粉煤灰對粉煤灰
—污泥陶粒性能的影響

元敬順　李鐵華　張會芳　白啟敬　谷牧青

(1.河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000；2.河北張家口市鴻澤排水有限公司，河北 張家口 075000)

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粉煤灰對粉煤灰
—污泥陶粒性能的影響

元敬順1李鐵華2張會芳1白啟敬1谷牧青1

(1.河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000；2.河北張家口市鴻澤排水有限公司，河北 張家口 075000)

摘要:為了將固體廢物粉煤灰和污泥資源化利用，以粉煤灰為主體材料，污泥為粘結(jié)劑，選擇碳化硅為膨脹劑，制備了用于高性能混凝土中的陶粒，研究了粉煤灰摻量對陶粒性能的影響.研究結(jié)果表明：在焙燒溫度為1180 ℃時，主體材料中粉煤灰95%，頁巖5%時，可制得顆粒強(qiáng)度達(dá)到11.4 MPa，24 h吸水率3.30%，表觀密度1270 kg/m3陶粒，達(dá)到高強(qiáng)度、低吸水率高性能輕骨料的要求.在同一焙燒條件下，提高粉煤灰摻量可提高顆粒強(qiáng)度，降低吸水率.

關(guān)鍵詞:粉煤灰；污水污泥；陶粒；吸水率；顆粒強(qiáng)度；膨脹率

0引言

固體廢物是固態(tài)或半固態(tài)廢棄物的總稱，包括城市生活垃圾(亦稱城市固體廢物)、有害有毒固體廢物和無毒無害固體廢物三大類.無毒無害廢物指粉煤灰、建筑垃圾等.污水處理廠污泥也可以被列為固體廢物中的一類[1].

粉煤灰污染已成為中國最大的單一固體污染源.我國是一個人均占有資源儲量有限的國家，粉煤灰的綜合利用，變廢為寶、變害為利，已成為我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)中一項(xiàng)重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)政策[2].位于張家口市沙嶺子鎮(zhèn)的大唐國際發(fā)電股份有限公司張家口發(fā)電廠每天粉煤灰回收量超過6千t，盡管已有部分用于商品混凝土、道路路基中等，但由于灰量較大，并沒得到全部利用，有待于進(jìn)一步消納.

城市污水處理廠的污泥，由于污水處理廠的日益發(fā)展，其終端廢棄污泥的排放也日益增多，而它的特征是：含水率高難以焚燒，運(yùn)輸成本高，堆放占地面積大，直接填埋則會使填埋場提前報(bào)廢；污泥微生物、病原體含量高，不加處理，直接施用或棄置會污染食物鏈；污泥惡臭污染環(huán)境，同時向大氣排放溫室氣體(是二氧化碳的20倍)；污泥中若含有重金屬，如果不加控制使用，可能污染土地，造成不可逆的耕地退化.國外對污泥的最終處置主要采用污泥農(nóng)用、衛(wèi)生填埋以及焚燒等方法，目前國內(nèi)污水廠污泥處置的方法主要有自然堆肥、干燥造粒、石灰消解穩(wěn)定、污泥制作陶粒、污泥制磚及污泥制水泥和污泥填埋等方法.但有的污水廠的污泥還是以堆存為主，有的甚至任意排放，給周圍環(huán)境造成嚴(yán)重污染，影響城市經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展.張家口的污泥還沒有得到資源化利用，脫水后污泥含水率達(dá)到75%～80%，脫水后的污泥的最終處置是運(yùn)到垃圾填埋場.如何安全有效地進(jìn)行污水污泥處理和處置，既能降低成本，又不引起二次污染，實(shí)現(xiàn)污泥的減量化、穩(wěn)定化、無害化和資源化，是目前環(huán)境領(lǐng)域急需解決的問題.

筆者針對張家口市粉煤灰少量利用和污泥的零利用現(xiàn)狀，選用粉煤灰和頁巖做為主體材料，污泥做為粘結(jié)材料，添加微量膨脹劑，制備用于高性能混凝土中的輕骨料—陶粒，使粉煤灰和污泥這兩種固體廢物轉(zhuǎn)化成為高品位的建筑材料，這對張家口當(dāng)?shù)睾侠硖幹霉腆w廢棄物有重要的指導(dǎo)意義.

1試驗(yàn)原材料

本課題的實(shí)驗(yàn)原材料有：張家口鴻澤排水有限公司污泥、大唐國際張家口發(fā)電廠的二級粉煤灰以及膨脹劑SiC.

1.1原料物理性質(zhì)

粉煤灰：大唐國際發(fā)電股份有限公司張家口發(fā)電廠粉煤灰，粉煤灰為二級粉煤灰，比表面積為468 m2/kg，密度為2.2～2.4g/cm3；

污泥：張家口鴻澤排水有限公司污泥，含水率為75.6%.

頁巖：張家口尚義縣小蒜溝的紫色頁巖，經(jīng)破碎機(jī)破碎、球磨機(jī)研磨后的頁巖0.08 mm方孔篩篩余百分率為16%；

SiC：九零型SiC，黑色粉末.密度為3.10 g/cm3.

1.2原材料的成分

為進(jìn)行陶粒的配比設(shè)計(jì)，筆者將干燥后的粉煤灰、污泥及頁巖進(jìn)行了化學(xué)分析，其成分如表1所示.

表1　污泥、頁巖、粉煤灰的化學(xué)成分分析

2配方設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)配方考慮盡可能消納粉煤灰，因此主體材料為粉煤灰和頁巖，合計(jì)占總質(zhì)量的70%，粘結(jié)劑以污泥為主，占總質(zhì)量的30%，因?yàn)榕蛎泟┨蓟钃搅亢苌?，固采用外加的方法，編號與配方如表2所示.

表2　編號與配方

為驗(yàn)證配方擬達(dá)到的強(qiáng)度結(jié)果，依據(jù)公式[3](1)將分析成分帶人進(jìn)行了推算，計(jì)算結(jié)果列于表3.

fk=1.1013-0.026 SiO2+0.1272(Fe2O3+FeO)+0.0746 Al2O3+0.0065ρ0

(1)

式中fk-陶粒的筒壓強(qiáng)度(MPa)；

ρ0-陶粒的堆積密度(kg/m3)；

SiO2、Fe2O3、FeO、Al2O3-污泥、頁巖、粉煤灰的化學(xué)成分(%)；

擬設(shè)計(jì)陶粒的堆積密度值為800 kg/m3.

表3　配方與筒壓強(qiáng)度關(guān)系

由表3可知，隨著粉煤灰摻量增加，計(jì)算陶粒的強(qiáng)度增加.

3陶粒制備與性能測試

3.1陶粒制備

(1)原料的混合.

將70%的主體材料(粉煤灰+頁巖)按照各配方用電子天平準(zhǔn)確稱量后與30%的污泥一起倒入混合容器中，充分?jǐn)嚢瑁瑢嚢韬蟮幕旌狭嫌脻駶櫟拿砩w好，放置30 min.

(2)成球.

將放置好的混合料用成球機(jī)成型，挑選形狀較規(guī)則且大小較均勻的料球顆粒，在自然環(huán)境下干燥，備燒.

(3)料球焙燒過程.

成型的料球先經(jīng)自然干燥1-2天，以免在入爐燒制過程中因水分過多而開裂.料球經(jīng)自然干燥之后，放到1600 ℃快速升溫節(jié)能箱式電爐SSJ-IIE中進(jìn)行燒結(jié).

焙燒過程嚴(yán)格控制電阻爐的升溫速率，其程序分為下列9個階段：

①0 ℃-100 ℃(15 min)；

②100 ℃-200 ℃(4 min)；

③200 ℃-650 ℃(20 min)；

④650 ℃-燒結(jié)最高溫度T(升溫速度按12 ℃/min計(jì)算升溫時間)；

⑤溫度達(dá)到T后，恒溫12 min再停止加熱，使自然冷卻；

⑥當(dāng)溫度降到1000 ℃時，開門鼓風(fēng)，使溫度快速降到700 ℃；

⑦溫度降到700 ℃后停止鼓風(fēng)，關(guān)門，恒溫15 min；

⑧15 min后開門自然冷卻到400 ℃；

⑨溫度降到400 ℃后可鼓風(fēng)快速冷卻至室溫.

3.2陶粒性能測試

(1)陶粒膨脹率的測定方法.

膨脹率是指陶粒燒結(jié)后，體積的增加量與陶粒燒結(jié)前的體積之比，以百分率表示.采用人工測量的方法：將燒結(jié)好并冷卻到室溫的各組陶粒挑選形狀較規(guī)則、大小較均勻的10個陶粒，用游標(biāo)卡尺測出每個粒徑d1、d2、d3、d4、d5、d6、d7、d8、d9、d10，取其平均值作為平均粒徑D(單位cm，精確到0.001 cm)，最后公式計(jì)算膨脹率(精確到0.01%)，計(jì)算公式如下：

a=(D-d0)/d0

(2)

式中：a——陶粒的體積膨脹率(%)；

D——燒結(jié)后陶粒平均粒徑(cm)；

d0——燒結(jié)前料球的粒徑(cm).

(2)陶粒吸水率的測定方法.

陶粒吸水率依據(jù)GB/T17431.2-2010《輕集料及其試驗(yàn)方法第二部分：輕集料試驗(yàn)方法》[4]進(jìn)行了1 h和24 h吸水率測定.

(3)陶粒表觀密度的測定方法.

陶粒表觀密度依據(jù)GB/T17431.2-2010《輕集料及其試驗(yàn)方法第二部分：輕集料試驗(yàn)方法》[4]測試.

地鐵使人們出行更加便捷，所以對房價影響較大。小區(qū)與地鐵站的間距每增加一千米，房價下降356元/m2，對住宅價格影響較顯著。交通軌道能使居住區(qū)的通達(dá)度得到提高，使沿線住房價格得到提高，為開辟和建造新居住區(qū)予以潛在的利潤保證，開發(fā)居住區(qū)的最佳位置大多數(shù)選擇在交通干道兩側(cè)和快速路進(jìn)出口周圍區(qū)域。

(4)強(qiáng)度的測定方法.

在靜壓強(qiáng)度測試中，所用儀器為木材萬能試實(shí)驗(yàn)機(jī)，從每組陶粒中挑選形狀較規(guī)則、大小較均勻的10個，將陶粒顆粒放置在儀器底部平臺上，記錄各陶粒顆粒破碎時所承受的力F1、F2、F3、F4、F5、F6……F10(單位N)，最后以陶粒所承受的力平均值F(精確到0.001 N)，除以陶粒的中心截面積作為單粒陶粒的強(qiáng)度.

4試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析

按照上述方法對陶粒性能測試后的結(jié)果見表4.根據(jù)測試結(jié)果，本文分別討論了粉煤灰摻量對陶粒各個性能的影響.

表4　陶粒的性能

4.1粉煤灰摻量對陶粒膨脹率和表觀密度的影響

輕骨料與普通骨料最大的不同就是輕質(zhì)，為了達(dá)到輕質(zhì)的目的，筆者在配料中添加了膨脹劑，因?yàn)榕蛎浡实拇笮∈軠囟鹊挠绊?，因此在焙燒時選擇了1170 ℃、1180 ℃、1190 ℃、1200 ℃燒結(jié)溫度，不同溫度下粉煤灰摻量與膨脹率的關(guān)系如圖1所示.

圖1陶粒燒結(jié)后膨脹率 圖21180 ℃和1200 ℃時陶粒膨脹率變化

由圖1中可以看出，當(dāng)溫度一定，粉煤灰摻量從80%-100%變化時，陶粒的膨脹率是逐漸下降的,1170 ℃時膨脹率從28.18%下降到8.64%，1180 ℃時膨脹率從39.36%下降到10.45%，1190 ℃時膨脹率從56.45%下降到19.45%，1200 ℃時膨脹率從77.20%下降到26.00%；當(dāng)粉煤灰摻量一定，燒結(jié)溫度從1170 ℃～1200 ℃變化時，陶粒的膨脹率是逐漸上升的.由圖2也可以直觀看出一定溫度下陶粒的膨脹率都是隨粉煤灰摻量減小而增大的，不同溫度對比時(如1180 ℃和1200 ℃)，陶粒膨脹率是隨溫度增大而升高的.

分析以上變化趨勢，膨脹陶粒的生成需要同時具備兩個條件：一是有膨脹氣體產(chǎn)生，二是粘度適宜的液相出現(xiàn).當(dāng)粉煤灰百分?jǐn)?shù)從100%-80%變化時，隨著粉煤灰的減少，由表2可知，原料中化學(xué)成分Al2O3的量減少，陶粒液相粘度下降，則膨脹率越大.

當(dāng)燒結(jié)溫度越高時，C與Fe2O3反應(yīng)生成CO氣體的反應(yīng)就會越徹底，高溫下產(chǎn)生的氣體量和熔融物越多,并且高溫下氣體更易逸出，使熔融物膨脹，因此陶粒膨脹率也就越大.

4.2粉煤灰摻量對陶粒吸水率的影響

陶粒的吸水率直接影響混凝土的工作性，當(dāng)陶粒吸水率過大時，混凝土難以泵送，且會造成混凝土的經(jīng)時損失較大.而粉煤灰摻量是否會影響陶粒的吸水率，筆者通過建立粉煤灰摻量與吸水率的關(guān)系曲線，如圖4所示，探討了陶粒吸水率隨粉煤灰摻量、溫度變化的規(guī)律.

圖3陶粒燒結(jié)后表觀密度變化 圖4陶粒燒結(jié)后24小時吸水率變化規(guī)

由圖4可知，當(dāng)燒結(jié)溫度一定，粉煤灰摻量從80%-100%變化時，陶粒的吸水率是逐漸降低的，1170 ℃時吸水率從6.69%變化到3.25%，1180 ℃時吸水率從6.64%變化到2.46%,1190 ℃時吸水率從7.59%變化到2.36%，1200 ℃時吸水率從12.74%變化到3.28%；當(dāng)粉煤灰摻量一定，燒結(jié)溫度從1170 ℃-1200 ℃變化時，陶粒的吸水率除個別點(diǎn)外，大致也是逐漸上升的.

由圖5可以直觀看出當(dāng)粉煤灰摻量減少時(A-1～A-5)，陶粒表面的孔隙率越來越大，吸水率隨之提高.原因是隨著粉煤灰摻量增多，料球中Fe2O3的量逐漸減少，燒結(jié)過程中產(chǎn)生的氣體減少，膨脹率降低，因此氣孔率降低，因此，當(dāng)氣孔率降低時，陶粒的吸水率降低.

圖5　1200 ℃時陶粒表面的變化

圖6　編號為A-4的陶粒在不同焙燒溫度下表面的變化

由圖6所示，隨著溫度的升高，料球膨脹率逐漸增大，燒成過程中產(chǎn)生的氣體沖破液相，表面氣孔較多，使吸水率增大.但當(dāng)在1180 ℃、1190 ℃時，由于產(chǎn)生的熔融物有在表面形成，導(dǎo)致陶粒表面較光滑，反而使吸水率降低.

4.3粉煤灰摻量對陶粒顆粒強(qiáng)度的影響

陶粒的強(qiáng)度直接影響混凝土的強(qiáng)度，陶粒的強(qiáng)度越高，配制的混凝土強(qiáng)度也越高.由圖7可知，當(dāng)燒結(jié)溫度一定，粉煤灰摻量從80%～100%變化時，陶粒的顆粒強(qiáng)度是逐漸升高的,1170 ℃時顆粒強(qiáng)度從8.3 MPa變化到18.0 MPa,1180 ℃時顆粒強(qiáng)度從4.4 MPa變化到18.0 MPa；當(dāng)粉煤灰摻量一定，燒結(jié)溫度從1170 ℃～1180 ℃變化時，陶粒的顆粒強(qiáng)度是降低的，當(dāng)粉煤灰摻量最多時，即不含頁巖時，顆粒強(qiáng)度幾乎相同.

圖7　料球燒結(jié)后強(qiáng)度變化趨勢

分析以上變化趨勢，料球中的SiO2和Al2O3在高溫下形成的玻璃熔體，會賦予陶粒強(qiáng)度.料球在燒結(jié)過程中,會產(chǎn)生部分軟化和液相(即產(chǎn)生玻璃熔體),特別是在料球表面液相較多，料球中的SiO2包括石英會與NaOH生成NaSiO3，使陶粒殼層粘性增大，降低了粉煤灰體系的熔點(diǎn)，在表面以玻璃體為主形成一層堅(jiān)硬的外殼(厚度0.5 mm左右)，提高了陶粒的強(qiáng)度.隨著粉煤灰摻量從80%-100%變化，料球中SiO2和Al2O3的含量都升高，會生成更多的玻璃體，因此強(qiáng)度隨粉煤灰增多而增大.而且氣孔率也影響陶粒顆粒強(qiáng)度，由圖8也可以看出，隨著粉煤灰摻量從80%-100%變化，陶粒剖面的孔隙率越來越小，也可以得出強(qiáng)度隨粉煤灰增多而增大.

焙燒溫度的提高導(dǎo)致強(qiáng)度呈下降趨勢，主要原因是升高焙燒溫度提高了膨脹率，膨脹率的提高使得陶粒的孔隙率增加，氣孔的存在明顯降低了荷裁作用的橫截面積，使得固體材料上承擔(dān)的應(yīng)力增大，因此強(qiáng)度隨膨脹率的增加而降低，也即強(qiáng)度隨焙燒溫度的增加而降低.

5結(jié)論

(1)主體材料中粉煤灰95%，頁巖5%，焙燒溫度1180 ℃時，可制得顆粒強(qiáng)度11.4 MPa，24 h吸水率3.30%，表觀密度1270 kg/m3陶粒，其性能達(dá)到高性能輕骨料的要求.

(2)當(dāng)溫度一定時，陶粒的膨脹率和吸水率都隨粉煤灰摻量的增多而減小，陶粒的表觀密度和強(qiáng)度隨粉煤灰摻量的增多而增加.

(3)配比不變，溫度在1170-1200 ℃間變化時，陶粒的表觀密度、顆粒強(qiáng)度隨溫度提高而有所下降.

參考文獻(xiàn)

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[4]GB/T17431.2-2010《輕集料及其試驗(yàn)方法》[S].2010.09

Effect of Fly Ash on Properties of Ceramsite with Fly Ash and Sludge

YUAN Jing-shun1， LI Tie-hua2，ZHANG Hui-fang1，BAI Qi-jing1,GU Mu-qing1

(1. Hebei Institute of Architectural and Civil Engineering,Zhangjiakou 075000,China；2.Zhangjiakou Hongze Drainage Co., Ltd.,Zhangjiakou 075000,China)

Abstract：In order to use fly ash and sludge solid wastes as resources,the effect of fly ash volume on ceramsite was investigated by using fly ash as the major raw material,sludge as the binder,and silicon carbide as the expansion agent to prepare ceramsite for incorporation in high-performance concrete.The study results suggest that,with 95% fly ash and 5% shale and at a calcinations’ temperature of 1180 ℃,the produced ceramsite has a grain strength of 11.4 MPa,a 24 h absorption rate of 3.30%,and an apparent density of 1270 kg/m3,satisfying the high-strength and low-absorption requirements for lightweight aggregate with high performance.At a given calcinations’ condition,a higher fly ash volume produces a higher ceramsite strength and a lower water absorption rate.

Key words：fly ash;sewage sludge;ceramsite;water absorption;grain strength;expansion ratio

收稿日期：2015-12-06

基金項(xiàng)目：河北省科技廳重點(diǎn)基礎(chǔ)研究項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(14963807D)

作者簡介：元敬順(1957-)，女，教授，主要從事無機(jī)非金屬材料和建筑材料教學(xué)與研究.

中圖分類號:TU 528．041

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A