水处理污泥-偏高岭土基地聚物的制备和性能研究

李胜

（常州工学院 土木建筑工程学院，江苏 常州 213000）

0 引言

地质聚合物是一种新型的无机聚合物，主要以无机非金属矿物（高岭土、石灰石等）或工业硅铝质类废渣（粉煤灰、矿渣等）为原料，通过化学碱性激发的方式，促使原料中的硅、铝等元素溶解，生成具有—Si—O—Al—、—Si—O—Si—等空间网络结构的无机非金属胶凝材料[1-3]。地质聚合物在相同服役环境下表现出更好的强度、耐久性、耐腐蚀性以及环境友好性，在建筑材料、土木及交通工程等领域有着重要的应用价值，受到广泛关注[4-5]。近年来，制备地聚物的原料也从消耗传统矿物材料，逐渐过渡到利用工业废弃物[6-7]，如低钙粉煤灰、炉渣等，但地聚物制备原料的单一性和局限性使多种工业废弃物共同处置的技术进展缓慢。

水处理污泥是城市污水处理厂的必然产物，是由有机质、细菌体、无机颗粒以及胶体等各类物质组成的复杂非均质体。随着城镇化率的提高，水处理污泥的生成量也急剧增加。2014年江苏省环境公报显示，江苏省日产污泥8160t，且每年以7%的速度递增。而当前处置这些污泥的方式多以填埋、焚烧和堆放为主，资源化利用率较低，且对环境存在潜在威胁[8-9]。稻壳作为谷物加工的副产品，年产量可达3.6亿t[10]，其燃烧后形成的稻壳灰，SiO2含量高达90%，可作为良好的硅源，用于水玻璃的生产和制备，以替代传统水玻璃的生产原料，进一步降低地聚物混凝土的能耗和成本。

为探讨水处理污泥、稻壳灰等工业/农业废弃物的处置利用途径，本文以偏高岭土和稻壳灰为主要Si-Al原料，辅以城市水处理污泥制备地聚物材料，研究了污泥掺量对偏高岭土基地聚物流动性能、力学性能和孔隙特性的影响，以期为建筑材料的可持续发展提供参考。

1 试验

1.1 原材料

偏高岭土：取自河北灵寿芬芬矿产品加工厂，煅烧温度为800℃，高岭土煅烧后，高岭石峰消失，转变为不稳定的无序结构的偏高岭土，具有了火山灰活性，其XRD图谱如图1所示；稻壳灰：取自河北石家庄纳杰矿产，其主要成分为SiO2；水处理污泥（以下简称污泥）：取自常州某自来水公司，该厂污泥经浓缩、脱水、干化及自然风干而成，此污泥未经煅烧。偏高岭土、稻壳灰及污泥的主要化学成分如表1所示，平均粒径、堆积密度等物理性能指标分别如图2、表2所示。石英砂：最大粒径≤2.5 mm，细度模数2.2。

图1 高岭土和偏高岭土的XRD图谱

图2 污泥、稻壳灰及偏高岭土的粒径分布

表1 污泥、稻壳灰及偏高岭土的主要化学成分 %

表2 污泥、稻壳灰及偏高岭土的主要物理性能

1.2 试样制备

试验选用质量浓度为99.2%的NaOH溶液。在稻壳灰中加入一定量的NaOH溶液，于100℃的反应釜中溶煮30～40 min后抽滤，所得滤液即为水玻璃。再将水玻璃与NaOH溶液复配制得碱激发剂。所制备水玻璃的化学成分为：Na2O 14.7%、SiO229.4%、H2O55.9%。污泥取代偏高岭土质量掺量分别为0、20%、40%、60%，偏高岭土基地聚物的配合比如表3所示。

表3 偏高岭土基地聚物的配合比

采用水泥胶砂搅拌机将水玻璃、污泥、偏高岭土和石英砂按比例搅拌均匀，然后将地聚物浆料置于40 mm×40 mm×160 mm的三联模具中，振捣密实，覆膜养护24 h后取出，再将其置于标准养护室中养护至规定龄期，以备性能测试。

1.3 测试方法

参照JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法》测试地聚物的凝结时间；采用Calmetrix水泥和混凝土半绝热量热仪测试地聚物水化反应放热阶段的温度动力学曲线；参照GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》测试养护龄期分别为1、7、28、84 d地聚物的弯曲强度和抗压强度；采用日立S-4800型扫面电子显微镜对地聚物的微观形貌进行观察；参考ASTMC642测试地聚物的吸水率和孔隙率，测试前先将试件置于（110±5）℃的烘箱中烘干24 h，冷却至室温后称取试件质量M0，然后将试件浸入水中72 h，称取浸泡后试件质量M1，再将其煮沸5 h，自然冷却至室温，擦干表面水渍，称取质量为M2，吸水率WA和孔隙率V分别按式（1）、式（2）计算：

2 试验结果与分析

2.1 污泥掺量对地聚物流动性的影响

根据地聚物使用场合不同，对凝结时间的要求亦不相同。如用于路面、机场跑道等快速修补时，所需地聚物的凝结时间较短，以缩短施工周期；而对于需要拌和运输的地聚物来说，则希望延长凝结时间，以避免在运输和浇筑过程中过早凝结。图3为污泥掺量对地聚物凝结时间的影响。

图3 污泥掺量对地聚物凝结时间的影响

由图3可知，随着污泥掺量的增加，地聚物的初、终凝时间均延长。未掺污泥时，地聚物的初、终凝时间分别为149、186 min；当偏高岭土被一定量的未煅烧污泥取代时，地聚物的初凝时间为160～230 min，终凝时间为198～326 min。凝结时间大幅度地延长说明了污泥掺量对地聚物流动性的影响较大。地质聚合反应的凝结时间与聚合程度相关，受到硅铝酸盐中溶解出的Si和Al含量的影响[11]，而本研究中Si/Al摩尔比固定为4.0，因此或可推测地聚物和易性能的变化可能与污泥中有机物含量和其平均粒径的大小相关。

不同污泥掺量下地聚合反应的温度动力学曲线见图4。

图4 不同污泥掺量下地聚合反应的温度动力学曲线

由图4可知，未掺污泥的对照组样品GPC-S0具有最高的放热峰，最高温度可达63.5℃，随着污泥掺量的增加，样品放热峰的最高温度逐渐降低。当污泥掺量分别为20%、40%和60%时，其最高温度分别为61.1、45.4和36.8℃。且达到最高温度所需的时间也逐渐延长，未掺污泥的样品达到最大放热峰的时间为168 min，而污泥掺量分别为20%、40%和60%的样品达到最高温度的时间则分别延长至180、336和378 min。这说明，随着污泥掺量的增加，地聚物的聚合反应速率在逐渐降低，达到相同的反应程度需要更长的反应时间。由于未经煅烧的水处理污泥中含有一定量的有机质成分，且污泥的平均粒径低于偏高岭土（具有更高的比表面积，见图2和表2），使得掺杂污泥的地聚物在进行聚合反应时吸附更多的水分子。在地聚合反应中，用水量的增加可以加快溶解和水解的作用，但会在一定程度上抑制聚合的过程，故而温度动力学曲线的峰值降低，反应时间延长。故此污泥掺量的增加，或可在一定程度上等同于用水量的增加，从而大幅延长了偏高岭土基地聚物的凝结时间。

2.2 污泥掺量对地聚物力学性能的影响（见图5）

图5 污泥掺量对地聚物弯曲强度和抗压强度的影响

由图5可知，养护龄期为28 d时，各组地聚物的弯曲强度为3.83～10.29 MPa，抗压强度为10.17～30.58 MPa。随着未煅烧污泥掺量的增加，地聚物的力学性能下降。这可归因为未经煅烧的污泥活性较低，难以发挥火山灰效应，当其掺量较多时，导致碱激发形成的胶凝材料不足，地聚物材料的界面结合力降低。随着养护龄期的延长，地聚物的聚合反应程度更加彻底，其弯曲强度和抗压强度也逐渐提高。以抗压强度为例，在养护龄期为84 d时，GPC-S60的抗压强度较28 d时提高了55.0%，GPC-S20的抗压强度较28 d时提高了 41.8%，而GPC-S0的抗压强度则较28 d时仅提高了34.5%。这与温度动力学曲线的分析结果相符，即污泥掺量的增加降低了聚合反应的反应速率。

另外，本研究使用稻壳灰作为补充硅源，并以其制备水玻璃替代市售硅酸钠溶液，作为偏高岭土基矿物的碱激发剂，制备的地聚物混凝土具有良好的力学性能。一方面，大幅度降低了矿物聚合物的制备成本，利于推广使用；另一方面，也可以减少CO2温室气体的排放[12]，为节能减排作出贡献。

2.3 污泥掺量对地聚物孔隙率及吸水率的影响

（见图6）

图6 污泥掺量对地聚物孔隙率及吸水率的影响

由图6可见，随污泥掺量的增加，地聚物的孔隙率和吸水率均呈现逐渐增大的趋势。GPC-S0样品的孔隙率和吸水率分别为9.3%和10.4%，而GPC-S60的孔隙率和吸水率则分别为11.6%和12.9%，分别增大了24.7%和24.1%。

图7为GPC-S0和GPC-S60样品标准养护84 d后的微观形貌。

图7 GPC-S0和GPC-S60样品的微观形貌

由图7不难发现，与GPC-S60相比，GPC-S0的微观形貌较为致密，表面存在的孔隙少、孔径也更小；而GPC-S60中则明显存在更多的孔隙等空洞结构，孔径也更大，微观结构上的差异使其在宏观力学性能的表现也截然不同。

3 结论

（1）以偏高岭土、未经煅烧的水处理污泥和稻壳灰为主要Si-Al原料制备了偏高岭土基地聚物材料。随着污泥掺量的增加，地聚物的初、终凝时间均延长；样品放热峰的最高温度逐渐降低，且达到最高温度所需的时间也逐渐延长。

（2）随着污泥掺量的增加，地聚物的弯曲强度和抗压强度逐渐降低，当养护龄期为28 d、污泥掺量为20%时，偏高岭土基地聚物的弯曲强度为9.7 MPa，抗压强度为26.95 MPa。

（3）随着污泥掺量的增加，地聚物的孔隙率和吸水率均逐渐增大；未掺污泥的样品微观形貌更加致密，表面存在的孔隙更少、孔径也更小，而污泥掺量为60%的样品中则明显存在更多的孔隙等空洞结构，孔径也更大。

（4）本研究出于能耗的考虑，所使用的污泥未经煅烧，在以后的研究工作中，可进一步考虑采用煅烧污泥，以激发污泥的活性，实现更高掺量的偏高岭土取代率，拓宽地聚合物原材料的选择范围，利于实现多种工业固体废弃物，如稻壳灰、污泥等含硅铝相的工业废弃物的资源化和高附加值化利用。