污泥含水率对页岩-粉煤灰轻骨料性能的影响

薛　斌　张会芳　石丽娜　吴　宝　任　彬

(1.河北建筑工程学院,河北 张家口 075000;2.河北张家口市环境监测站,河北 张家口 075000)



污泥含水率对页岩-粉煤灰轻骨料性能的影响

薛斌1张会芳1石丽娜2吴宝1任彬1

(1.河北建筑工程学院,河北 张家口 075000;2.河北张家口市环境监测站,河北 张家口 075000)

摘要:研究了不同含水率的污泥对页岩-粉煤灰轻骨料性能的影响，计算了不同配比中化学成分的含量，结合配比中化学成分的变化，分析了导致轻骨料膨胀率、颗粒强度变化的原因.结果表明：焙烧温度由1130 ℃变化到1160 ℃时，污泥含水率提高，轻骨料的膨胀率提高，最高达32.36%；污泥含水率与轻骨料吸水率之间不呈现规律性关系；轻骨料强度高低主要受配比中Al2O3和SiO2含量的影响，两者含量高时，强度较高.污泥含水率为70.38%焙烧温度为1140 ℃制备的轻骨料1 h吸水率小于3.20%、颗粒强度13.8 MPa，表观密度为1250 kg/m3,达到轻质高强的要求.

关键词:污泥；含水率；轻骨料；膨胀率；颗粒强度

0引言

城市污水厂污泥是水处理过程中产生的固体废弃物，如果处理不当，不仅会对环境造成二次污染，同时也是对资源的严重浪费.近几年，国内外越来越多的研究者开始把目光投向利用污泥研制轻骨料[1-3]，尽管我国已有很多研究和实践表明污泥可以用于生产轻骨料，但由于各地区的实际情况和现实条件存在差异，污泥泥源不一，呈现着多变性和多样性，质地各不相同，很难也不能以一种方法覆盖全貌.因此利用污泥开发轻骨料产品则需根据不同地方的情况选择合适的工艺流程和各种组分，其中各种组分的选择很关键[1]，因此，根据当地污泥与其他固体垃圾的具体情况开展研究工作是非常必要的.

从张家口市污水处理厂排出来的污泥，平均含水量在72%～80%左右.直接使用这样的污泥制建材掺入量小，热耗高，不经济.若降低污泥含水率则可提高污泥的消纳量.目前干化处理的方法有热干化和自然干化，由于热干化需添加设备等投资，实际提高了资源的成本，而自然干化要具备自然气候条件和场地条件.张家口市地域日照时数2800～3100小时，太阳总辐射为每平方米1500～1700千瓦小时，为太阳能较丰富区.“坝上”西部全年有效风能贮量大于1000千瓦小时/平方米，年有效风能时数大于5000小时，而冬春两季风能贮量占全年的50%～70%[4]，这样的自然条件有利于污泥的自然干化，能较多的消纳污泥.笔者从绿色可持续发展的角度切入，设计了用不同含水率的污泥作为页岩和粉煤灰轻骨料的粘结剂，进行制备轻骨料，研究污泥含水率变化对轻骨料性能的影响，对解决本地污泥处理的难题具有重要的实际指导意义.

1试验原材料

本课题的实验原材料有：张家口鸿泽排水有限公司污泥、大唐国际张家口发电厂的二级粉煤灰以及膨胀剂SiC.

1.1原料物理性质

(1)页岩：张家口尚义县小蒜沟的紫色页岩，经破碎机破碎、球磨机研磨后的页岩0.08 mm方孔筛筛余百分率为16%；

(2)粉煤灰：从大唐国际发电股份有限公司张家口发电厂粉煤灰，粉煤灰为二级粉煤灰，比表面积为468 m2/kg，密度为2.2～2.4 g/cm3；

(3)污泥：张家口鸿泽排水有限公司污泥，含水率为75.6%.

(4)SiC：九零型SiC，黑色粉末.密度为3.10 g/cm3.

1.2原材料的成分

为进行轻骨料的配比设计，笔者将干燥后的页岩、粉煤灰及污泥进行了化学分析，其成分如表1所示.

表1　页岩、粉煤灰、污泥的化学成分分析

2原料的配合比设计

设计思路：污泥的含水率不同，试验中污泥的掺量就有所不同.因此设计页岩，粉煤灰比例不变，改变污泥含水率的配方进行轻骨料的制备，通过测试轻骨料的膨胀率，颗粒强度，吸水率来研究污泥的含水率对轻骨料性能的影响.

由于随着污泥含水率的降低，其加入量将会发生变化，因此试验了污泥不同含水率时的加入量.其配方如表2所示.按照配方计算的化学成分如表3所示.

表2　污泥的含水率变化的试验配方

表3　各配方化学成分含量

3试验内容

3.1原材料准备

(1)页岩加工.

将块状页岩先用破碎机破碎，将破碎好的页岩备用；用球磨机研磨36 min，最后卸磨，然后用4.75 mm的筛子筛分，筛好的页岩备用.

(2)污泥含水率测定.

试验所用不同含水率的污泥是从污泥箱内取，放入烘干箱内，每隔两个小时称污泥的质量，依次得到实验所用的不同含水率的污泥.最后试验所用污泥的含水率依次为77.78%，70.38%，62.63%，55.56%.

(3)原料配合.

将污泥和干粉原料(页岩，粉煤灰，碳化硅)按照试验配比方案称量好待用.

3.2轻骨料制备

(1)泥料的制备.

泥料制备使用水泥净浆搅拌机搅拌，搅拌锅和搅拌叶片先用湿布擦过，将配合好的页岩，粉煤灰，碳化硅原料配合好倒入搅拌锅内，然后将称量好的污泥倒入锅内，拌和时先将锅放到搅拌机锅座上，升至搅拌位置，启动搅拌机，低速搅拌120秒，停拌15秒，同时将叶片和锅壁上的污泥刮入锅中间，接着高速搅拌120秒后停机.

(2)料球成型.

拌和结束后，立即将拌好的试验样品放入塑料小盆内，用湿毛巾盖上小盆，静置30分钟.将样品均等为三份，放入规格为11 mm的制丸机内制出料球.将刚制得的料球放在托盘内，均匀摇晃，放在通风处自然风干1～2天.

(3)轻骨料焙烧.

将干燥后的料球放入高温炉中进行烧制，无需气体保护.其烧结程序为：①由室温加热到100 ℃用15 min；②100 ℃加热到200 ℃用4 min；这一过程为预热过程，可以将轻骨料中的结晶水去掉，③200 ℃到650 ℃用20 min；④由650 ℃加热到烧结温度，按照10 ℃/min的速度；⑤焙烧温度恒温12 min，此阶段为晶型转化期，⑥保温完成后停止加热让轻骨料在炉内自然冷却到1000 ℃；⑦开门鼓风使炉内温度冷却到700 ℃；停止鼓风，关门恒温15 min；⑧开门自然冷却到400 ℃；400 ℃以后鼓风快速冷却.达到室温后把轻骨料取出去，对样品进行各种性能指标的测试.

3.3 轻骨料性能测试

(1)膨胀率的测试方法.

采用的方法为将烧制好的轻骨料取出10个没有裂纹，形状规则的轻骨料.用千分尺测量每个轻骨料的直径，记为d1，d2，d3，d4，d5，d6，d7，d8，d9，d10.(单位为cm,精确到0.01 cm)取其平均值为烧制轻骨料的平均直径.

(2)轻骨料吸水率的测量方法.

轻骨料在水中能吸收水分的性质成为吸水性.吸水性的大小用吸水率表示，吸水率常用重量吸水率，即材料在水中吸入水的质量与材料干重量之比表示.试验从所烧制的轻骨料中选出10个没有裂缝，形状均匀的轻骨料.用电子称称其质量，记为m(单位g，精确到0.01克)，将轻骨料试样依次放入写好编码的盛满水的烧杯中，静置一个小时.若出现轻骨料漂浮的现象，使烧杯盛满水，用玻璃板盖住烧杯，切勿有气泡出现.

试样浸水1 h后，将其倒在4.75 mm的筛子上，晃动筛子，滤水1—2 min，然后倒在拧干的湿毛巾上，用手抓住毛巾的两端，使毛巾呈槽形.抖动毛巾，使轻骨料于其上往返滚动四次，将轻骨料放入盘中.然后称量m1.轻骨料1 h吸水率的按公式(1)计算.

Wh=(m1-m)/m

(1)

式中：Wh——1 h(24 h)吸水率(%)

m——烘干试样的质量(g)

m1——浸水试样的质量(g)

(3)轻骨料颗粒表观密度的测试方法.

取烧制好的轻骨料试样称重(记为m)，放入量筒浸水1 h取出后，按吸水率试验的步骤制备试样.取一个装500 ml清水1 L的量筒，将制备的试样再倒入1 L的量筒中，这时可读出量筒的水位V.轻骨料的表观密度按公式(2)或(3)计算：

ρa=m×1000/(V-500)

(2)

若轻骨料颗粒在水中有漂浮现象，在将轻骨料放入量筒后，用橡皮塞放入量筒中，这时可读出量筒的水位V1，事先测出橡皮塞的体积为Vo,轻骨料的表观密度按下式计算：

ρa=m×1000/(V-Vo-500)

(3)

式中：ρa——轻骨料的颗粒表观密度(kg/m3)

m——烘干试样质量(g)

V——倒入试样后量筒的水位(ml)

V0——倒入试样和橡皮塞后量筒的水位，试验测出橡皮塞的体积为18 ml

(4)轻骨料颗粒抗压强度的测试方法.

从所烧制的轻骨料试样中选出10个没有裂缝，形状均匀地轻骨料.经轻骨料放在试验机的垫板上，试样的中心应与试验机下压板中心对准，开动试验机，当上压板与轻骨料接近时，调整球座，使接触均衡.在试验过程中应连续均匀地加荷，当轻骨料接近破坏时，停止加载，记录破坏荷载(N).

依次记下每个配方中10个轻骨料的破坏荷载F1，F2，F3，……，F10，轻骨料抗压强度按公式(4)计算

fcc=F/A

(4)

式中：fcc——轻骨料颗粒抗压强度(MPa)

F——试件破坏荷载(N)

A——轻骨料的受力面积(cm2)

4试验结果与分析

为了研究污泥含水率对页岩，污泥的含量对轻骨料性能的影响，试验通过固定页岩，粉煤灰的含量，确定四组不同含水率的污泥掺量，研究污泥制备轻骨料，并测试了轻骨料性能，笔者对性能测试结果进行了分析.

4.1轻骨料的膨胀率分析

图1　污泥含水率与轻骨料膨胀率的关系

轻骨料能够膨胀原理就是发泡物质在高温下释放气体，产生气体压力，才能使轻骨料坯体膨胀.但没有气体，它就无法保存，所以还必须有能束缚住气体的熔体.通过加热产生的熔体包围并防止气体外逸，膨胀才能成功[5].

页岩/粉煤灰为80/20的情况下对四个含水率55.56%，62.63%，70.38%，77.78%的污泥配方烧制轻骨料，试验对轻骨料的膨胀率进行测试.试验结果如图1所示.

由图1可知，当污泥的含水量相同时,随着温度的升高轻骨料的膨胀率逐渐升高.污泥的含水率为55.56%时,1130 ℃轻骨料的膨胀率为11.82%,1160 ℃轻骨料的膨胀率为21.27%.

当温度一定时,随着污泥含水率的增大,轻骨料的膨胀率逐渐增大.如1160 ℃时,膨胀率由21.27%,增致32.36%.涨幅为52.1%.除1130 ℃外，不同温度下均有超过40%的涨幅.其原因不仅与温度升高熔融体增加有关，且与高温下产生的气体含量有关.

由表3可知各配方的化学成分，随着污泥含水率的增加，原料中Fe2O3的量增加，由于Fe2O3对降低熔融体生成有利，所以膨胀率呈上升趋势，膨胀率在污泥含水率为77.78%时达到最大.当烧结温度越高，C与Fe2O3反应生成CO气体的反应就会越彻底，高温下产生的气体量和熔融物越多,并且高温下气体更易逸出，使熔融物膨胀，因此轻骨料膨胀率也就越大.

4.2轻骨料吸水率

图2　轻骨料1小时吸水率

轻骨料1 h吸水率与污泥含水率的关系见图2.由图2可见，对1 h吸水率影响较大的是焙烧温度，1130 ℃时，吸水率较小，最低值仅仅为1.2%.原因是焙烧不充分，孔隙形成较少；当温度提高时，熔融体增加，高温下形成的气体增多，孔隙量增加，吸水率逐渐增大，最大值为5.4%.含水率较高的污泥(高污泥掺量)在高温产生的大量热量和气体量都具有提高轻骨料显气孔率的作用，但同时又具有在颗粒表面产生更多的熔融体的作用，使表面致密，因而吸水率的变化整体上不具有规律性.

图4　轻骨料陶粒表观密度与污泥含水率的关系

4.3轻骨料表观密度

轻骨料表观密度的大小，是判断骨料否轻质的重要参数，图4反映了污泥含水率与轻骨料表观密度的关系.

从图4可知，温度为1160 ℃时,轻骨料的表观密度低，最低值为960 kg/m3；1130 ℃轻骨料的表观密度较高，最高达1380 kg/m3.总趋势是焙烧温度提高，表观密度减小.

4.4轻骨料颗粒抗压强度

试验对轻骨料进行了颗粒抗压强度的测试，试验结果如图5所示.

图5　污泥含水率与轻骨料颗粒强度的关系

从图5可以看出，1130 ℃焙烧的轻骨料，随着污泥的含水率的升高而升高，最高达到18.27 MPa.1140 ℃焙烧的轻骨料表观密度均低于1130 ℃焙烧的，1140 ℃焙烧的轻骨料孔隙率高，因此强度低.

原料的化学成分不但决定着原料在焙烧过程中的膨胀性能，也决定着轻骨料的强度，原料中Al2O3和SiO2是难熔成分，其含量越高，轻骨料的强度就越高.由表2可知，原料中Al2O3和SiO2合计值，H4最高(64.01%)，h1最低(59.215),因此，1130 ℃焙烧的轻骨料，强度最高的是含水率最高的H4，最低的是h1.当温度为1140 ℃时，整体变化不大,最低值也出现在h1，11.5 MPa.

5结论

(1)轻骨料的膨胀率随污泥含水率的增加而提高，当配料中页岩/粉煤灰为80/20，焙烧温度1160 ℃时污泥含水率为77.78%时达到最大32.36%.

(2)焙烧温度提高，轻骨料的表观密度减小，温度为1160 ℃时,轻骨料的表观密度低，最低值为960 kg/m3；1130 ℃轻骨料的表观密度较高，最高达1380 kg/m3.

(3)轻骨料1 h吸水率1130 ℃时，吸水率较小，最低值仅仅为1.2%.1160 ℃最大值为5.4%.吸水率与污泥含水率之间没有规律性.

(4)污泥含水率为70.38%，1140 ℃焙烧的轻骨料，其1 h吸水率为3.2%，表观密度为1250 kg/m3，颗粒强度达到13.8 MPa.

参考文献

[1]李明松喻鹏，李志光，等．生活污泥的化学调理的研究进展[J]化工技术与开发．2010,1;51～53

[2]杨雷，罗树琼，张印民．利用城市污泥烧制页岩陶粒[J]．环境工程学报．2010,5;10～13

[3]杨晓华，杨博，崔清泉，等.利用江河淤泥、页岩、生物污泥生产陶粒[J]新型建筑材料，2010,11；54～57

[4]赵海军.张家口市对接“环首都经济圈”区域经济发展研究[J]经济师，2011，7；223～224

[5]闫振甲，何艳君编著.轻骨料生产实用技术[M]北京：化学工业出版社，2006：158～164

Effect of Water Content of Sludge on Properties of Shale-Fly Ash Lightweight Aggregate

XUE Bin1,ZHANG Hui-fang1,SHI Li-na2,WU Bao1,REN Bin1

(1.Hebei Institute of Architectural and Civil Engineering，Zhangjiakou 075000,China;2.Zhangjiakou Environmental Monitoring Station,Zhangjiakou 075000,China)

Abstract：Effect of water content of sludge on properties of shale-fly ash lightweight aggregate was studied,the content of chemical composition in different ratio was calculated,and combined with the changes of chemical composition in the ratio,the reason for the changes of the expansion ratio of the lightweight aggregate and the strength of the particles were analyzed.The results show that,calcinations temperature is changed from 1130 ℃ to 1160 ℃,the water content of the sludge is increased,and the expansion rate of the lightweight aggregate is increased,up to 32.36%;The relationship between the water content of sludge and the water absorption of lightweight aggregate is not presented;The strength of lightweight aggregate is mainly affected by the content of Al2O3 and SiO2 in the ratio,the higher the content of Al2O3 and SiO2 is,the higher the strength is.When the water content of sludge is 70.38% and calcinations’ temperature is 1140 ℃,water absorption of 1H of lightweight aggregate is less than 3.20%,and the particle strength is 13.8 MPa,the apparent density is 1251 kg/m3,which reaches the requirement of light weight and high strength.

Key words：sludge;water content;lightweight aggregate;expansion ratio;particle strength

收稿日期：2015-11-25

基金项目：河北省科技厅重点基础研究项目，项目编号14963807D

作者简介：薛斌(1959-)男，高级实验师，主要从事无机非金属材料和建筑材料教学与研究.

中图分类号:TU 528.041

文献标识码：A