工業(yè)污泥替代膠凝材料利用初探

劉淑瑜，馬法珍，師現(xiàn)營(yíng)，王衛(wèi)凱，劉紅麗

（1.河南省豫東水利工程管理局，河南 開封 475000；2.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450046；3.新蔡縣班臺(tái)分洪閘工程維護(hù)中心，河南 新蔡 463500）

1 材料和試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

水泥為天瑞P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥。采用河南鉑潤(rùn)鑄造材料有限公司生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)微硅灰，SiO2含量達(dá)92%以上，比表面積19.10 m2/g。工業(yè)污泥來(lái)源于河南省某工業(yè)處理尾泥，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)害化處理，其含水率以及重金屬浸出量均滿足應(yīng)用要求。在室內(nèi)進(jìn)一步通過(guò)晾曬干化處理以進(jìn)行試驗(yàn)，為滿足替代膠凝材料粒徑要求，利用球磨機(jī)將工業(yè)污泥顆粒磨細(xì)至0.08 mm以下。工業(yè)污泥的化學(xué)成分中含有鈣、鋁、硅等主要元素，因此從化學(xué)組分來(lái)講替代膠凝材料具有可行性。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)水泥-硅灰-工業(yè)污泥三元膠凝體系，硅灰占比參考已有研究成果定為膠凝材料總量的10%，進(jìn)行膠砂試驗(yàn)設(shè)計(jì)，同時(shí)為研究工業(yè)污泥粒徑的活性效應(yīng)，將工業(yè)污泥顆粒分為0.045～0.080 mm和0.045 mm以下兩種粒級(jí)分別替代水泥，共設(shè)計(jì)11組試驗(yàn)，具體配合比設(shè)計(jì)見(jiàn)表1所示。參照GB/T 17671-1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》利用膠砂攪拌機(jī)進(jìn)行機(jī)械攪拌，膠砂制備后立即進(jìn)行成型，選用40 mm×40 mm×160 mm的水泥膠砂模具，將試模放入標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱的水平架子上養(yǎng)護(hù)24 h后脫模。脫模后，將標(biāo)記的試件立即豎直放在20℃的水中養(yǎng)護(hù)，直至到達(dá)齡期。

表1 試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)表 單位：kg/m3

1.3 試驗(yàn)方法

按照GB/T 17671-1999試驗(yàn)規(guī)范，分別進(jìn)行抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度測(cè)試，并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)膠砂抗壓強(qiáng)度的影響

圖1 為污泥占比對(duì)膠砂抗壓強(qiáng)度的影響，從圖中均可發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于D 組試樣，在各個(gè)齡期下，隨著污泥占比的增加，C2～C10 組試樣的抗壓強(qiáng)度均有不同程度的損失，呈臺(tái)階式下降趨勢(shì)。同時(shí)在7d齡期時(shí)，C2～C10組與D組試樣強(qiáng)度差距最為明顯，養(yǎng)護(hù)至28 d 齡期，D 組試樣強(qiáng)度增長(zhǎng)12.10%，0.045 ～0.080 mm 污泥試樣中，C2～C10 組試樣強(qiáng)度增長(zhǎng)均保持在19%以上，在＜0.045 mm 污泥試驗(yàn)組中，除C10 組以外，也表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律。說(shuō)明，在摻入污泥細(xì)粒以后，其三元膠凝體系相對(duì)水泥-硅灰二元膠凝體系的水化速率變慢，導(dǎo)致早齡期強(qiáng)度過(guò)低，超過(guò)7 d齡期后含污泥細(xì)粒的三元膠凝體系水化反應(yīng)才逐漸加快，使得C2～C10組膠砂試樣表現(xiàn)出較高的強(qiáng)度增長(zhǎng)率，同時(shí)也反應(yīng)出污泥顆粒的活性不強(qiáng)，再不進(jìn)行任何干擾的情況下難以等比替代水泥。

圖1 污泥占比對(duì)膠砂抗壓強(qiáng)度的影響圖

2.2 養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)膠砂抗折強(qiáng)度的影響

圖2 為污泥占比對(duì)膠砂抗折強(qiáng)度的影響。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，0.045～0.080 mm試驗(yàn)組試樣的抗壓強(qiáng)度呈先增后減的變化趨勢(shì)，在C2組時(shí)出現(xiàn)峰值，隨即下降，相對(duì)于抗壓強(qiáng)度的齡期增長(zhǎng)率規(guī)律而言，C2～C10組相對(duì)于D組試樣的抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)率差距不明顯，在28 d齡期時(shí)C4組試樣的抗折強(qiáng)度相對(duì)于D組仍較為理想。對(duì)于小于0.045 mm污泥試樣，各試驗(yàn)組的抗折強(qiáng)度呈線性下降規(guī)律，隨齡期的變化規(guī)律同0.045 ～0.080 mm污泥試樣基本相同。

圖2 污泥占比對(duì)膠砂抗折強(qiáng)度的影響圖

2.3 污泥粒徑對(duì)膠砂抗壓和抗折強(qiáng)度的影響

選取28 d 齡期的膠砂試樣抗壓和抗折強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比分析。圖3為不同污泥粒徑對(duì)膠砂抗壓和抗折強(qiáng)度的影響曲線。

圖3 不同污泥粒徑對(duì)膠砂抗壓/抗折強(qiáng)度的影響圖

從圖3中可發(fā)現(xiàn)，對(duì)于兩種不同的粒徑污泥，隨著其占比的增加，呈現(xiàn)出交替波動(dòng)的變化規(guī)律。在C2 組，含0.045～0.080 mm粒徑的污泥試樣抗壓強(qiáng)度高于0.045 mm以下粒徑的污泥試樣組，在C4～C8組時(shí)，0.045 mm以下粒徑的污泥試樣組反增，隨后在C10組又降低。相比之下，0.045 mm以下粒徑的污泥占比增加時(shí)對(duì)膠砂抗壓強(qiáng)度的有益作用優(yōu)于0.045～0.080 mm粒徑的污泥試樣，說(shuō)明在同樣的條件下，污泥占比小于2%時(shí)，0.045～0.080 mm的污泥顆粒較好，而當(dāng)污泥占比超過(guò)2%時(shí)，0.045 mm以下粒徑的污泥能更好的減少?gòu)?qiáng)度損失。在占比為10%時(shí)，是因?yàn)閷?duì)于相同的質(zhì)量下，顆粒越小其比表面積越大，將占用更多的水量，干擾正常的水化反應(yīng)，故使得試樣的強(qiáng)度驟降，同時(shí)反應(yīng)出當(dāng)污泥細(xì)粒摻量超過(guò)8%時(shí)，就應(yīng)該考慮補(bǔ)充額外水。

同樣從圖3中可得，0.045～0.080 mm粒徑的污泥試樣抗折強(qiáng)度均高于同污泥占比下0.045 mm 以下粒徑的污泥試樣，說(shuō)明較大的污泥粒徑更容易維持試樣的抗折強(qiáng)度，這是因?yàn)榭拐蹚?qiáng)度表示試樣的彎拉破壞狀態(tài)，可能在此狀態(tài)下較粗的污泥顆粒物理作用更為明顯一點(diǎn)。

3 結(jié)論

①隨著污泥占比增加，膠砂試樣的抗壓和抗折強(qiáng)度整體呈下降的變化趨勢(shì)，污泥顆粒占比在2%以下時(shí)，膠砂試樣的抗壓強(qiáng)度損失較少且抗折強(qiáng)度稍有增強(qiáng)。②從不同養(yǎng)護(hù)齡期的試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，水泥-硅灰-工業(yè)污泥三元膠凝體系水化速率較慢，超過(guò)7 d齡期后其水化反應(yīng)才逐漸加快。并且不同粒徑的污泥顆粒均表現(xiàn)出較低的化學(xué)活性，其物理作用更為明顯。③應(yīng)該考慮附以激發(fā)劑激發(fā)的方式增強(qiáng)污泥顆粒的化學(xué)活性，同時(shí)當(dāng)污泥顆粒占比較高時(shí)應(yīng)考慮添加附加水，以保證正常的水化反應(yīng)。