城市污泥制備燒結(jié)磚試驗(yàn)研究

李國(guó)旺，陳勝?gòu)?qiáng)，3，周祎，劉永川，李燦然，李文鋒

（1.河南建筑材料研究設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，河南 鄭州450002；2.河南省科學(xué)院同位素研究所有限責(zé)任公司，河南 鄭州450015；3.河南省科學(xué)院質(zhì)量檢驗(yàn)與分析測(cè)試研究中心，河南 鄭州450002）

0 引言

近年來(lái)，城市污泥產(chǎn)量迅速增加，據(jù)估算2020年底我國(guó)城市污泥產(chǎn)量已達(dá)到6000萬(wàn)～9000萬(wàn)t[1]。污泥是污水處理后的產(chǎn)物，大多含有重金屬，對(duì)土壤污染問題越發(fā)突出，如何合理妥善地處置污泥成為社會(huì)和行業(yè)的焦點(diǎn)問題[2]。我國(guó)城市污泥處置方式主要為填埋、棄置、焚燒和資源化利用。其中變廢為寶，資源化利用是當(dāng)今研究的熱點(diǎn)，但現(xiàn)階段資源化利用率不足10%[3－4]。已有研究表明，污泥替代部分黏土和頁(yè)巖制備燒結(jié)磚或者陶粒，不僅可以減少黏土的使用，而且可以有效地固定污泥中的重金屬，具有重要的應(yīng)用價(jià)值[5－6]。俞泠智等[7]以城市污泥、黏土為原料制備燒結(jié)磚，發(fā)現(xiàn)燒結(jié)溫度控制在950～1000℃時(shí)強(qiáng)度最佳。黃秉章等[8]研究表明，城市污泥摻量為20%，燒結(jié)溫度為1050℃，保溫時(shí)間為11 h時(shí)，污泥頁(yè)巖燒結(jié)磚抗壓強(qiáng)度達(dá)到13.8 MPa，吸水率為6.9%。劉峰等[9]以污泥和建筑廢棄物為原料，得到污泥最佳摻量為9%，最佳沖頭壓強(qiáng)為16 MPa，最佳燒結(jié)溫度為1050℃左右時(shí)，制備的多孔燒結(jié)磚平均抗壓強(qiáng)度大于11.2 MPa。黃榜彪等[10]研究得出，污泥摻量不大于20%時(shí)，制備的污泥燒結(jié)頁(yè)巖多孔磚軟化系數(shù)可達(dá)0.85以上。Munir M J等[11]以大理石工業(yè)污泥和黏土為原料，通過(guò)對(duì)比不同摻量研究結(jié)果表明，隨著污泥摻量的增加燒結(jié)保溫磚抗壓強(qiáng)度、熱導(dǎo)率逐漸下降，吸水率逐漸上升，摻量為15%時(shí)，燒結(jié)保溫磚的抗壓強(qiáng)度滿足使用要求。羅立群等[12]利用鐵尾礦、煤矸石、污泥和頁(yè)巖按照配比為54∶30∶6∶10在1100℃燒結(jié)出滿足強(qiáng)度要求的MU15復(fù)合燒結(jié)磚。黃榜彪等[13]對(duì)污泥燒結(jié)頁(yè)巖多孔磚砌體的本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行研究，提出了砌體本構(gòu)關(guān)系表達(dá)式，可用于有限元軟件模擬，并得出污泥燒結(jié)頁(yè)巖多孔磚砌體結(jié)構(gòu)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，且安全系數(shù)較高。已有研究注重?zé)Y(jié)條件與宏觀性能研究，對(duì)燒結(jié)過(guò)程中的礦物組成與微觀結(jié)構(gòu)對(duì)宏觀性能的研究不足。

本文以干污泥、黏土、粉煤灰為主要原料，研究城市污泥摻量對(duì)燒結(jié)磚性能的影響規(guī)律，通過(guò)TG、XRD和SEM方法對(duì)污泥燒結(jié)磚（以下簡(jiǎn)稱燒結(jié)磚）礦物組成和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，分析了污泥摻量對(duì)燒結(jié)磚強(qiáng)度、吸水率和體積密度的影響機(jī)理，以期為污泥制備燒結(jié)磚的系統(tǒng)研究提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

污泥：鄭州某污水處理廠，黑褐色黏稠狀，有腥臭味，在干燥箱中80℃烘干、磨細(xì)；粉煤灰：Ⅱ級(jí)；黏土：取自鄭州某工程。3種原材料的化學(xué)組成如表1所示。

表1 原材料的化學(xué)組成 %

由表1可以看出，污泥中SiO2和Al2O3含量少，而堿土金屬和堿金屬氧化物含量高，能夠提供助熔成分，而且含有大量有機(jī)質(zhì)燒失物。研究表明[14]，燒結(jié)磚原料化學(xué)成分范圍要求SiO2：55%～70%，Al2O3：10%～20%，CaO＜10%，F(xiàn)e3O4：3%～10%，本研究通過(guò)污泥、黏土和粉煤灰調(diào)配，使原材料的化學(xué)成分在合理范圍內(nèi)。

1.2 燒結(jié)磚的制備

固定黏土與粉煤灰的質(zhì)量比為6∶4，均勻混合成原料粉，在（105±5）℃的鼓風(fēng)干燥箱中烘干，研磨5 min，過(guò)100目篩，磨細(xì)污泥分別以0、5%、10%、15%和20%等質(zhì)量取代黏土與粉煤灰混合粉料，加入適量水制成泥料，控制拌合料的塑性指數(shù)在7～15[15－16]；泥料陳化3 d后，采用靜力壓制成型試樣，成型壓力為12 MPa，成型后將試塊自然干燥3 d，然后在鼓風(fēng)干燥箱中105℃干燥24 h，制得生料磚坯；將生料磚坯放入快速升溫箱式電爐中進(jìn)行焙燒，焙燒溫度設(shè)置分別為900、950、1000、1050、1100℃，為避免因升溫過(guò)快導(dǎo)致磚坯中的氣體來(lái)不及排出使磚體表面產(chǎn)生裂紋或者黑心等缺陷[17－19]，升溫分為3個(gè)階段，第1階段，升溫速率1.5℃/min，升溫至200℃恒溫1.0 h；第2階段，升溫速率2.0℃/min，升溫至600℃恒溫0.5 h；第3階段，升溫速率2.0℃/min，升溫至最高焙燒溫度恒溫1.0 h，然后隨爐自然冷卻。

1.3 測(cè)試方法

1.3.1 物理力學(xué)性能測(cè)試

燒結(jié)磚的物理力學(xué)性能（吸水率、收縮率、密度、抗壓強(qiáng)度）按GB/T 2542—2012《砌墻磚試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試。

1.3.2 試樣微觀分析

將80℃烘干、磨細(xì)污泥原料進(jìn)行TG－DTG熱分析測(cè)試，升溫速率為10℃/min，溫度范圍50～1000℃，測(cè)試儀器為美國(guó)PerkinElmer公司STA8000型熱分析儀。

將不同污泥摻量1050℃燒結(jié)磚試樣磨細(xì)到80 μm以下進(jìn)行XRD分析，Cu靶，掃描范圍5°～70°，掃描速率5°/min，測(cè)試儀器為日本理學(xué)Smart－Lab型X射線衍射儀。

從不同污泥摻量1050℃燒結(jié)磚抗壓破壞試樣上取5 mm左右完整小塊，表面噴金，進(jìn)行SEM表面形貌觀測(cè)，測(cè)試儀器為德國(guó)Carl Zeiss NTS GmbH公司Merlin Compact型掃描電子顯微鏡。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不同燒結(jié)溫度下污泥摻量對(duì)燒結(jié)磚抗壓強(qiáng)度的影響（見圖1）

圖1 不同燒結(jié)溫度下污泥摻量對(duì)燒結(jié)磚抗壓強(qiáng)度的影響

由圖1可以看出，當(dāng)污泥摻量一定時(shí)，隨著燒結(jié)溫度的升高，試樣的抗壓強(qiáng)度逐漸提高，但燒結(jié)溫度達(dá)到1050℃時(shí)，抗壓強(qiáng)度增加速率減小。與空白試樣（不摻污泥）相比，在不同燒結(jié)溫度下（900、950、1000、1050、1100℃），污泥摻量20%試樣的抗壓強(qiáng)度分別下降了81.9%、79.7%、77.4%、76.1%和73.8%。相同燒結(jié)溫度下，低污泥摻量（5%、10%、15%）試樣的抗壓強(qiáng)度快速降低，而摻量大于15%后，試樣抗壓強(qiáng)度降低速率減緩。污泥摻量10%，燒結(jié)溫度1050℃時(shí)，試樣抗壓強(qiáng)度為14.7 MPa。

2.2 不同燒結(jié)溫度下污泥摻量對(duì)燒結(jié)磚吸水率的影響（見圖2）

圖2 不同燒結(jié)溫度下污泥摻量對(duì)燒結(jié)磚吸水率的影響

由圖2可以看出，當(dāng)燒結(jié)溫度一定時(shí)，隨著污泥摻量的增加，試樣吸水率逐漸增大，最大達(dá)到27.9%；當(dāng)污泥摻量一定時(shí)，隨著燒結(jié)溫度的提高，試樣吸水率逐漸提高，燒結(jié)溫度超過(guò)1050℃，吸水率提高平緩。燒結(jié)溫度從1050℃升高到1100℃時(shí)，不同污泥摻量（0、5%、10%、15%、20%）試樣的吸水率分別提高3.4%、2.2%、0.5%、1.9%和1.6%。污泥摻量10%，燒結(jié)溫度1050℃時(shí)，試樣吸水率小于20%。

2.3 不同燒結(jié)溫度下污泥摻量對(duì)燒結(jié)磚密度的影響（見圖3）

由圖3可以看出，在同一燒結(jié)溫度下，隨著污泥摻量的增加，燒結(jié)磚的密度逐漸減?。晃勰鄵搅恳欢〞r(shí)，燒結(jié)溫度越高，燒結(jié)磚密度越大。在不同燒結(jié)溫度下（900、950、1000、1050、1100℃），與空白試樣相比，污泥摻量20%試樣體積密度分別下降26.5%、25.3%、24.1%、24.3%、21.0%。

圖3 不同燒結(jié)溫度下污泥摻量對(duì)燒結(jié)磚體積密度的影響

2.4 不同燒結(jié)溫度下污泥摻量對(duì)燒結(jié)磚收縮率的影響（見圖4）

圖4 不同燒結(jié)溫度下污泥摻量對(duì)燒結(jié)磚收縮率的影響

由圖4可以看出，當(dāng)燒結(jié)溫度一定時(shí)，污泥摻量越高燒結(jié)試樣的收縮率越大；當(dāng)污泥摻量一定時(shí)，燒結(jié)溫度越高，試樣收縮率越大。

2.5 微觀分析

燒結(jié)磚的燒結(jié)過(guò)程如圖5所示。

圖5 燒結(jié)磚的燒結(jié)過(guò)程示意

隨著溫度升高，原料中的結(jié)合水失去、有機(jī)質(zhì)燃燒、分解物分解，氣體揮發(fā)留下大量氣孔；當(dāng)溫度達(dá)到礦物熔融溫度后，顆粒表面熔融，熔體在表面張力作用下相互熔接，體積收縮；在保溫階段，顆粒熔融反應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行，顆粒間孔隙、顆粒內(nèi)孔隙逐漸減小，部分孔隙消失，體積進(jìn)一步收縮；冷卻后形成燒結(jié)體。

污泥中含有大量有機(jī)質(zhì)燒失物和氧化鈣、氧化鈉、氧化鉀等堿土金屬和堿金屬助熔物（見表1），在燒結(jié)過(guò)程中，污泥原料的TG-DTG曲線如圖6所示。

圖6 污泥原料TG-DTG分析

污泥中結(jié)合水在100℃揮發(fā)，有機(jī)質(zhì)在300℃燃燒揮發(fā)，碳酸鈣在700℃分解放出CO2，會(huì)在試樣中留下大量氣孔。不同污泥摻量燒結(jié)磚的XRD圖譜如圖7所示。

圖7 不同污泥摻量燒結(jié)磚的XRD圖譜

燒結(jié)試樣礦物相為石英相和斜方沸鈣石相，隨污泥摻量增加，碳酸鈣分解出的氧化鈣含量增多，試樣中斜方沸鈣石相增加，斜方鈣沸石相為原料顆粒表面熔融、反應(yīng)形成的新礦物相，含量越多，試樣顆粒相互熔融結(jié)合越緊密，顆粒間孔隙越小，燒結(jié)過(guò)程中收縮率越大。不同污泥摻量試樣的SEM照片如圖8所示。

圖8 不同污泥摻量燒結(jié)磚的SEM照片

污泥的摻入同時(shí)具有增加試樣孔隙和減小試樣孔隙的2種作用，對(duì)于未摻污泥的空白試樣，試樣中礦物斜方沸鈣石相少[圖8（a）]，顆粒熔融粘結(jié)不足，顆粒熔融間孔隙為主要孔隙，隨污泥摻量增加，斜方鈣沸石相增加，顆粒熔接增加，顆粒間孔隙減小，但污泥顆粒自身氣孔增加[圖8（b）、（c）、（d）、（e）]。因此，隨污泥摻量增加，試樣吸水率提高，體積密度降低，從而造成強(qiáng)度降低；但低摻量（5%、10%）時(shí)，助熔減小孔隙作用有限，試樣強(qiáng)度快速降低，而高摻量（15%、20%）時(shí)，助熔減小孔隙作用增強(qiáng)，強(qiáng)度降低速率減?。ㄒ妶D1）。焙燒溫度1050℃，污泥摻量10%工藝條件下，污泥增加氣孔作用和減小氣孔作用達(dá)到平衡，繼續(xù)提高溫度對(duì)試樣的增強(qiáng)作用不再明顯，增加污泥摻量會(huì)大幅降低燒結(jié)磚的抗壓強(qiáng)度（見圖1）。

3 結(jié)論

（1）當(dāng)燒結(jié)溫度一定時(shí)，隨著污泥摻量的增加，燒結(jié)磚的抗壓強(qiáng)度和密度逐漸減小，吸水率和收縮率逐漸增大；但當(dāng)污泥摻量一定時(shí)，隨著燒結(jié)溫度的升高，燒結(jié)磚的抗壓強(qiáng)度、吸水率、密度、收縮率等均呈增大的趨勢(shì)。

（2）污泥有機(jī)質(zhì)燃燒會(huì)排放大量氣體，增加燒結(jié)磚氣孔率，同時(shí)污泥中的助熔物可以促進(jìn)顆粒熔融粘結(jié)而減小燒結(jié)磚的氣孔率，2種作用在污泥摻量10%、焙燒溫度為1050℃時(shí)達(dá)到平衡，此時(shí)燒結(jié)磚吸水率小于20%，抗壓強(qiáng)度為14.7 MPa，符合GB/T 5101—2017《燒結(jié)普通磚》的要求。