江河污泥理化性質(zhì)分析及其在免燒磚制備中的研究①

□□ 夏 陽，余曉軍，朱 華，梁 初，張 俊，甘永平，黃 輝，陶新永，張文魁(浙江工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，浙江杭州 310014)

引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，環(huán)境問題日益突顯，對人們的生產(chǎn)、生活、健康都造成了嚴(yán)重影響。特別是近年來，城市建設(shè)和工業(yè)生產(chǎn)的步伐不斷加快，建筑污泥和工業(yè)污泥的排放量與日俱增，不僅造成城市周邊植被破壞和水土流失，同時污泥傾倒入河、入海也造成了河床不斷抬高，湖泊淤塞，惡化了生態(tài)環(huán)境，嚴(yán)重制約了航運、蓄洪等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在國際上，城市污泥主要可通過堆肥、填埋、焚燒等傳統(tǒng)方法處置［1］。然而上述這些方法均不同程度地存在著處理量低、經(jīng)濟效益差等問題，無法實現(xiàn)污泥資源的有效利用。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料顯示，我國每年從河道、湖泊清理出的污泥就有8000萬 t［2］，對環(huán)境造成了巨大負(fù)擔(dān)。利用污泥制磚，一方面可以將污泥資源化利用，避免了污泥淤積和二次處理等問題;另一方面，污泥免燒磚克服了傳統(tǒng)燒結(jié)磚產(chǎn)業(yè)的高污染和能源消耗量大等問題［3－5］，也在一定程度上緩解了建材原料緊缺問題，實現(xiàn)了經(jīng)濟和環(huán)境的雙向提升。

本試驗擬采用污泥作為免燒磚基料，通過系統(tǒng)研究污泥－水泥和污泥－水泥－骨料(細(xì)砂、小石子和煤渣)兩類免燒磚的配比與強度之間的關(guān)系，探索污泥生產(chǎn)免燒磚的基本工藝過程和影響因素，以期實現(xiàn)污泥的高效資源化利用。

1 試驗

1.1 原材料及預(yù)處理

(1)污泥:寧波廣合污泥處理科技有限公司提供的污泥，其物化成分和礦物組成分別見表1、表2和圖1。將污泥在鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)于100℃下干燥12 h后，置于行星球磨機，以300 r/min，球磨粉碎6 h，再采用0.053 mm(280目)標(biāo)準(zhǔn)篩網(wǎng)過篩分離。

表1 污泥的主要化學(xué)成分 %

表2 污泥的水、鹽和有機質(zhì)含量

圖1 污泥樣品的XRD圖譜

(2)水泥:杭州富陽錢潮水泥有限公司生產(chǎn)的P·C 32.5復(fù)合硅酸鹽水泥。

(3)細(xì)砂:建筑用細(xì)砂，經(jīng)水洗后使用。

(4)小石子:天然小石子，粒徑為2～5 mm，經(jīng)水洗后使用。

(5)煤渣:鍋爐煤渣。使用前在行星球磨機中以300 r/min球磨4 h，并用0.015 mm(100目)標(biāo)準(zhǔn)篩網(wǎng)過篩分離。

1.2 試驗步驟

免燒磚制備的工藝流程如圖2所示。

圖2 免燒磚制備工藝流程

具體制備步驟如下:

(1)按表3設(shè)計配比準(zhǔn)確稱量所需原料，并手動預(yù)混。

表3 免燒磚的試驗配比 g

(2)將預(yù)混原料倒入JJ－5型水泥膠砂攪拌機，加入適量水(用水量為物料量的10%)，攪拌時間為5 min。

(3)將混合后的物料裝填入40 mm×40 mm×160 mm三聯(lián)試模中，采用混凝土振動臺對物料振實，并在20 MPa壓力下成型。每種配方壓制18個試塊。

(4)在室溫條件下陳化1 d脫模，將試塊置于養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)21 d，養(yǎng)護(hù)溫度為20℃，濕度保持在80%以上。

(5)進(jìn)行試塊微結(jié)構(gòu)表征和力學(xué)性能測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 污泥的物化性質(zhì)

為了得到污泥的基本物化性質(zhì)，采用Thermo Fisher公司生產(chǎn)的X射線熒光光譜儀(XRF:ARL ADVANT’X Intelli Power TM 4200)測試了污泥的化學(xué)成分和相對含量，結(jié)果見表1。污泥的含水量按LY/T 1213—1999《森林土壤含水量的測定》進(jìn)行測試，水溶性鹽總含量按 NY/T1121.16—2006《土壤檢測 第16部分:土壤水溶性鹽總量的測定》進(jìn)行測試，有機質(zhì)含量按GB 9834—88《壤有機質(zhì)測定法》進(jìn)行測試，檢測結(jié)果見表2。由表1可知，污泥所含主要化學(xué)成分為 Si、Al、Fe、Ca、Mg 等，其中 Si所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大，接近總量的30%。另外，污泥中重金屬總含量約為0.328‰，其中有毒重金屬(如Hg、Cr、Pb)含量僅為 0.168‰，因而采用這類污泥可滿足制磚的基本要求。從表2可知，污泥的平均含水量為41.37%，處于相對較低的水平，只須稍加脫水干燥即可使用。同時，該污泥樣品水溶性鹽的平均含量僅為3.81 g/kg，也在較低的水平范圍，符合生產(chǎn)要求。此外，污泥樣品有機質(zhì)的平均含量為8.06%，有機質(zhì)含量略為偏高，這可能是由于水域污染導(dǎo)致生物體大量死亡淤積而成。

利用Rigaku公司生產(chǎn)的X射線衍射儀(XRD:Ultima IV)，以Cu靶為射線源，步長設(shè)置為0.02，角度為10°～80°來測試污泥的礦物組成及晶型結(jié)構(gòu)，結(jié)果如圖1所示。由XRD圖譜可知，污泥樣品的主要物相為石英，這與污泥化學(xué)成分的檢測結(jié)果相符。此外，樣品中還含有少量其他類型的礦物，如長石、綠泥石、方解石等。

2.2 污泥免燒磚性能測試

2.2.1 污泥－水泥免燒磚性能

采用KZJ－500型水泥電動抗折機和600 kN液壓萬能試驗機，對不同污泥添加量的污泥－水泥免燒磚分別進(jìn)行抗折強度和抗壓強度測試。如圖3所示，所有污泥－水泥免燒磚試樣的抗壓強度均達(dá)到了免燒磚國標(biāo)中的MU25等級。其抗折強度和抗壓強度均呈現(xiàn)出先增后減的趨勢，在水泥與污泥混合比例為1∶0.7時，綜合強度達(dá)到最高值。這是由于當(dāng)污泥加入量過多時，則水泥的比例就相對較低，導(dǎo)致水泥與水反應(yīng)產(chǎn)生的膠凝材料過少，膠結(jié)力變?nèi)?，致使免燒磚力學(xué)性能降低;而當(dāng)污泥加入量過少時，則形成的水化產(chǎn)物易受到大量污泥顆粒的阻擋而難以有效地擴散，阻礙了水泥顆粒繼續(xù)與水接觸的后續(xù)反應(yīng)［6］，從而導(dǎo)致強度較低。所以，水灰比的合理控制是提高免燒磚強度的關(guān)鍵之一［7］。

圖3 污泥摻量對污泥－水泥免燒磚性能的影響

2.2.2 污泥－骨料－水泥免燒磚性能

添加各種骨料通常是提高混凝土制品強度的有效方法。本試驗為了提高免燒磚的力學(xué)強度，將細(xì)砂、小石子和煤灰引入作為骨料，考察了污泥－骨料－水泥三元免燒磚的綜合性能，測試結(jié)果如圖4所示。通過仔細(xì)對比圖3與圖4可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)骨料摻入后，免燒磚的抗壓強度顯著提高。特別是6號、7號試樣的抗壓強度均達(dá)到了免燒磚國標(biāo)中的MU30等級。并且摻用小石子作為骨料時的抗壓強度達(dá)到了最大值(41.56 MPa)。這主要是因為骨料可以起到支撐和抵抗變形的作用，從而增強了坯體的自身強度。其中小石子因自身彈性模量較高，剛性也較大，因而能夠有效地提高免燒磚的強度。但添加骨料后，免燒磚的抗折強度整體上較未添加骨料的試樣有所下降，這可能是由于污泥－水泥免燒磚因為沒有“骨架”的限制，流動性較好，因而韌性較大。而加入骨料后，免燒磚的韌性降低，導(dǎo)致脆性增大。

2.3 免燒磚微結(jié)構(gòu)分析

為了進(jìn)一步揭示污泥免燒磚微結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，本試驗采用捷克泰思肯公司生產(chǎn)的鎢燈絲掃描電子顯微鏡(SEM:Bruker VEGA3)對5號至7號免燒磚的截面進(jìn)行分析(見圖5)。

圖4 骨料類型對污泥－骨料－水泥免燒磚性能的影響

圖5 免燒磚截面掃描電鏡照片

如圖5所示，免燒磚試樣水化后產(chǎn)生的C－SH凝膠呈網(wǎng)狀交錯密布結(jié)構(gòu)，并與各類骨料緊密結(jié)合。這些作為固結(jié)材料主要成分的水化膠凝產(chǎn)物，是污泥免燒磚固結(jié)和強度形成的宏觀力學(xué)性能基礎(chǔ)［8－9］。這是因為硅酸鹽水泥中的鋁酸三鈣、硅酸三鈣、硅酸二鈣等礦物水化成水化硅酸鈣，并在晶體間不斷相互穿插、粘結(jié)、聚結(jié)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，將污泥和骨料等包裹在內(nèi)，從而使整個配合料凝結(jié)成一個整體，最后經(jīng)干燥硬化形成了具有一定強度的聚合結(jié)構(gòu)［10］。通過對圖5的比較分析得出，以細(xì)砂為骨料形成的結(jié)構(gòu)相對比較蓬松，微孔較多，從而影響了免燒磚的力學(xué)性能;以小石子為骨料形成的結(jié)構(gòu)比較致密，微孔也較少，故強度較高;而以煤渣為骨料時，形成了較致密但孔隙也較大的結(jié)構(gòu)，故強度下降。

3 結(jié)論

3.1 寧波廣合污泥處理科技有限公司提供的污泥主要由石英、長石和綠泥石組成，有毒重金屬種類和含量均較少，符合免燒磚生產(chǎn)的基本要求。

3.2 利用污泥制備免燒磚，不僅有望解決江河淤塞、水體污染等問題，還可以將污泥變廢為寶，創(chuàng)造經(jīng)濟效益，實現(xiàn)環(huán)境和資源的雙向提升。

3.3 隨著污泥添加量的提高，污泥－水泥免燒磚的強度呈現(xiàn)先升后降的趨勢，綜合考慮污泥的利用率及強度因素，污泥與水泥的優(yōu)化配比為1∶0.7，其抗折強度和抗壓強度分別為6.03 MPa和28.13 MPa，達(dá)到了國標(biāo)中的MU25等級。

3.4 以細(xì)砂、小石子和煤渣分別作為骨料引入到污泥－骨料－水泥三元免燒磚后，其抗壓性能較污泥－水泥二元系統(tǒng)有明顯提升。采用污泥－小石子－水泥免燒磚的抗壓強度可達(dá)41.56 MPa，高于國標(biāo)中的MU40等級，可以滿足實際生產(chǎn)和使用要求。

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