污泥制作污泥灰為摻合料的混凝土立方體試塊抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究

張金輪,孫俊偉,李濟(jì)源(安徽工程大學(xué)建筑工程學(xué)院,安徽蕪湖 241000)

污泥制作污泥灰為摻合料的混凝土立方體試塊抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究

張金輪,孫俊偉,李濟(jì)源
(安徽工程大學(xué)建筑工程學(xué)院,安徽蕪湖 241000)

簡(jiǎn)要概括污泥中重金屬在混凝土凝結(jié)硬化過(guò)程中的反應(yīng),并對(duì)用污泥制作混凝土摻和料進(jìn)行可行性分析.以脫水污泥為原料制作污泥灰,按照不同污泥灰-水泥質(zhì)量比制成混凝土立方體標(biāo)準(zhǔn)試塊,進(jìn)行其不同配比下單軸抗壓試驗(yàn),研究了以污泥灰為摻合料的混凝土基本力學(xué)性能.試驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)污泥灰-水泥質(zhì)量比小于6%時(shí),混凝土立方體抗壓強(qiáng)度降低幅度較小,滿足混凝土強(qiáng)度等級(jí)要求;摻入污泥灰使得混凝土受壓變形能力下降,但對(duì)混凝土的強(qiáng)度發(fā)展影響不明顯.

脫水污泥;摻合料;混凝土;抗壓強(qiáng)度;變形能力

生產(chǎn)、生活帶來(lái)了大量的污水,污水處理廠運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生了大量剩余活性污泥.目前,我國(guó)污水處理廠每年排放的污泥量(干重)大約為140萬(wàn)噸,且保持10%以上的年增長(zhǎng)速率,至2011年底,脫水污泥年產(chǎn)量已超過(guò)2 000萬(wàn)噸[1].污泥中除含有泥砂懸浮物、各種金屬元素、纖維物質(zhì)外,主要成分為含有大量微生物殘?bào)w的剩余污泥[2-3],其處置方式有焚燒、填埋、農(nóng)用、建材利用、濕式氧化、熱解、高溫熔化等.我國(guó)污泥處置的現(xiàn)狀[4]70%以上是棄置,20%是填埋,不到10%的是通過(guò)堆肥等技術(shù)處理后回用.隨意放置的污泥容易腐爛,并產(chǎn)生惡臭;在土壤與植物中存集,進(jìn)入飲食系統(tǒng)危害人類健康;滲濾液進(jìn)入地下水、地表水產(chǎn)生污染;污泥焚燒處置過(guò)程中存在產(chǎn)生二惡英的風(fēng)險(xiǎn)等[5].污泥的安全處置、資源化利用已是緊迫的環(huán)境工程問(wèn)題.

隨著城市化進(jìn)程的加快,水泥和混凝土的社會(huì)需求量越來(lái)越大,污泥在混凝土工業(yè)中應(yīng)用不僅有利于污泥的處理,同時(shí)可以節(jié)約國(guó)家土地資源.污泥的建材利用業(yè)已被看作是一種可持續(xù)發(fā)展的污泥處理方式,在一些發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)展起來(lái)[6].剩余活性污泥中含有大量的和水泥相似的成分,可以一定程度上起著水泥的作用,一般情況下污泥摻入量不超過(guò)水泥質(zhì)量的10%可替代普通水泥進(jìn)行試塊制作[7].簡(jiǎn)述污泥中重金屬在混凝土凝結(jié)硬化過(guò)程中的反應(yīng),以及用污泥制作摻和料的可行性分析.以安徽省蕪湖市某污水處理廠脫水污泥為原料,在進(jìn)一步脫水、烘干、破碎、剔除大顆粒雜質(zhì)、細(xì)磨等預(yù)處理后制成污泥灰,分別按照3%∶1.6%∶1.9%∶1污泥灰-水泥質(zhì)量比,制作150 mm×150 mm×150 mm混凝土立方體標(biāo)準(zhǔn)試塊.檢測(cè)不同配比下試塊的抗壓強(qiáng)度,研究了以污泥灰為摻合料的混凝土基本力學(xué)性能.

1 污泥中重金屬在混凝土凝結(jié)硬化過(guò)程的反應(yīng)

污泥含有大量的有害物質(zhì),其中對(duì)污泥利用影響最大的是重金屬離子.水泥中的高堿度氫氧基可以使重金屬轉(zhuǎn)化為氫氧化物等低溶解性物質(zhì),將重金屬截留,其原理可分為凝結(jié)硬化反應(yīng)與水化反應(yīng)兩種.預(yù)處理后污泥灰中的Al2O3和SiO2與水泥中Ca(OH)2發(fā)生凝結(jié)硬化反應(yīng),生成晶體狀的鈣-鋁鹽類與鈣硅膠體,以填充水泥凝固時(shí)出現(xiàn)的微小孔隙,因而提高了固結(jié)體的強(qiáng)度和耐久性,還可以降低固結(jié)體的透水性.上述反應(yīng)中形成的硅酸鈣、鋁酸鈣等水合物膠體,隨時(shí)間的發(fā)展逐漸硬化,最終達(dá)到結(jié)晶狀態(tài).該過(guò)程將污泥的重金屬離子包裹于結(jié)晶相內(nèi),形成較為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu),同時(shí)達(dá)到固結(jié)體的后期強(qiáng)度.盡管污泥中含有重金屬等有害物質(zhì),水泥的這種固結(jié)過(guò)程,可使固結(jié)體重金屬浸出量滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求,并且隨著時(shí)間的推移,其浸出趨勢(shì)將變小[8].

2 污泥制作污泥灰為摻和料的可行性分析

污泥中有較高的SiO2＋Al2O3含量,可以考慮用以燒制混凝土摻合料[9].比較常溫污泥和900℃焙燒污泥,進(jìn)行化學(xué)成分以及對(duì)火山灰化學(xué)成分分析如表1所示,分析其是否含有火山灰活性材料所必備的化學(xué)成分.相關(guān)研究表明:經(jīng)900℃焙燒后,污泥中的主要無(wú)機(jī)物總量從52.8%增長(zhǎng)到89.2%,尤其是(SiO2＋Al2O3＋Fe2O3)總量高達(dá)76.2%,非常接近火山灰(SiO2＋Al2O3＋Fe2O3)含量[10].由上述分析可知, (SiO2＋Al2O3＋Fe2O3)含量較高的污泥,通過(guò)高溫焙燒后進(jìn)行快速冷卻,就能形成足夠量的活性SiO2和活性Al2O3,從而使污泥具備較高的火山灰活性.Hamernik等研究了不同類別的污泥灰,分析得出污泥灰活性相似于ASTM標(biāo)準(zhǔn)的C等級(jí)火山灰活性.Tay-J.H研究得出污泥灰替代一部分水泥對(duì)混凝土的強(qiáng)度影響不大[11].上述研究成果表明,用污泥制作污泥灰為混凝土摻合料的實(shí)施方案具有可行性.

表1 [12] 常溫和焙燒后的污泥以及火山灰化學(xué)成分(%)

3 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

3.1 試驗(yàn)材料

水泥:海螺牌P·O32.5普通硅酸鹽水泥,相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表2所示.粗骨料:粒徑5～40 mm礫石及小碎石,級(jí)配良好;細(xì)骨料:粒徑0.16～4.5 mm中砂,級(jí)配良好;水:普通自來(lái)水;污泥取自蕪湖市某污水處理廠,含水率80%左右,含泥量14%左右.

表2 水泥技術(shù)參數(shù)

3.2 試驗(yàn)方法

污泥灰制作:①在厭氧桶內(nèi)堆放7 d,進(jìn)一步降解污泥中的有機(jī)質(zhì)與脫水;②置于烘箱內(nèi)烘干,48 h,溫度200℃;③烘干后的污泥塊在粉碎機(jī)內(nèi)粉碎,然后過(guò)篩(孔徑1.0 mm);④去除篩余料中較大顆粒及雜質(zhì);⑤在小型球磨機(jī)中反復(fù)細(xì)磨.污泥灰制作過(guò)程如圖1所示.

試塊制作:水泥漿體凝結(jié)時(shí)間及需水量測(cè)定按國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行;混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)按照GB/T 50081～2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行.先根據(jù)C20強(qiáng)度等級(jí)驗(yàn)算混凝土基本材料配合比,然后用污泥灰替代部分水泥進(jìn)行不同配比試塊制作,具體用料比例如表3所示.根據(jù)各組配合比進(jìn)行稱量,然后在攪拌機(jī)內(nèi)進(jìn)行攪拌,攪拌均勻后的拌合料裝入150 mm×150 mm×150 mm的模具內(nèi)振實(shí)成型,在25℃下靜置2晝夜后拆模,拆模后的試塊進(jìn)行編號(hào),并放入養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù).養(yǎng)護(hù)條件:溫度20℃,相對(duì)濕度為95%.每組6件試塊,分別在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上以0.4 MPa/s加載率分別測(cè)試其養(yǎng)護(hù)14 d、28 d的抗壓強(qiáng)度.

表3 試塊各原材料制備參數(shù)

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 污泥灰-水泥質(zhì)量比對(duì)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度的影響

分別計(jì)算每組試塊實(shí)測(cè)值的平均值,按照經(jīng)驗(yàn)公式[13]換算混凝土彈性模量如表4、圖2所示.由表4及圖2可知,污泥灰-水泥質(zhì)量比在6%內(nèi)時(shí),混凝土立方體抗壓強(qiáng)度有所降低,降低幅度在5%以內(nèi),混凝土立方體抗壓強(qiáng)度滿足C20強(qiáng)度等級(jí)要求;當(dāng)質(zhì)量比達(dá)到9%時(shí),強(qiáng)度降低明顯,已不能滿足C20強(qiáng)度等級(jí)要求;按經(jīng)驗(yàn)公式換算的混凝土彈性模量均有較小幅度的降低.上述變化的主要原因是由于未采用高溫焙燒制作污泥灰,使其中火山灰活性材料未能充分發(fā)揮.

表4 不同污泥灰-質(zhì)量比14 d與28 d混凝土立方體抗壓強(qiáng)度平均值及其彈性模量

4.2 齡期對(duì)污泥灰為摻合料混凝土強(qiáng)度的影響

由表4可知,摻加污泥灰與不摻加污泥灰的混凝土試塊14d齡期強(qiáng)度均能達(dá)到28d齡期強(qiáng)度80%左右,表明摻加污泥灰對(duì)混凝土強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間增加的變化趨勢(shì)影響不大.其主要原因是由于污泥灰中含有與水泥材料成分相同的活性材料,在水泥凝結(jié)硬化反應(yīng)過(guò)程中的影響并不明顯.

4.3 污泥灰摻入量對(duì)混凝土立方體試塊平均峰值應(yīng)變的影響

按照各組試驗(yàn)14 d齡期荷載-位移曲線峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)試塊軸向變形計(jì)算其平均峰值應(yīng)變,不同配比下立方體試塊的平均峰值應(yīng)變變化曲線如圖3所示.由圖3可知,隨著污泥灰摻入量的增加,混凝土立方體標(biāo)準(zhǔn)試塊的峰值應(yīng)變呈下降趨勢(shì),表現(xiàn)其變形能力逐漸降低.

5 結(jié)論

為避免在高溫焙燒污泥過(guò)程中產(chǎn)生二惡英等氣體對(duì)環(huán)境造成污染,采用脫水、烘干、細(xì)磨處理制作污泥灰為摻合料的混凝土立方體標(biāo)準(zhǔn)試塊,并對(duì)其進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),初步探討了污泥灰為摻合料對(duì)混凝土基本力學(xué)性能的影響.污泥灰-水泥質(zhì)量比在6%內(nèi)時(shí),混凝土立方體抗壓強(qiáng)度降低幅度較小,能滿足混凝土強(qiáng)度等級(jí)要求.當(dāng)質(zhì)量比達(dá)到9%時(shí),強(qiáng)度降低明顯,已不滿足要求.摻加污泥灰與不摻加污泥灰的混凝土試塊14 d齡期強(qiáng)度均能達(dá)到28 d齡期強(qiáng)度80%左右,摻加污泥灰對(duì)混凝土強(qiáng)度的發(fā)展影響不大.污泥灰摻入量的增加,會(huì)使混凝土的變形能力逐漸降低.采用烘干方法對(duì)污水廠污泥進(jìn)一步脫水,制作污泥灰為摻合料用于低等級(jí)混凝土的方案基本可行,但是摻入量受到一定限制.

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The experimental study on compressive strength of cubed concrete added with sludge ash

ZHANG Jin-lun,SUN Jun-wei,LI Ji-yuan
(College of Civil and Architectural Engineering,Anhui Polytechnic University,Wuhu 241000,China)

A brief summary for the reaction of heavy metal of sludge in setting and hardening of concrete, and a feasibility analysis for using sludge ash to make concrete admixture have been conducted in the paper.Making the standard concrete test cube is the production of sewage sludge ash with dehydrated sludge as raw material,according to the different sludge ash cement mass ratio.Axial compressive tests under the different ratio were done,studying the basic mechanical properties of concrete taking sludge ash as admixture.The test results show that:when the mass ratio of sludge ash and cement is less than 6%,the compressive strength of cube concrete decreased less,meeting the requirements of strength grade of concrete;Incorporation of sludge ash to concrete can decrease the deformation ability of compression,but its impaction on the strength development of concrete is not obvious.

dewatered sludge;admixture;concrete;compressive strength;the capacity of deformation

X703;TU 528.01

A

1672-2477(2015)04-0091-04

2014-12-31

安徽省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(TSKJ2014B13,TSKJ2014B15)

張金輪(1984-),男,安徽合肥人,講師,博士研究生.