利用酸洗污泥制備蒸壓灰砂磚的探究

彭效義，許國東，孫正華

（江蘇省建筑科學(xué)研究院有限公司，江蘇 南京 210008）

蒸壓灰砂磚是以砂和石灰為主要原料，摻入顏料和外加劑，經(jīng)坯料制備、壓制成型、經(jīng)高壓蒸氣養(yǎng)護(hù)而成的普通灰砂磚。本研究利用石灰、水泥、江砂、工業(yè)污泥為原料加水混合攪拌，通過壓制成型后蒸壓養(yǎng)護(hù)制備蒸壓灰砂磚。一方面，該蒸壓灰砂磚不僅質(zhì)量完全符合普通粘土磚的質(zhì)量規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)，而且將上述工業(yè)污泥綜合利用，實(shí)現(xiàn)了變廢為寶；另一方面，這種蒸壓灰砂磚可以替代粘土磚，從而節(jié)約土地資源和能源，保護(hù)環(huán)境[1-2]。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

（1）生石灰：張家港格銳環(huán)境工程有限公司提供，其化學(xué)成分見表1。經(jīng)檢測，生石灰的質(zhì)量符合JC/T 621—2009《硅酸鹽建筑制品用生石灰》中一等品的要求。

表1 生石灰的主要化學(xué)成分 %

（2）江砂：張家港格銳環(huán)境工程有限公司提供，其化學(xué)成分見表2，通過0.6 mm方孔篩的江砂經(jīng)檢測表明該砂符合JC/T 622—1996《硅酸鹽建筑制品用砂》一等品的要求。

表2 江砂的主要化學(xué)成分 %

（3）酸洗污泥：試驗(yàn)所用污泥為工業(yè)酸洗污泥，由張家港格銳環(huán)境工程有限公司提供。其化學(xué)分析結(jié)果見表3。

表3 酸洗污泥的主要化學(xué)成分 %

（4）磨細(xì)江砂：蒸壓灰砂磚由于污泥的摻入，其強(qiáng)度必然有所下降，且隨著污泥摻量的增加強(qiáng)度下降越顯著。為了使蒸壓灰砂磚的強(qiáng)度滿足所希望得到的強(qiáng)度，并且考慮到蒸壓過程中并不是所有的江砂都能參加反應(yīng)，形成水化產(chǎn)物，試驗(yàn)設(shè)計(jì)采用部分磨細(xì)江砂來代替未磨細(xì)的江砂，改善生石灰粉與硅質(zhì)材料接觸反應(yīng)的條件，使得蒸壓后可產(chǎn)生足量的水化產(chǎn)物，從而對(duì)蒸壓磚制品的強(qiáng)度和相關(guān)性能提供了保證。

（5）水泥：在試驗(yàn)初期，為了盡量多摻工業(yè)污泥，并且能滿足蒸壓磚的性能指標(biāo)，本試驗(yàn)通過摻入水泥來提高蒸壓磚的性能，試驗(yàn)選用P·O42.5普通硅酸鹽水泥。

（6）石膏：石膏作為外加劑，在蒸壓灰砂磚的制備過程中主要起到2方面的作用。一方面，石膏起到緩凝劑的作用，可以延緩石灰的水化凝結(jié)過程，從而使石灰的消化過程放熱平穩(wěn)，并且有充分的時(shí)間進(jìn)行混合料的攪拌；另一方面，由于石膏的加入，石灰在消解過程中，石膏可以減小Ca（OH）2晶體尺寸 10～100倍，增加了 Ca（OH）2的分散度。增強(qiáng)了 Ca（OH）2與SiO2之間的反應(yīng)條件。本試驗(yàn)所用石膏的化學(xué)成分見表4。

表4 石膏的主要化學(xué)成分 %

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

手動(dòng)攪拌機(jī)：J1Z-YL-8800，德國野狼（國際）集團(tuán)有限公司；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，DHG 101-3，上虞市滬越儀器設(shè)備廠；壓力試驗(yàn)機(jī)TYE-2000B，無錫市建儀儀器機(jī)械有限公司；微機(jī)控制萬能試驗(yàn)機(jī)，CMT5105，美特斯工業(yè)系統(tǒng)（中國）有限公司；統(tǒng)一試驗(yàn)小磨，3M05，上海市新建機(jī)器廠；蒸壓釜，CJF-30，上海東璽制冷儀器設(shè)備有限公司。

1.3 試驗(yàn)流程

（1）確定原料的配比。為了使蒸壓磚有較高的強(qiáng)度和良好的耐久性，要求制品中形成盡可能多的水化硅酸鈣礦物或凝膠，又不含有過多的剩余氫氧化鈣，必須確定最佳鈣硅配比，同時(shí)要考慮到工業(yè)污泥的摻量對(duì)蒸壓灰砂磚性能的影響較大。

（2）確定成型壓力。成型壓力對(duì)壓制產(chǎn)品的性能有較大的影響，不同的成型壓力壓制坯體，制品的密集程度不同，在有同樣的水化產(chǎn)物時(shí)，勢必會(huì)影響到制品的強(qiáng)度等性能。

（3）綜合條件試驗(yàn)。通過上述2個(gè)階段的試驗(yàn)研究，確定最佳試驗(yàn)條件，進(jìn)行綜合條件的全流程試驗(yàn)，并參照GB 11945—1999《蒸壓灰砂磚》進(jìn)行檢驗(yàn)。

2 蒸壓磚強(qiáng)度形成機(jī)理和制備工藝

2.1 強(qiáng)度形成機(jī)理

在水熱條件下，石灰中的CaO與砂中以石英晶體形態(tài)存在的SiO2發(fā)生水化反應(yīng)，形成了水化硅酸鈣及其它水化產(chǎn)物，水化產(chǎn)物的相互搭接形成一定的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，通過水化晶體的搭接使得蒸壓制品內(nèi)部骨料相互連接在一起，從而使得蒸壓制品具有強(qiáng)度。膠凝性的 CSH（B）、C2SH（A）、C2SH（B）、托勃莫來石、硬硅鈣石等水化硅酸鈣結(jié)晶體，其中低鈣水化硅酸鈣CSH（B）、托勃莫來石對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)最大也最為常見。

2.2 蒸壓灰砂磚制備工藝

蒸壓灰砂磚的制備工藝流程如圖1所示[3-5]。

圖1 蒸壓灰砂磚的制備工藝流程

（1）原料的預(yù)處理

將生石灰進(jìn)行球磨，使其過0.08mm篩篩余量≤15%。由于江砂中有機(jī)雜質(zhì)和云母片以及小貝殼較多，故使其通過0.6 mm方孔篩。磨細(xì)江砂需用通過0.6 mm方孔篩的江砂球磨自制：將上述江砂5 kg放置于球磨機(jī)中球磨30 min，細(xì)度控制在通過0.08 mm方孔篩的篩余量不超過10%。將污泥烘干后進(jìn)行球磨，使其通過0.08 mm方孔篩，篩余量不超過20%。

（2）原料的2次攪拌均化

將稱量好的原料除水泥外，進(jìn)行第1次的攪拌，加水量控制在總干原料的8%，并在1 min內(nèi)多次加完。將第1次攪拌好的原料密置停放，保持4 h，使生石灰初步消化。

在放置4 h的原料中加入稱量好的水泥，且進(jìn)行第2次加水，加水量控制在總干料的8%，攪拌后馬上進(jìn)行成型。

（3）灰砂磚的成型

將第2次攪拌好的原料稱量，并平鋪在標(biāo)準(zhǔn)磚模具中，然后在壓力試驗(yàn)機(jī)上壓制成型?？刂瞥尚蛪毫?，并保持1 min，加載速率3 kN/s。

（4）灰砂磚的蒸壓養(yǎng)護(hù)

將成型好的蒸壓磚，靜停12 h后，放置在蒸壓釜內(nèi)進(jìn)行蒸壓養(yǎng)護(hù)。

3 蒸壓灰砂磚的制備

3.1 原料最佳摻量的確定

3.1.1 磨細(xì)江砂摻量的確定

不同磨細(xì)江砂摻量原料配比方案和蒸壓后抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果如表5所示。蒸壓制度為：升溫2 h、恒溫6 h、自然降溫3 h，蒸汽壓力1.0 MPa，成型壓力20 MPa[6-8]（下同）。

表5 磨細(xì)江砂摻量對(duì)蒸壓灰砂磚力學(xué)性能的影響

從表5可以看出，磨細(xì)江砂的摻入對(duì)蒸壓磚的性能有顯著改善，隨著磨細(xì)砂摻量的增加，制品的抗折和抗壓強(qiáng)度逐漸提高。但當(dāng)磨細(xì)砂的摻量從10%增加到15%時(shí)，制品的抗折和抗壓強(qiáng)度分別提高了28.9%和16.7%，而當(dāng)磨細(xì)砂的摻量從15%增加到20%時(shí)，制品的抗折和抗壓強(qiáng)度只分別提高了5.2%和6.5%。所以，從經(jīng)濟(jì)和效益最大化角度考慮，選擇最佳磨細(xì)砂摻量為15%。

3.1.2 生石灰摻量的確定

在確定磨細(xì)砂摻量的基礎(chǔ)上，只改變生石灰摻量，不同生石灰摻量原料配比方案和蒸壓后抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果如表6所示[8-11]。

表6 生石灰摻量對(duì)蒸壓灰砂磚力學(xué)性能的影響

由表6可以看出，同一蒸壓制度下，蒸壓灰砂磚的平均抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度都隨著石灰摻量的增加先提高后降低，石灰摻量為25%時(shí)，抗折和抗壓強(qiáng)度最大；石灰摻量繼續(xù)增加，抗壓強(qiáng)度反而降低，這是因?yàn)楫?dāng)摻入過多的生石灰時(shí)，會(huì)有部分低堿性的水化硅酸鈣轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏A性的水化硅酸鈣，而低堿性的水化硅酸鈣對(duì)制品強(qiáng)度提高作用更大，這種轉(zhuǎn)變會(huì)導(dǎo)致制品的性能下降。因此，本試驗(yàn)確定生石灰最佳摻量為25%。

3.1.3 水泥摻量的確定

在上述試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過改變水泥摻量來確定最佳水泥摻量，不同水泥摻量原料配比方案和蒸壓后抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果如表7所示。

表7 水泥摻量對(duì)蒸壓灰砂磚力學(xué)性能的影響

從表7可以看出，水泥的摻入對(duì)制品的性能改善有利，并且隨著水泥摻量的增加，制品的抗折和抗壓強(qiáng)度逐漸提高。但考慮到水泥的摻入一方面會(huì)提高生產(chǎn)制品的原料成本，另一方面會(huì)增加工藝流程，降低生產(chǎn)效率，同時(shí)，在不摻水泥的條件下蒸壓磚制品的性能也能滿足強(qiáng)度的要求，所以本試驗(yàn)選擇不摻加水泥。

3.1.4 石膏摻量的確定

不同石膏摻量原料配比方案和蒸壓后抗折、抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果如表8所示[12-14]。

表8 石膏摻量對(duì)蒸壓灰砂磚力學(xué)性能的影響

從表8可以看出，隨著石膏摻量的增加，蒸壓磚的抗折和抗壓強(qiáng)度也逐漸提高，但提高的幅度較小。另外，石膏的摻入提高了蒸壓灰砂磚的生產(chǎn)成本以及生產(chǎn)工藝的復(fù)雜性，故確定在實(shí)際生產(chǎn)中不摻加石膏。

3.1.5 工業(yè)污泥摻量的確定

不同工業(yè)污泥摻量原料配比方案和蒸壓后抗折、抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果如表9所示。

從表9可以看出，工業(yè)污泥對(duì)蒸壓灰砂磚的性能影響較大，隨著工業(yè)污泥量的增加，蒸壓制品的抗折和抗壓強(qiáng)度急劇下降。當(dāng)工業(yè)污泥的摻量增加到20%時(shí)，蒸壓磚的抗折強(qiáng)度降到3.1MPa，而抗壓強(qiáng)度降到12.3MPa，無法達(dá)到GB 11945—1999中對(duì)MU15級(jí)磚的強(qiáng)度要求。同時(shí)，當(dāng)工業(yè)污泥摻量為15%時(shí)，蒸壓磚的抗折強(qiáng)度為4.6 MPa、抗壓強(qiáng)度為19.0 MPa，完全符合GB 11945—1999對(duì)MU15級(jí)磚的強(qiáng)度要求。

表9 工業(yè)污泥摻量對(duì)蒸壓灰砂磚力學(xué)性能的影響

3.2 蒸壓灰砂磚成型壓力的確定

蒸壓灰砂磚不同的成型壓力必然影響灰砂磚的密集程度，從而影響水化產(chǎn)物的接觸點(diǎn)數(shù)，最終影響蒸壓磚強(qiáng)度等性能[15-19]。本試驗(yàn)采用配合比為：m（生石灰）:m（磨細(xì)江砂）:m（江砂）:m（工業(yè)污泥）=25:15:45:15，蒸壓制度不變，采用不同成型壓力在蒸壓后抗折、抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果如表10所示。

表10 成型壓力對(duì)蒸壓灰砂磚力學(xué)性能的影響

由表10可以看出，制品的抗折和抗壓強(qiáng)度隨著成型壓力的增大而提高，但壓力過大時(shí)制品容易出現(xiàn)分層現(xiàn)象，當(dāng)壓力為20 MPa時(shí)，部分試塊會(huì)出現(xiàn)分層現(xiàn)象，故本試驗(yàn)選擇17 MPa作為最佳成型壓力，且當(dāng)成型壓力17 MPa時(shí)，制品抗壓強(qiáng)度能夠滿足MU15級(jí)用磚要求。

上述試驗(yàn)結(jié)果是建立在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上通過篩選獲得的，因此將試驗(yàn)最佳條件組合成綜合方案制備一批蒸壓磚并參照GB 11945—1999進(jìn)行性能測試。

3.3 綜合試驗(yàn)

綜合試驗(yàn)方案：原料配比為：m（生石灰）:m（磨細(xì)江砂）:m（江砂）:m（工業(yè)污泥）=25:15:45:15，成型壓力為 17 MPa。同時(shí)蒸壓工藝采用：升溫2 h，恒溫6 h，降溫3 h，蒸壓溫度180℃，蒸壓壓力接近1 MPa。制備的蒸壓灰砂磚經(jīng)測試，平均抗折強(qiáng)度為3.9 MPa，最小值為3.3 MPa，平均抗壓強(qiáng)度為17.4 MPa，最小值為15.3 MPa。達(dá)到GB 11945—1999規(guī)定的MUl5級(jí)磚的要求，說明利用工業(yè)污泥制備蒸壓磚是可行的。

4 結(jié)語

（1）利用工業(yè)污泥制備蒸壓灰砂磚的技術(shù)是可行的，制備過程中發(fā)現(xiàn)原料中的石灰和磨細(xì)砂對(duì)蒸壓磚的性能影響較大，工業(yè)污泥的摻入對(duì)制品的性能不利。

（2）制品的成型壓力影響制品的初始密集度，對(duì)制品的最終性能影響較大，成型壓力過小會(huì)導(dǎo)致制品性能的降低，成型壓力過大使得部分制品出現(xiàn)分層現(xiàn)象，影響制品質(zhì)量。故本試驗(yàn)選擇17 MPa作為最佳成型壓力，制備的制品抗壓強(qiáng)度能夠符合GB 11945—1999規(guī)定的MU15級(jí)用磚要求。

（3）采用張家港格銳環(huán)境工程有限公司提供的工業(yè)污泥，配比為m（生石灰）:m（磨細(xì)江砂）:m（江砂）:m（工業(yè)污泥）=25:15:45:15，成型壓力為17 MPa。同時(shí)蒸壓工藝采用：升溫2 h，恒溫6 h，降溫3 h，蒸壓溫度180℃，蒸壓壓力接近1 MPa。制備的蒸壓灰砂磚經(jīng)強(qiáng)度試驗(yàn)測試，平均抗折強(qiáng)度為3.9 MPa，最小值為3.3 MPa，平均抗壓強(qiáng)度為17.8 MPa，最小值為15.3 MPa。達(dá)到GB 11945—1999規(guī)定的MUl5級(jí)磚的要求。