改性污泥制備泡沫混凝土的可行性研究

馬小莉，相玉琳

（榆林學(xué)院建筑工程系，陜西 榆林 719000）

應(yīng)用技術(shù)

改性污泥制備泡沫混凝土的可行性研究

馬小莉，相玉琳

（榆林學(xué)院建筑工程系，陜西 榆林 719000）

由于污泥在建材利用安全性方面存在較多質(zhì)疑，致使污泥的建材利用一直得不到廣泛推廣。鑒于此，本實(shí)驗(yàn)對(duì)剩余污泥進(jìn)行了改性處理，對(duì)改性后獲得的泥渣與污泥蛋白液的特性進(jìn)行了分析，同時(shí)對(duì)不同泥渣與泡沫摻量下的泡沫混凝土強(qiáng)度和耐火特性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，改性污泥制備泡沫混凝土不存在安全隱患，獲得的污泥蛋白發(fā)泡劑具有良好的發(fā)泡性能。制備的泡沫混凝土具有良好抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度，滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；同時(shí)泡沫混凝土的干密度、抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度都隨著泡沫量的增加而降低；隨著污泥渣的增加，泡沫混凝土的干密度和抗折強(qiáng)度下降，抗壓強(qiáng)度則呈現(xiàn)先增加而后降低的趨勢(shì)，在污泥渣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%時(shí)，抗壓強(qiáng)度最佳。耐火試驗(yàn)顯示泡沫混凝土具有良好的耐火性能。因此，應(yīng)用改性污泥制備泡沫混凝土具有較強(qiáng)的可行性。

改性污泥；蛋白質(zhì)；泡沫；混凝土；強(qiáng)度；耐火

隨著城鎮(zhèn)化及現(xiàn)代化工業(yè)的迅猛發(fā)展，作為污水處理廠難以避免的副產(chǎn)物——污泥的產(chǎn)量在急劇上升。污泥的處理與處置已成為困擾污水處理廠的重大難題與挑戰(zhàn)。如何對(duì)污泥進(jìn)行合理有效地處理處置已成為現(xiàn)今亟待解決的問題。目前，污泥處理處置技術(shù)主要有填埋、焚燒、農(nóng)業(yè)利用和建材利用等［1］。污泥的建材利用主要是利用污泥或其處理后產(chǎn)物制造板材、砌塊、玻璃及水泥等［2-5］。污泥的建材利用較其農(nóng)業(yè)利用、土地填埋、資源回收利用等具有經(jīng)濟(jì)效益社會(huì)效益明顯、無二次污染等優(yōu)勢(shì)，是污泥處理處置的一個(gè)有潛力的發(fā)展方向。然而，由于我國在污泥建材利用方面的發(fā)展較晚，在污泥建材利用安全性方面存在較多質(zhì)疑，致使污泥的建材利用一直得不到廣泛推廣［6］。

鑒于此，本研究在前期課題組［7］工作的基礎(chǔ)上，針對(duì)污泥有機(jī)質(zhì)含量高、脫水難等特點(diǎn)，對(duì)污泥進(jìn)行改性處理后制備泡沫混凝土，探討了以污泥渣為摻合料、污泥蛋白為發(fā)泡劑制備泡沫混凝土的可行性，以期為污泥的建材利用提供一定理論依據(jù)與技術(shù)支持。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1 裝置與材料

輻照實(shí)驗(yàn)采用天津金鵬源輻照技術(shù)有限公司60Co γ輻照源，源強(qiáng)1.6×104居里，劑量率70Gy/min，輻照溫度23℃±2℃。污泥采自榆林市榆陽區(qū)污水處理廠的剩余污泥，主要化學(xué)成分見表1；粉煤灰來自榆林大保當(dāng)，質(zhì)量等級(jí)為Ⅰ級(jí)，見表2；水泥為榆林市蒙西產(chǎn)強(qiáng)度等級(jí)52.5級(jí)復(fù)合硅酸鹽水泥。試驗(yàn)用水為民用自來水。試驗(yàn)所涉及化學(xué)試劑均為分析純級(jí)。

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

1.2.1 污泥改性

首先，粉煤灰用硝酸改性，硝酸濃度為4mol/L，粉煤灰與酸的配比為1∶4（g/mL），浸沉?xí)r間4h，過濾，將粉煤灰置于烘箱100℃±5℃干燥4h，然后碾碎過篩（100目），改性粉煤灰即可獲得。然后改性粉煤灰與剩余污泥溶液按照0.2g/mL進(jìn)行配比并充分混合，置于300mL玻璃瓶密封，10kGy計(jì)量下輻照［7］。輻照后，3000r/min離心分離出污泥上清液。污泥上清液濃縮至30%作為發(fā)泡劑；泥渣置于烘箱內(nèi)烘干（200℃），烘干后的改性污泥渣粉碎過1mm篩，備用。

表1　污泥主要化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù) 單位：%

表2　粉煤灰的質(zhì)量等級(jí) 單位：%

1.2.2 試塊制備

通常情況下污泥加入量不可超過水泥量的10%［8-9］。因此，試驗(yàn)以改性污泥渣替代部分水泥進(jìn)行混凝土的制作，研究改性污泥渣占混凝土量分別為0、2%、4%、6%和 8%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的情況下混凝土的抗壓性能。根據(jù)表3取樣，先將水泥、改性污泥渣和水預(yù)混均勻，再加入污泥蛋白泡沫進(jìn)行攪拌至均勻，然后將料漿澆注成100mm×100mm×100mm的試塊，每個(gè)配合比成型6塊試件。試塊在2天后拆模、編號(hào)、放入養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)（溫度20℃±3℃，相對(duì)濕度95%）。14天后進(jìn)行抗壓性能測(cè)試。

1.2.3 分析方法

采用CHT-4106微機(jī)液壓萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行抗壓、抗折性能測(cè)試（抗壓試件的尺寸為 100mm× 100mm×100mm，抗折試件的尺寸為 100mm× 100mm×400mm），樣品的微觀形貌采用JSM-6480LV型掃描電鏡觀察，樣品宏觀形貌采用XTL-2600低倍顯微鏡觀察并用尼康D3300數(shù)碼相機(jī)照相，污泥中重金屬量采用混酸消解法提?。?0］，污泥蛋白液的泡沫性能采用 Ross-Miles法測(cè)定（GB/T 7462—1994）。

2　結(jié)果與討論

表3　試塊摻料配合比

2.1 理化性質(zhì)分析

重金屬與微生物污染是限制污泥建材利用的主要因素。表4為剩余污泥經(jīng)改性處理后所得泥渣與污泥蛋白液重金屬及微生物檢測(cè)結(jié)果。由表4可知，污泥蛋白液中未發(fā)現(xiàn)任何微生物，經(jīng)過平板培養(yǎng)細(xì)菌總數(shù)仍然為零，不存在微生物污染；原始污泥含有大量細(xì)菌，經(jīng)過平板培養(yǎng)細(xì)菌總數(shù)為 1.96× 107CFU/g，處理后泥渣中未發(fā)現(xiàn)菌膠團(tuán)及原生動(dòng)物，經(jīng)過平板培養(yǎng)只有細(xì)菌生長(zhǎng)出，培養(yǎng)后細(xì)菌總數(shù)為 5.8×104CFU/g，因此泥渣在混凝土的制作中也不會(huì)存在微生物污染。對(duì)于重金屬的安全性，供試污泥中所含的重金屬及其含量遠(yuǎn)低于國家標(biāo)準(zhǔn)《室內(nèi)裝飾裝修材料 內(nèi)墻涂料中有毒有害物質(zhì)限量》（GB18582－2008）。因此，本研究所得泥渣與污泥蛋白液作為建材利用不存在安全隱患。

表4　檢測(cè)結(jié)果

圖1為剩余污泥改性處理前后掃描電鏡圖，由圖可知，處理前后污泥細(xì)胞形貌明顯不同，未處理污泥細(xì)胞形貌完整流暢，而改性處理后的污泥細(xì)胞遭到破壞，絲狀細(xì)菌消失。

圖2為污泥蛋白液泡沫形貌，由污泥蛋白液形成的泡沫多為多面體結(jié)構(gòu)，氣泡尺寸相對(duì)均勻，且泡沫具有良好的穩(wěn)定性。泡沫主要分為多面體泡沫和球形泡沫。當(dāng)氣體量不足74%時(shí)，氣泡間被液體分開較遠(yuǎn)，彼此不連接，主要形成球形泡沫。當(dāng)氣體量超過74%時(shí)，氣泡量增多，當(dāng)超過最致密球形分布時(shí)，就形成了多面體泡沫。多面體泡沫實(shí)則是氣泡聚集體，氣泡不再具有獨(dú)立性，這樣所形成的群體則大大地強(qiáng)化了泡沫的穩(wěn)定性，延長(zhǎng)了泡沫的壽命［11］。本研究所得蛋白泡沫液發(fā)泡性平均高度為19.1cm，穩(wěn)泡性平均高度為16.6cm，而市售發(fā)泡劑的泡沫高度一般在15～18cm［12］。

2.2 泡沫混凝土強(qiáng)度的變化

2.2.1 泡沫摻量對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

固定污泥渣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 4%，對(duì)不同泡沫摻量的混凝土進(jìn)行干密度和7天與28天強(qiáng)度分析，結(jié)果如圖3所示。從圖3可知，采用添加1350～1750mL污泥蛋白泡沫所研制的密度等級(jí)不小于400kg級(jí)的泡沫混凝土，抗壓強(qiáng)度≥3.8MPa，滿足建筑工業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《泡沫混凝土》（JG/T 266—2011）。由圖 3可知，泡沫混凝土的干密度、7天與28天抗壓及抗折強(qiáng)度都隨著泡沫量的增加而降低，這表明泡沫量的增加不利于混凝土強(qiáng)度的發(fā)展。由于泡沫混凝土的強(qiáng)度不僅取決于硬化水泥漿體的強(qiáng)度，在很大程度上還受氣孔體積分?jǐn)?shù)的影響，氣孔體積分?jǐn)?shù)越大，混凝土的強(qiáng)度越低［14］。當(dāng)泡沫量增加，氣孔體積分?jǐn)?shù)必然也增加，因此導(dǎo)致了泡沫混凝土強(qiáng)度的降低。

2.2.2 污泥渣質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

固定泡沫量為 1450mL，對(duì)不同污泥渣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的混凝土進(jìn)行干密度和7天與28天強(qiáng)度分析，結(jié)果如圖4所示。

圖1　剩余污泥改性處理前后形貌

圖2　污泥蛋白液泡沫形貌

圖3　泡沫量對(duì)泡沫混凝土強(qiáng)度的影響

圖4　污泥渣質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)泡沫混凝土強(qiáng)度的影響

由圖4（a）可知，隨著污泥渣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，泡沫混凝土的干密度呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，這主要是由于污泥渣的密度小于硅酸鹽水泥的密度。對(duì)于抗壓強(qiáng)度，隨著污泥渣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，混凝土的抗壓強(qiáng)度先增加而后降低。泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度與膠凝物質(zhì)量（即硬化水泥漿體的強(qiáng)度）成正比，與氣孔體積分?jǐn)?shù)成反比。由于污泥渣的密度小于水泥，當(dāng)用污泥渣等質(zhì)量取代水泥時(shí)，隨著污泥渣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，泡沫混凝土的固體與氣泡體積比增加，相當(dāng)于降低了泡沫混凝土的氣孔體積分?jǐn)?shù)，因此混凝土的抗壓強(qiáng)度增加。當(dāng)氣孔體積分?jǐn)?shù)降到一定程度時(shí)，膠凝物質(zhì)的影響占優(yōu)勢(shì)［13］，由于污泥渣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加降低了膠凝物質(zhì)的含量，盡管污泥渣中含有一定量的膠凝物質(zhì)，但該膠凝物質(zhì)活性低，在一定程度上影響了整個(gè)體系的水化反應(yīng)，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度下降。

對(duì)于抗折強(qiáng)度，主要取決于膠凝物質(zhì)，因此隨著污泥渣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，膠凝物質(zhì)活性降低，致使泡沫混凝土抗折強(qiáng)度降低。

2.3 耐火試驗(yàn)

配置650kg/m3的泡沫混凝土。圖5為耐火試驗(yàn)（火焰溫度1000℃）前后直接用數(shù)碼相機(jī)拍攝的泡沫混凝土表面形貌及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。泡沫混凝土溫度達(dá)到220℃所需時(shí)間為40min，實(shí)體混凝土達(dá)到該溫度需要 30min。灼燒后表面不再平滑，但未發(fā)現(xiàn)明顯裂紋，內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化不明顯。耐火材料抗張拉強(qiáng)度小，當(dāng)對(duì)表面進(jìn)行加熱時(shí)，表面擴(kuò)張較內(nèi)部快，致使表面受到擠壓力，內(nèi)部受到張力；冷卻過程與上述情況相反［14］，在兩種力的交替變換下，致使表面變得凸凹不平，當(dāng)這些力過大時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生裂紋，由于泡沫混凝土氣孔的存在起到了一定的緩沖作用，因此，灼燒后未發(fā)現(xiàn)明顯裂紋，而實(shí)體泡沫灼燒后則出現(xiàn)了較大的裂紋。由此可見，本研究所得泡沫混凝土耐火性較好。

圖5　泡沫混凝土灼燒前后形貌

3　結(jié)　論

本文作者課題組在前期研究的基礎(chǔ)上，對(duì)改性污泥制備泡沫混凝土制品的可行性進(jìn)行了研究。通過對(duì)改性后的污泥渣及污泥蛋白液進(jìn)行理化性質(zhì)分析，發(fā)現(xiàn)污泥渣及污泥蛋白液不存在重金屬及細(xì)菌微生物污染風(fēng)險(xiǎn)，可放心應(yīng)用于建材生產(chǎn)。獲得的污泥蛋白發(fā)泡劑具有良好的發(fā)泡性能。應(yīng)用污泥渣及污泥蛋白發(fā)泡劑配合復(fù)合硅酸鹽水泥制備的泡沫混凝土滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，耐火性能良好。因此應(yīng)用改性污泥制備泡沫混凝土具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，可行性強(qiáng)，值得推廣。

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Feasibility study on foam concrete prepared by modification sludge

MA Xiaoli，XIANG Yulin
（Department of Architectural Engineering，Yulin University，Yulin 719000，Shaanxi，China）

The utilization of sludge in building materials have not been widely used because of safety dispute.In this paper，modification treatment of excess sludge was carried out，and characteristics of dislodged sludge and sludge protein solution after modification treatment，and the influence of dislodged sludge and sludge protein solution with different contents on strength and fire-resistant performance of foam concrete were investigated.The results showed that foam concrete prepared by modification sludge has no potential safety risks，and the sludge protein solution had excellent foaming property.The prepared foam concrete had good compressive strength and breaking strength，which met the requirement of the industrial standard.Dry density，compressive strength and breaking strength decreased with the increase of foam quantity.As sludge mud increased，dry density and breaking strength decreased.Compressive strength first increased and then decreased.When the ratio of sludge mud was 4%（wt），compressive strength was optimum.Fire test showed that foam concrete has good fire-resistant performance.Therefore，foam concrete prepared by modification sludge had comparatively more feasible and reasonable.

modification sludge；protein；foam；concrete；strength；fire-resistant

TU 992.3

A

1000-6613（2016）09-2997-05

10.16085/j.issn.1000-6613.2016.09.049

2016-01-13；修改稿日期：2016-03-13。

榆林市科技局項(xiàng)目（2014cxy-09）、榆林學(xué)院高層次人才科研基金（12GK04）及陜西省科技廳基礎(chǔ)研究計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（2012JZ2003）。

及聯(lián)系人：馬小莉（1967—），女，碩士，副教授，主要從事土木工程專業(yè)教學(xué)與科研工作。E-mail maxiaoli719000@126.com。