院报2023 年1研究背景洞庭湖自20 世纪初以来湖泊面积急剧萎缩，洞庭湖平均年入湖泥沙量为129 亿 m3，每年约1 亿 m3泥沙沉积在洞庭湖内，平均每年淤积 0 03 m1。大量泥沙淤积引发的社会与经济问题显著，如:影响洞庭湖防洪调蓄能力1、破坏湿地功能与生态环境2、阻塞航道3 等。此外，大量的清淤工程不仅耗费大量人力、财力，也会对周边环境造成二次污染4。因此，研究洞庭湖底泥处置问题具有十分重要的科学意义和工程实用价值。现阶段，湖泊底泥的合理处置一直是工程人员亟待解决的难题，传统的填埋 5 6、焚烧 7、脱水压滤 8 10 等处置方
12、法尚存在诸多弊端，如处置成本高、占用大量土地、污染周边环境等。受建筑废弃物资源化利用热潮的影响，工程人员将湖泊底泥应用于制备烧结砖 11 13、建筑回填料 14 16、有机肥 17、轻质建筑骨料 18 20 等，特别是挪威、西班牙、美国、日本以及我国台湾省等地区已成功采用湖底淤泥烧结形成的轻质骨料取代不断紧缺的砂石骨料，并将其用于道桥 21 22、房建 23 24、海上平台 25 等方面。大量研究已表明，淤泥成功制备优质轻质骨料的关键点是确定合理烧结条件 26 28，国内外学者也围绕该类问题开展了大量研究，如 Franus 等 29、Wang 等 30 对不同烧结条件所得到的产物进行了性能与外
13、观分析，得到了淤泥烧结的最优条件;刘晨等 31、陈彦文等 32 通过对正交试验结果进行极差分析，获得了最佳的烧结条件;Gonzlez-Corrochano 等 33 通过研究烧结条件和性能分析结果的斯皮尔曼相关系数，得到最佳的烧结条件。尽管这些研究成果对淤泥烧制轻质骨料具有重要的参考价值，但值得注意的是不同湖泊区域内的淤泥性能存在一定差异，如何根据烧结骨料的性能需求快速确定合理的烧结条件仍值得深入研究。鉴于此，本文首先以洞庭湖淤泥为原材料开展淤泥烧结轻质骨料可行性测试。其次，设计不同烧结条件下的正交试验，探讨不同烧结条件下的轻质骨料性能。最后，提出多目标 理想点的洞庭湖淤泥烧制轻质骨料最优烧结
14、条件确定方法。研究成果以期为洞庭湖淤泥烧结轻质骨料提供理论指导。2原材料与试验方法21淤泥物理化学性能淤泥取自湖南省南洞庭湖，使用分层取样法从湖泊的不同位置取得原料。淤泥中含有大量如树叶、石子等杂质，需要对其进行过滤、沉淀、烘干等预处理从而得到良好的试验样品。2 1 1基本性能选取部分淤泥原料进行基本物理性能测试，结果见表 1。表 1淤泥性能测试结果Table 1Performance test results of silt体积密度/(gcm3)干密度/(gcm3)液限/%塑限/%含水率/%吸水率/%18313342062750379053112 1 2微观性能对除杂处理后淤泥进行 X 射线
15、衍射(XD)、X射线荧光光谱分析(XF)以及扫描电子显微镜分析(SEM)测试，测试结果如图 1、表 2 所示。图 1淤泥的 X 射线衍射分析和扫描电子显微镜分析结果Fig1XD and SEM results of silt表 2X 射线荧光光谱分析测试结果Table 2esult of XF test名称SiO2Al2O3其它含量/%6690200411431631注:为 Fe2O3、Na2O、K2O、MgO、CaO 的含量之和。由图1 可知，淤泥主要由石英、云母、绿泥石、长石组成，内部结构整体呈块状。其中，石英在烧结过程中会发生晶型的转变，云母在烧结阶段可以起助熔剂作03第 1 期陈星佑
16、等基于多目标 理想点法的洞庭湖淤泥制备轻质骨料最优烧结条件用，长石在烧结过程中可降低玻璃化的温度。XF 结果显示，该淤泥主要由 SiO2、Al2O3、Fe2O3构成，SiO2含量高达6690%(质量占比)，Al2O3含量为2004%。2 1 3TG DTG 测试对除 杂 处 理 后 淤 泥 进 行 热 重 量 分 析(TG-DTG)，其测试环境为差示扫描量热法上限温度1 000、加温速率为 20 /min、吹扫气氛为空气、吹扫气量为 50 mL/min，测试结果如图 2 所示。图 2洞庭湖淤泥的热重量分析曲线Fig2TG，DSC and DTG curves of Dongting Lake silt由图 2 可知，淤泥在0 650 之间质量发生显著变化，分析原因为淤泥含有较多的有机质，在一定烧结温度下有机质被分解，进而产生较大质量损失33。分析 DTG 线可知，当烧结温度由 103 增至 154 时，淤泥中的水分因吸热蒸发致使其质量在该温度区间内损失较快34，而当温度从 250 增至 380、430、540 时，淤泥中有机物被氧化分解，致使该温度区间内淤泥质量损失明显35。由 DSC
