江河污泥理化性质分析及其在免烧砖制备中的研究①

□□ 夏 阳，余晓军，朱 华，梁 初，张 俊，甘永平，黄 辉，陶新永，张文魁(浙江工业大学材料科学与工程学院，浙江杭州 310014)

引言

随着我国经济的快速发展，环境问题日益突显，对人们的生产、生活、健康都造成了严重影响。特别是近年来，城市建设和工业生产的步伐不断加快，建筑污泥和工业污泥的排放量与日俱增，不仅造成城市周边植被破坏和水土流失，同时污泥倾倒入河、入海也造成了河床不断抬高，湖泊淤塞，恶化了生态环境，严重制约了航运、蓄洪等产业的发展。在国际上，城市污泥主要可通过堆肥、填埋、焚烧等传统方法处置［1］。然而上述这些方法均不同程度地存在着处理量低、经济效益差等问题，无法实现污泥资源的有效利用。根据相关文献资料显示，我国每年从河道、湖泊清理出的污泥就有8000万 t［2］，对环境造成了巨大负担。利用污泥制砖，一方面可以将污泥资源化利用，避免了污泥淤积和二次处理等问题;另一方面，污泥免烧砖克服了传统烧结砖产业的高污染和能源消耗量大等问题［3－5］，也在一定程度上缓解了建材原料紧缺问题，实现了经济和环境的双向提升。

本试验拟采用污泥作为免烧砖基料，通过系统研究污泥－水泥和污泥－水泥－骨料(细砂、小石子和煤渣)两类免烧砖的配比与强度之间的关系，探索污泥生产免烧砖的基本工艺过程和影响因素，以期实现污泥的高效资源化利用。

1 试验

1.1 原材料及预处理

(1)污泥:宁波广合污泥处理科技有限公司提供的污泥，其物化成分和矿物组成分别见表1、表2和图1。将污泥在鼓风干燥箱内于100℃下干燥12 h后，置于行星球磨机，以300 r/min，球磨粉碎6 h，再采用0.053 mm(280目)标准筛网过筛分离。

表1 污泥的主要化学成分 %

表2 污泥的水、盐和有机质含量

图1 污泥样品的XRD图谱

(2)水泥:杭州富阳钱潮水泥有限公司生产的P·C 32.5复合硅酸盐水泥。

(3)细砂:建筑用细砂，经水洗后使用。

(4)小石子:天然小石子，粒径为2～5 mm，经水洗后使用。

(5)煤渣:锅炉煤渣。使用前在行星球磨机中以300 r/min球磨4 h，并用0.015 mm(100目)标准筛网过筛分离。

1.2 试验步骤

免烧砖制备的工艺流程如图2所示。

图2 免烧砖制备工艺流程

具体制备步骤如下:

(1)按表3设计配比准确称量所需原料，并手动预混。

表3 免烧砖的试验配比 g

(2)将预混原料倒入JJ－5型水泥胶砂搅拌机，加入适量水(用水量为物料量的10%)，搅拌时间为5 min。

(3)将混合后的物料装填入40 mm×40 mm×160 mm三联试模中，采用混凝土振动台对物料振实，并在20 MPa压力下成型。每种配方压制18个试块。

(4)在室温条件下陈化1 d脱模，将试块置于养护箱中养护21 d，养护温度为20℃，湿度保持在80%以上。

(5)进行试块微结构表征和力学性能测试。

2 结果与讨论

2.1 污泥的物化性质

为了得到污泥的基本物化性质，采用Thermo Fisher公司生产的X射线荧光光谱仪(XRF:ARL ADVANT’X Intelli Power TM 4200)测试了污泥的化学成分和相对含量，结果见表1。污泥的含水量按LY/T 1213—1999《森林土壤含水量的测定》进行测试，水溶性盐总含量按 NY/T1121.16—2006《土壤检测 第16部分:土壤水溶性盐总量的测定》进行测试，有机质含量按GB 9834—88《壤有机质测定法》进行测试，检测结果见表2。由表1可知，污泥所含主要化学成分为 Si、Al、Fe、Ca、Mg 等，其中 Si所占质量分数最大，接近总量的30%。另外，污泥中重金属总含量约为0.328‰，其中有毒重金属(如Hg、Cr、Pb)含量仅为 0.168‰，因而采用这类污泥可满足制砖的基本要求。从表2可知，污泥的平均含水量为41.37%，处于相对较低的水平，只须稍加脱水干燥即可使用。同时，该污泥样品水溶性盐的平均含量仅为3.81 g/kg，也在较低的水平范围，符合生产要求。此外，污泥样品有机质的平均含量为8.06%，有机质含量略为偏高，这可能是由于水域污染导致生物体大量死亡淤积而成。

利用Rigaku公司生产的X射线衍射仪(XRD:Ultima IV)，以Cu靶为射线源，步长设置为0.02，角度为10°～80°来测试污泥的矿物组成及晶型结构，结果如图1所示。由XRD图谱可知，污泥样品的主要物相为石英，这与污泥化学成分的检测结果相符。此外，样品中还含有少量其他类型的矿物，如长石、绿泥石、方解石等。

2.2 污泥免烧砖性能测试

2.2.1 污泥－水泥免烧砖性能

采用KZJ－500型水泥电动抗折机和600 kN液压万能试验机，对不同污泥添加量的污泥－水泥免烧砖分别进行抗折强度和抗压强度测试。如图3所示，所有污泥－水泥免烧砖试样的抗压强度均达到了免烧砖国标中的MU25等级。其抗折强度和抗压强度均呈现出先增后减的趋势，在水泥与污泥混合比例为1∶0.7时，综合强度达到最高值。这是由于当污泥加入量过多时，则水泥的比例就相对较低，导致水泥与水反应产生的胶凝材料过少，胶结力变弱，致使免烧砖力学性能降低;而当污泥加入量过少时，则形成的水化产物易受到大量污泥颗粒的阻挡而难以有效地扩散，阻碍了水泥颗粒继续与水接触的后续反应［6］，从而导致强度较低。所以，水灰比的合理控制是提高免烧砖强度的关键之一［7］。

图3 污泥掺量对污泥－水泥免烧砖性能的影响

2.2.2 污泥－骨料－水泥免烧砖性能

添加各种骨料通常是提高混凝土制品强度的有效方法。本试验为了提高免烧砖的力学强度，将细砂、小石子和煤灰引入作为骨料，考察了污泥－骨料－水泥三元免烧砖的综合性能，测试结果如图4所示。通过仔细对比图3与图4可以发现，当骨料掺入后，免烧砖的抗压强度显著提高。特别是6号、7号试样的抗压强度均达到了免烧砖国标中的MU30等级。并且掺用小石子作为骨料时的抗压强度达到了最大值(41.56 MPa)。这主要是因为骨料可以起到支撑和抵抗变形的作用，从而增强了坯体的自身强度。其中小石子因自身弹性模量较高，刚性也较大，因而能够有效地提高免烧砖的强度。但添加骨料后，免烧砖的抗折强度整体上较未添加骨料的试样有所下降，这可能是由于污泥－水泥免烧砖因为没有“骨架”的限制，流动性较好，因而韧性较大。而加入骨料后，免烧砖的韧性降低，导致脆性增大。

2.3 免烧砖微结构分析

为了进一步揭示污泥免烧砖微结构与性能之间的关系，本试验采用捷克泰思肯公司生产的钨灯丝扫描电子显微镜(SEM:Bruker VEGA3)对5号至7号免烧砖的截面进行分析(见图5)。

图4 骨料类型对污泥－骨料－水泥免烧砖性能的影响

图5 免烧砖截面扫描电镜照片

如图5所示，免烧砖试样水化后产生的C－SH凝胶呈网状交错密布结构，并与各类骨料紧密结合。这些作为固结材料主要成分的水化胶凝产物，是污泥免烧砖固结和强度形成的宏观力学性能基础［8－9］。这是因为硅酸盐水泥中的铝酸三钙、硅酸三钙、硅酸二钙等矿物水化成水化硅酸钙，并在晶体间不断相互穿插、粘结、聚结成网状结构，将污泥和骨料等包裹在内，从而使整个配合料凝结成一个整体，最后经干燥硬化形成了具有一定强度的聚合结构［10］。通过对图5的比较分析得出，以细砂为骨料形成的结构相对比较蓬松，微孔较多，从而影响了免烧砖的力学性能;以小石子为骨料形成的结构比较致密，微孔也较少，故强度较高;而以煤渣为骨料时，形成了较致密但孔隙也较大的结构，故强度下降。

3 结论

3.1 宁波广合污泥处理科技有限公司提供的污泥主要由石英、长石和绿泥石组成，有毒重金属种类和含量均较少，符合免烧砖生产的基本要求。

3.2 利用污泥制备免烧砖，不仅有望解决江河淤塞、水体污染等问题，还可以将污泥变废为宝，创造经济效益，实现环境和资源的双向提升。

3.3 随着污泥添加量的提高，污泥－水泥免烧砖的强度呈现先升后降的趋势，综合考虑污泥的利用率及强度因素，污泥与水泥的优化配比为1∶0.7，其抗折强度和抗压强度分别为6.03 MPa和28.13 MPa，达到了国标中的MU25等级。

3.4 以细砂、小石子和煤渣分别作为骨料引入到污泥－骨料－水泥三元免烧砖后，其抗压性能较污泥－水泥二元系统有明显提升。采用污泥－小石子－水泥免烧砖的抗压强度可达41.56 MPa，高于国标中的MU40等级，可以满足实际生产和使用要求。

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