城市污泥陶砂的制備及其在外墻干混保溫砂漿中的應(yīng)用

鄭紅勇（太原學(xué)院 建筑工程系，山西 太原　030032）

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城市污泥陶砂的制備及其在外墻干混保溫砂漿中的應(yīng)用

鄭紅勇
（太原學(xué)院 建筑工程系，山西 太原030032）

將陰干的城市污泥在1100℃下焙燒30 min，制備成陶砂，通過(guò)SEM對(duì)陶砂進(jìn)行微觀分析，表明其為密閉多孔膨脹性微粒，經(jīng)測(cè)試，該陶砂的密度為410 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.029 W/（m·K），說(shuō)明其可以作為保溫材料應(yīng)用于建筑外墻保溫體系中。按照m（水泥）∶m（陶砂）∶m（減水劑）∶m（聚丙烯纖維）=100∶70∶0.6∶0.5混合均勻，在水灰比為0.3條件下制備成干混保溫砂漿，成型養(yǎng)護(hù)28 d后，試塊的抗壓強(qiáng)度為13.0 MPa，導(dǎo)熱系數(shù)為0.81 W/（m·K），吸水率為0.80%，干縮率為0.91%，密度為1950 kg/m3。

城市污泥；陶砂；聚丙烯纖維；保溫砂漿

為了達(dá)到建筑節(jié)能的目的，在建筑外墻體系中，保溫砂漿的使用越來(lái)越多，不過(guò)由于高分子材料潛在的不安全性，因此使用無(wú)機(jī)材料配制保溫砂漿是當(dāng)前建筑保溫的一個(gè)重要的研究方向［1］。目前對(duì)于無(wú)機(jī)保溫砂漿的研究主要是利用一種或多種具有低導(dǎo)熱系數(shù)的多孔性骨料與水泥基體復(fù)配［2］。在城鎮(zhèn)化建設(shè)過(guò)程中，產(chǎn)生了大量的污水，經(jīng)過(guò)處理后存在巨量的城市污泥，雖然富含有機(jī)質(zhì)，但是由于其重金屬含量高，且存在病原體，還散發(fā)惡臭［3］，因此不但無(wú)法作為農(nóng)作物肥料使用，而且即使簡(jiǎn)單填埋處理也易造成土壤或者水體污染，因此對(duì)于城市污泥的資源化利用，特別是將之應(yīng)用于建筑工程材料的利用問(wèn)題一直是城市污泥處理的主要開(kāi)發(fā)方向［4］。通過(guò)高溫煅燒將城市污泥中的病原菌殺死，同時(shí)將城市污泥內(nèi)富含的有機(jī)物燃燒，制備多孔性燒膨陶粒是城市污泥資源化利用的一個(gè)途徑，不過(guò)在制備過(guò)程中需要摻入大量黏土，且受到陶粒在建筑中加入量的影響，因此污泥利用量有限［5］。而如果將城市污泥燒制成輕砂，則可以替代水泥砂漿中的細(xì)砂，并且由于制備的輕砂多孔、質(zhì)輕，保溫性能較普通砂好，當(dāng)將其與水泥基材復(fù)配，制備成外墻保溫砂漿時(shí)，由于外墻保溫砂漿僅對(duì)建筑物起圍護(hù)密閉的作用，對(duì)其力學(xué)性能要求不高，則可以減少建筑物對(duì)砂的消耗量，還可以充分資源化利用城市污泥，同時(shí)建筑物的保溫性能也得到提高。本研究基于以上目的，通過(guò)高溫對(duì)城市污泥進(jìn)行處理，制備多孔性陶砂，替代水泥砂漿中的細(xì)砂，制備外墻保溫砂漿，以為城市污泥資源化利用及建筑節(jié)能研究提供一條可行性途徑。

1　試驗(yàn)

1.1原材料及主要儀器設(shè)備

水泥：P·O32.5水泥，山西太原獅頭水泥廠；污泥：山西太原城南污水廠；聚羧酸高性能減水劑：FL-HPC，減水率大于20%，天津市北辰區(qū)辰和建材廠；水：自來(lái)水；聚丙烯纖維：長(zhǎng)度6 mm，山東濱州魯峰網(wǎng)業(yè)有限公司。

KYKY-100B型掃描電子顯微鏡，中國(guó)科學(xué)院儀器中心；DRM-Ⅰ平板式導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀，天津建筑儀器試驗(yàn)機(jī)公司；WEW-300電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，濟(jì)南試金儀器有限公司；UJZ-15水泥砂漿攪拌機(jī)，上海雷韻試驗(yàn)儀器制造有限公司。

1.2試驗(yàn)過(guò)程

將陰干的污泥置于馬弗爐中，于1100℃下焙燒30 min，過(guò)篩取直徑2 mm以下陶砂，按照m（水泥）∶m（陶砂）∶m（減水劑）∶m（聚丙烯纖維）=100∶70∶0.6∶0.5充分?jǐn)嚢杈鶆?，制備成為干混水泥砂漿，在水灰比為0.3條件下制備成標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行測(cè)試。

1.3測(cè)試方法

利用SEM對(duì)污泥陶砂的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀察。陶砂基本性能依據(jù)GB/T 17431.2—2010《輕集料及其試驗(yàn)方法 第2部分：輕集料試驗(yàn)方法》進(jìn)行，砂漿基本性能依據(jù)GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》及JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試。

2　結(jié)果與討論

2.1焙燒條件對(duì)城市污泥陶砂性能的影響

對(duì)于外墻無(wú)機(jī)保溫材料而言，主要是依靠向水泥砂漿中摻入隔熱性能良好的中空填料以降低水泥砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)，并最終實(shí)現(xiàn)保溫性能的提高，而利用城市污泥制備而成的陶砂在本研究中即為此類填料，因此城市污泥陶砂的制備條件對(duì)干混砂漿的性能有較大影響［6］，本研究在城市污泥中有機(jī)物質(zhì)可以發(fā)生充分分解的溫度下，考察不同燒結(jié)時(shí)間對(duì)陶砂燒失量、密度、導(dǎo)熱系數(shù)等性能的影響，結(jié)果如表1所示。

表1　焙燒條件對(duì)陶砂性能的影響

從表1可以看出，在本研究的試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，燒結(jié)溫度對(duì)城市污泥的燒失量影響不大，可見(jiàn)大部分有機(jī)物都可在此溫度范圍內(nèi)分解；隨著燒結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)，陶砂的密度不斷降低，隨著燒結(jié)溫度的提高，陶砂的密度小幅度變化，不過(guò)導(dǎo)熱系數(shù)變化不大，這可能的原因是由于燒結(jié)溫度高，陶砂外表面釉質(zhì)強(qiáng)度大，有機(jī)物揮發(fā)不易引起陶砂膨脹，而陶砂膨脹系數(shù)低，也自然造成孔隙率低，因此造成密度發(fā)生小幅度變化，不過(guò)由于類似釉質(zhì)層的生成，因此雖然陶砂內(nèi)部孔隙率增加，但是陶砂外壁也同時(shí)強(qiáng)化了熱的傳導(dǎo)，二者共同作用下，提高溫度對(duì)降低陶砂導(dǎo)熱系數(shù)意義不大，1100℃條件下焙燒僅是在初期對(duì)降低陶砂導(dǎo)熱系數(shù)起到一定積極意義，而且在此溫度下，經(jīng)過(guò)30 min焙燒后，陶砂的密度較低，導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到0.029 W/（m·K），滿足砂漿的保溫性能要求，因此確定適宜的焙燒溫度為1100℃，焙燒時(shí)間為30 min，在此條件下的城市污泥陶砂的外觀照片及經(jīng)掃面電子顯微鏡放大后的照片如圖1所示。

圖1　城市污泥陶粒的外觀和SEM照片

2.2陶砂用量對(duì)保溫砂漿性能的影響

在無(wú)機(jī)保溫砂漿體系中，無(wú)機(jī)保溫填料添加量越多，水泥用量越少，保溫效果越好［7］，而作為外保溫砂漿而言，對(duì)其力學(xué)性能要求不高，因此考慮在砂漿體系中增大陶砂用量，同時(shí)為了降低砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)和密度，棄用細(xì)砂。固定m（水泥）∶m（減水劑）∶m（聚丙烯纖維）=100∶0.6∶0.5，陶砂用量（按占水泥質(zhì)量計(jì)）對(duì)保溫砂漿性能的影響如表2所示。

表2　陶砂用量對(duì)保溫砂漿性能的影響

從表2可以看出，砂漿的密度隨著陶砂用量增加而不斷下降；由于外墻保溫砂漿的抗壓強(qiáng)度要求低（不小于0.2MPa），因此即使陶砂用量達(dá)到80%的情況下，仍能滿足外墻砂漿的抗壓強(qiáng)度要求；由于陶砂為多孔中空材料，隨著陶砂用量的增加，形成一層滯氣層，因此砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)不斷下降，也就是砂漿的保溫性能不斷提高；不過(guò)砂漿的吸水率也隨之增大，對(duì)于外墻干混砂漿而言，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求其吸水率小于1%，因此雖然高摻量陶砂的保溫性能得以提高，不過(guò)在沒(méi)有有效阻水表面的情況下，砂漿中陶砂的用量不應(yīng)高于70%。從表2還可以看出，隨著陶砂用量的增加，成型后混凝土的干縮率也不斷增大，當(dāng)陶砂摻加量超過(guò)70%時(shí)，砂漿的干縮率過(guò)大，制備成型后的砂漿容易發(fā)生干縮開(kāi)裂的問(wèn)題。綜上所述，確定適宜的陶砂摻入量為70%。

2.3減水劑摻量對(duì)保溫砂漿性能的影響

在水泥砂漿中摻入疏水性高分子，可以有效抑制水分向多孔性填料的滲透，降低砂漿的吸水性，還可以防止砂漿成型過(guò)程中由于水灰比大而出現(xiàn)的泌水現(xiàn)象［8］，本研究中由于使用大量的多孔性城市污泥陶砂，因此必須摻入減水劑，以提高干混砂漿的和易性，不過(guò)減水劑的加入固然抑制了陶砂對(duì)水分的早期吸附問(wèn)題，但也同時(shí)降低了砂漿的水灰比。固定m（水泥）∶m（陶砂）∶m（聚丙烯纖維）=100∶70∶0.5，考察減水劑摻量（按占水泥質(zhì)量計(jì)）對(duì)干混砂漿性能的影響，結(jié)果如表3所示。

表3　減水劑摻量對(duì)保溫砂漿性能的影響

從表3可以看出，摻入減水劑后，在滿足和易性的前提下，由于水灰比降低，砂漿的密度有一定程度的增大，同時(shí)抗壓強(qiáng)度也得到提高；但是砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)變化不大；不過(guò)由于摻入了憎水性的高分子摻料，以及砂漿密度增加的雙重作用下，砂漿的吸水率降低了。但是砂漿的干縮率卻出現(xiàn)先降低再增大的趨勢(shì)，這可能是由于少量添加減水劑的情況下，由于減水劑抑制多孔陶砂對(duì)水分的吸附，因此有效防止早起初凝時(shí)失水過(guò)快，進(jìn)而降低了干縮率，而當(dāng)減水劑摻量過(guò)高時(shí)，由于水灰比降低，水泥發(fā)生自主收縮，而陶砂骨料無(wú)法起到足夠的膨脹變形對(duì)抗作用，導(dǎo)致干縮率又緩慢提高［9］。通過(guò)以上分析，確定適宜的減水劑摻量為0.6%。

2.4聚丙烯纖維摻量對(duì)保溫砂漿性能的影響

外墻干混砂漿沒(méi)有粗骨料，水灰比低，而且由于無(wú)法有效保濕，經(jīng)常出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象。本研究中在干混砂漿中混入聚丙烯纖維，抑制墻體由于干縮而產(chǎn)生的開(kāi)裂現(xiàn)象并降低吸水率。固定m（水泥）∶m（陶砂）∶m（減水劑）=100∶70∶0.6，聚丙烯纖維摻量（按占水泥質(zhì)量計(jì)）對(duì)保溫砂漿性能的影響如表4所示。

表4　聚丙烯纖維摻量對(duì)砂漿性能的影響

從表4可以看出，摻入聚丙烯纖維以后，砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)和密度基本不變；由于聚丙烯纖維的交聯(lián)作用，砂漿的韌性增大、干縮率降低［10-11］，抗壓強(qiáng)度也小幅度提高；而由于纖維的憎水作用，砂漿的吸水率降低了。當(dāng)聚丙烯纖維摻量為0.5%時(shí)，砂漿的吸水率為0.80%，干縮率為0.91%，繼續(xù)增加纖維摻量，對(duì)砂漿性能影響不大，因此確定適宜的聚丙烯纖維摻量為0.5%。

3　結(jié)語(yǔ)

利用高溫將城市污泥焙燒成陶砂，并與水泥、減水劑、聚丙烯纖維復(fù)配，制備成干混砂漿，當(dāng)m（水泥）∶m（陶砂）∶m（減水劑）∶m（聚丙烯纖維）=100∶70∶0.6∶0.5，水灰比為0.3時(shí)，砂漿的抗壓強(qiáng)度為13.0 MPa，導(dǎo)熱系數(shù)為0.81 W/（m·K），吸水率為0.80%，干縮率為0.91%，密度為1950 kg/m3。

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Preparation of sludge ceramic sands and its application in exterior insulation dry mixing mortar

ZHENG Hongyong
（Department of Architectural Engineering，Taiyuan University，Taiyuan 030032，China）

Dry sludge had been roasted at 1100℃ for 30 min to prepare ceramic sands，the sample had been characterized by SEM，proved it had expanded and hermetic bore，the volume weight and heat conductivity of ceramic sands was 410 kg/m3and 0.029 W/（m2·K）respectively，showed it could be used on heat insulating system of outside wall as insulation material.Cement，ceramic sands，water reducing agent and polypropylene fiber was mixed 100∶70∶0.6∶0.5 by mass，obtained dry mixed cement mortar. After curing for 28 days，its compressive strength was 13 MPa，heat conductivity was 0.80 W/（m·K），water absorption was 0.80%，drying shrinkage was 0.91%，volume weight was 1950 kg/m3，proved it had good thermal insulation properties.

urban sludge，ceramic sands，polypropylene fiber，thermal mortar

TU528.2

A

1001-702X（2016）06-0082-03

2015-12-01

鄭紅勇，男，1976年生，山西榆次人，碩士，講師，主要研究方向?yàn)榻ㄖ牧?、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。地址：太原市太原經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)大昌南路18號(hào)，E-mail：zhenghongyong76@sina.com。