污泥氣化渣制備蒸壓加氣混凝土研究

楊俊杰，郭春霞，謝 靜，劉德杰，袁志輝，趙 威

（河南省固體廢物和化學(xué)品技術(shù)管理中心，河南 鄭州 450003）

蒸壓加氣混凝土以其優(yōu)良的保溫隔熱和環(huán)保特性越來越受到人們的關(guān)注，由于處置廢物嚴(yán)格的環(huán)境要求，使用工業(yè)副產(chǎn)物制備蒸壓加氣混凝土已經(jīng)獲得了廣泛的關(guān)注。有研究報道，一些廢物可作為硅質(zhì)材料，如粉煤灰、廢玻璃、污泥、焚燒底灰和金屬尾礦[9?12]。其中粉煤灰作為蒸壓加氣混凝土最常見的硅質(zhì)材料之一[13，14]，近幾年隨著“雙碳”戰(zhàn)略的推行，其產(chǎn)量受到了限制，一定程度上制約了蒸壓加氣混凝土的發(fā)展。高溫氣化后的污泥渣中含有一定量的SiO2、Al2O3等，這些化學(xué)成分與粉煤灰接近，但含量較低。在以往的研究中，污泥主要以部分原材料的形式制備建筑材料[5,15?16]，尚未見到利用污泥氣化渣制備加氣混凝土的相關(guān)研究報道。因此，結(jié)合污泥氣化渣成分及含量情況，可進(jìn)行污泥氣化渣部分替代粉煤灰制備蒸壓加氣混凝土實驗研究，探究其性能及影響參數(shù)，為污泥氣化渣再利用和蒸壓加氣混凝土的制備提供參考，以期解決污泥氣化渣規(guī)?；幹脝栴}，同時實現(xiàn)廢物的綜合利用。

1 材料與方法

1.1 材料

（1）水泥 水泥采用P.O 42.5 普通硅酸鹽水泥，初凝時間190 min，終凝時間300 min，篩余量為1.25%（0.075 mm 篩）。

（2）石灰 石灰為市售中速生石灰，將其粉碎研磨，測得篩余量為12.0%（0.075 mm 篩），消解時間為17 min，消解溫度為82 ℃，有效鈣含量為78.20%，符合國家標(biāo)準(zhǔn)《硅酸鹽建筑制品用生石灰：JC/T 621—2009》的規(guī)定要求。

（3）石膏 石膏為電廠脫硫石膏，含水率為11.2%，有效成分CaSO4含量為92%。

（4）鋁粉膏 鋁粉膏為市售產(chǎn)品，固體含量為66%，細(xì)度為4.5%，發(fā)氣時間為16 min。

（5）粉煤灰 燒失量2.61%，篩余量為15.0%（0.075 mm 篩），主要化學(xué)組成，見表1。

表1 粉煤灰、污泥氣化渣的化學(xué)組成 %

（6）污泥氣化渣 本實驗采用的污泥氣化渣來自某公司，自然干燥后經(jīng)球磨機球磨，并通過0.075 mm負(fù)壓篩分測試，篩余量為15.5%，具體成分，見表1，處理后的污泥氣化渣表面形態(tài)，見圖1。

圖1 粉狀污泥氣化渣SEM 分析

1.2 實驗方法

1.2.1 材料合成方法 將污泥氣化渣進(jìn)行自然晾曬、敲碎、球磨和過篩處理。原料配合過程中分別對水泥、石灰、石膏、鋁粉膏、污泥氣化渣粉、粉煤灰和水進(jìn)行稱量；先將稱量好的水倒入攪拌器中，再將各原材料加入到水中，并進(jìn)行攪拌；隨后，加入鋁粉膏，快速攪拌90 s 后澆筑在模具中，坯體養(yǎng)護(hù)至一定強度后進(jìn)行脫模，然后進(jìn)行蒸壓養(yǎng)護(hù)，1.15 MPa飽和水蒸汽蒸養(yǎng)6 h，冷卻降溫，形成成品砌塊，原料配合比，見表2。

1.調(diào)查總括。采用自編問卷《戒毒人員回歸社會生活狀況調(diào)查》對“多進(jìn)宮”男性戒毒人員后續(xù)照管情況進(jìn)行了解，將操守期作為此次調(diào)查的重要變量。（操守期指前一次強制隔離戒毒結(jié)束與本次強制隔離戒毒開始的時間間隔）。問卷內(nèi)容包括個人基本情況、入所前生活情況及解戒后生活情況三部分，除個人基本情況外有33道客觀題。收集數(shù)據(jù)后，采用SPSS17.0統(tǒng)計軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。同時對48名戒毒人員后續(xù)照管情況進(jìn)行了訪談。

表2 原料配合比 %

1.2.2 測試方法 （1）干密度和抗壓強度測試方法依據(jù)《蒸壓加氣混凝土性能試驗方法：GB/T 11969—2020》進(jìn)行測試。

（2）干燥收縮值和抗凍性實驗方法 依據(jù)《蒸壓加氣混凝土性能試驗方法: GB/T 11969—2020》進(jìn)行測試。其中，經(jīng)過干燥、浸水、冷凍和融化等過程完成1 次凍融試驗，通過15 次凍融循環(huán)后檢查試樣的強度和質(zhì)量損失率。

（3）SEM 測試 利用德國蔡司公司Sigma300場發(fā)射掃描電子顯微鏡對試塊微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測。取混凝土試塊進(jìn)行破碎，將小塊樣品進(jìn)行干燥處理，隨后置于載物臺上，用洗耳球?qū)堄嗟膹U渣進(jìn)行清除，最后對樣品進(jìn)行噴金處理后進(jìn)行測試。

（4）重金屬浸出實驗 參照《固體廢物浸出毒性浸出方法水平振蕩法：HJ 557—2010》中的方法進(jìn)行測試，具體步驟為將試塊進(jìn)行破碎、研磨，再通過篩網(wǎng)（孔徑為9.5 mm）；稱取20 g 樣品，置于1 000 mL 的錐形瓶中，以醋酸溶液和純水作為浸提劑，固液比為10:1，向1 000 mL 錐形瓶中加入浸提劑；用保鮮膜進(jìn)行封口，固定放置在水平振蕩器中，設(shè)定溫度為25 ℃，振蕩頻率為（110±10）次/min，振蕩（18±2）h，經(jīng)過孔徑為0.45 μm 的濾膜過進(jìn)行濾取樣，最后通過電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀測定Pb、Zn 和Cr 的質(zhì)量濃度。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同摻量對產(chǎn)品絕干密度和抗壓強度的影響

不同摻量的污泥氣化渣對蒸壓加氣混凝土干密度和抗壓強度的影響，見圖2。隨著污泥氣化渣摻量的增加，混凝土的絕干密度先減少后增加，當(dāng)污泥氣化渣的摻量為65%時，此時混凝土制品的絕干密度為569 kg/m3，抗壓強度為3.72 MPa，符合《蒸壓加氣混凝土砌塊：GB/T 11968—2020》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的A3.5、B06 的合格產(chǎn)品。污泥氣化渣摻量在35%～65%時，蒸壓加氣混凝土砌塊的抗壓強度略有降低，但隨著污泥氣化渣摻量的進(jìn)一步增加，試塊的抗壓強度快速降低。結(jié)果表明污泥氣化渣的高摻量不利于抗壓強度的提升。RUDCHENKO et al[17]利用高爐礦渣制備蒸壓加氣混凝土，隨著高爐渣摻量增加，抗壓強度也出現(xiàn)了快速的下降。

圖2 污泥氣化渣摻量對絕干密度和抗壓強度的影響

2.2 不同摻量對產(chǎn)品干燥收縮值的影響

不同摻量的污泥氣化渣對蒸壓加氣混凝土干燥收縮值的影響，見表3。

表3 污泥氣化渣摻量對試樣干燥收縮值的影響

表3 可知，制備的所有蒸壓加氣混凝土干燥收縮值均滿足國標(biāo)《蒸壓加氣混凝土砌塊：GB/T 11968—2020》要求。當(dāng)污泥氣化渣摻量為65%時，試樣的干燥收縮值較小。干燥收縮是由材料中結(jié)晶水的損失引起的，由于污泥氣化渣的高摻量影響了結(jié)晶水的形成，從而導(dǎo)致了高摻量下干燥收縮值升高。此外，養(yǎng)護(hù)的時間和方法、壓力、二氧化硅的細(xì)度、樣品尺寸和形狀、儲存時間和氣候都會影響試樣的干燥收縮。

2.3 不同摻量對產(chǎn)品凍融循環(huán)后強度和質(zhì)量損失率的影響

不同摻量的污泥氣化渣經(jīng)過15 次凍融循環(huán)后強度和質(zhì)量損失率，見表4。

表4 試樣凍融循環(huán)后強度和質(zhì)量損失率的變化

污泥氣化渣的加入，蒸壓加氣混凝土的質(zhì)量損失率不超過3%。低摻量的污泥氣化渣經(jīng)15 次凍融后的抗壓強度仍滿足國標(biāo)《蒸壓加氣混凝土砌塊：GB/T 11968—2020》要求。但當(dāng)污泥氣化渣摻量為75% 和85% 時，凍后的抗壓強度性能較差。試樣抗凍融性在很大程度上受凝膠結(jié)構(gòu)、干密度和濕度的控制，文獻(xiàn)[18] 報道如果初始水分含量＜16%，干密度在500～600 kg/m3范圍內(nèi)，就會表現(xiàn)出良好的抗凍融能力。而對于毛細(xì)水飽和的情況下，經(jīng)50 次凍融循環(huán)質(zhì)量損失和抗壓強度損失分別增加至1.5%和16.6%[19]。高摻量的污泥氣化渣影響了蒸汽加壓混凝土的濕度，從而導(dǎo)致了質(zhì)量損失和抗壓強度損失的增加。

2.4 SEM 掃描電鏡圖分析

樣品4#和6#的掃描電鏡圖，見圖3。

圖3 樣品4#和6#的掃描電鏡圖

體系中有結(jié)晶度差的C-S-H 凝膠和大量結(jié)晶度較好的針棒狀、葉片狀托貝莫來石。片狀托貝莫來石通過在C-S-H 凝膠上相互交叉和重疊而形成，C-S-H 凝膠單元通過托貝莫來石晶體形成的骨架結(jié)合，形成了良好的網(wǎng)絡(luò)狀框架，這是試樣具有良好強度的關(guān)鍵[20]。同時，相互連通和空腔的微觀結(jié)構(gòu)使得蒸壓加氣混凝土砌塊具有更高的抗壓強度和良好的隔熱保溫性能。樣品6 出現(xiàn)了較多不規(guī)則疏松的孔結(jié)構(gòu)。程娟等[21]研究可知，主要是由于污泥氣化渣含有一定的有機雜質(zhì)，在蒸壓過程中產(chǎn)生了大量不規(guī)則的孔洞，這也解釋了污泥氣化渣大摻量下強度較低、15 次凍融循環(huán)后穩(wěn)定性差的原因。

2.5 重金屬浸出實驗

以污泥氣化渣為原料的蒸壓加氣混凝土Pb、Zn 和Cr 浸出質(zhì)量濃度，見表5。Pb 浸出濃度為0.25 mg/L，Zn 浸出濃度為0.22 mg/L，Cr 浸出量較少，低于檢出限，3 個濃度均低于《危險廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)浸出毒性鑒別: GB 5085.3—2007》中的限值。這與之前利用污水處理廠污泥制備蒸壓加氣混凝土中重金屬的浸出結(jié)果一致[10]。這主要是因為試驗中所用的污泥為生活污水處理廠污泥，重金屬含量較低。另外，在混凝土養(yǎng)護(hù)過程中，水泥的水化凝固作用對污泥中的重金屬也有一定的固化作用，有效的防止了污泥中有害元素浸出而對環(huán)境不利。

表5 以污泥氣化渣為原料的蒸壓加氣混凝土重金屬浸出質(zhì)量濃度 mg·L?1

3 結(jié)論

（1）污泥氣化渣經(jīng)過處理后制備蒸壓加氣混凝土具有可行性，摻量為65%時，制品的絕干密度為569 kg/m3，抗壓強度為3.72 MPa，符合《蒸壓加氣混凝土砌塊：GB/T 11968—2020》規(guī)定的A3.5、B06的合格產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。

（2）污泥氣化渣的加入，蒸壓加氣混凝土干燥收縮值、凍融和重金屬浸出等數(shù)據(jù)均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

（3）SEM 可知體系中有大量的針棒狀和少量的片狀托貝莫來石晶體，保證了蒸壓加氣混凝土具有良好強度。在摻量為85%時，制品內(nèi)部產(chǎn)生了大量不規(guī)則的孔洞，這也解釋了該條件下制品強度較低、凍融循環(huán)穩(wěn)定性差的原因。